De normen voor voedselveiligheid en voedselkwaliteit zijn in Duitsland en in de hele Europese Unie nog nooit zo hoog geweest. Dit geldt met name in de zuivelindustrie. Maar ondanks zulke hoge normen, sporen van onzuiverheden, pesticiden en antibiotica kunnen hun weg vinden naar melk, met soms ernstige gevolgen voor de gezondheid van de consument. In het door de EU gefinancierde project MOLOKO, Fraunhofer-onderzoekers hebben samengewerkt met partners om een ​​nieuwe optoplasmonische sensor te ontwikkelen die is ontworpen om snelle, on-site analyse van veiligheids- en kwaliteitsparameters voor melk. Dit systeem voor vroegtijdige waarschuwing zal de industrie aanzienlijke tijd- en geldbesparingen opleveren, evenals een drastische vermindering van verspild product, waardoor de prestaties in de hele toeleveringsketen worden verbeterd.

Voedselveiligheid is een kritische factor in de voedingsindustrie, niet in de laatste plaats in de zuivelsector. Hier, uierinfecties kunnen ertoe leiden dat schadelijke organismen in de melk terechtkomen, en chemische stoffen zoals antibiotica of pesticiden kunnen het product besmetten via voer of als gevolg van onvoldoende controle van apparatuur en opslagfaciliteiten. Om te voorkomen dat vervalste melk in de voedselketen terechtkomt, controles worden uitgevoerd door het hele productieproces en de toeleveringsketen. Toch zijn deze standaardtesten duur en tijdrovend. Er worden monsters genomen van melktankwagens die een productmengsel bevatten dat is verzameld van een aantal melkveebedrijven en vervolgens in het laboratorium wordt geanalyseerd. Als de melk besmet blijkt te zijn, de hele lading moet worden vernietigd, met hoge verliezen voor alle betrokken boeren en melkveebedrijven. Als er een test zou zijn waarmee boeren hun eigen melk kunnen controleren voordat deze door de tankwagen wordt opgehaald, dergelijke verspilling kan worden vermeden.

Kwaliteitscontrole levert resultaten op in vijf minuten

In het project MOLOKO (Multiplex photonic sensor for pLasmonic-based Online detectie van contaminanten in melk), Twaalf partners uit zeven landen, waaronder één zuivelfabriek, hebben een snelle en goedkope test bedacht om kwaliteitsfactoren in melk te identificeren. In een test die ongeveer vijf minuten duurt, een nieuwe optoplasmonische sensor analyseert het product op in totaal zes stoffen, waardoor een aanvullende controle en een systeem voor vroegtijdige waarschuwing binnen de toeleveringsketen wordt geboden, ruim voordat de melk in de tankwagen wordt gepompt. De sensor is gefunctionaliseerd met receptoren voor specifieke antilichamen die dienen als indicatoren voor verschillende kwaliteits- en veiligheidsparameters voor melk. Hierdoor kunnen melkveebedrijven geautomatiseerd, kwantitatieve analyses op locatie.

Unieke geïntegreerde sensorarchitectuur

Het hele systeem bestaat uit een herbruikbare microfluïdische chip, organische lichtemitterende transistors (OLET's) of diodes (OLED's), een sensor bestaande uit organische fotodetectoren (OPD's), een nanogestructureerd plasmonisch rooster en de specifieke antilichamen. De organische fotodetector wordt ontwikkeld bij het Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Elektronenstraal en plasmatechnologie FEP, en de microfluïdische chip van het Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS. de OLET, In de tussentijd, wordt ontwikkeld door CNR-ISMN in Bologna, en het fotonische rooster van de firma Plasmore Srl in Pavia, beide in Italië. Coördinator van het project is CNR-ISMN.

"Het unieke aan onze chip is dat hij hergebruikt kan worden, " legt Andreas Morschhauser uit, onderzoeker bij Fraunhofer ENAS. "De doelmoleculen worden door een regenererende buffer van de geïmmobiliseerde antilichamen gestript. Hierdoor kunnen de antilichamen opnieuw worden gebruikt voor verdere tests." In feite, de geschatte levensduur van de chip is 100 testcycli. Bij elke proef wordt in totaal worden zes parameters met betrekking tot contaminanten en eiwitten gemeten. Voor dit doeleinde, Morschhauser en zijn collega's hebben een microfluïdisch systeem ontwikkeld in de vorm van een geautomatiseerd, geminiaturiseerde cartridge die vervangbaar is. Naast het verstrekken van informatie over de veiligheid en kwaliteit van melk, de gemeten parameters vertellen boeren ook over de gezondheid en conditie van elke koe. Dit helpt hen om infecties in een vroeg stadium te herkennen en onmiddellijk met de behandeling te beginnen. Tijdige behandeling kan leiden tot een meer oordeelkundige toediening van antibiotica en dus tot een vermindering van het gebruik ervan.

Een nanogestructureerd rooster voor oppervlakteplasmonresonantie

Maar hoe werkt de test? Dr. Michael Torker, een onderzoeker bij Fraunhofer FEP, legt uit:"Licht dat door de transistor wordt uitgezonden, valt op een rooster dat is bedekt met antilichamen die specifiek zijn voor de verschillende stoffen waarop wordt getest. Wanneer melk over het rooster wordt gespoeld, eventuele doelwitmoleculen in de melk binden zich vervolgens met de antilichamen. Hierdoor verandert de brekingsindex in de directe omgeving van het rooster, die op zijn beurt wijzigt hoe dit licht wordt gereflecteerd. Het gereflecteerde licht wordt geregistreerd door de fotodetector, die minimale veranderingen in de brekingsindex meet." Dit fundamentele fenomeen, die voorkomt op speciaal gestructureerde nanoroosters, staat bekend als oppervlakteplasmonresonantie. Het biedt snelle en zeer gevoelige metingen.

Het doel is om deze biosensor op verschillende punten in de waardeketen te gebruiken, zowel als laboratoriumapparaat als direct geïnstalleerd in zuivelapparatuur. Bovendien, het zal ook geschikt zijn voor het testen van de kwaliteit van andere vloeistoffen dan melk, zoals bier of water. De enige vereiste aanpassing is een wijziging van de geïmmobiliseerde vangstmoleculen en van de vereiste reactiebuffer. Dit zou alleen inhouden dat de invangmoleculen worden vervangen door exemplaren die geschikt zijn gemodificeerd voor het betreffende doel.