materiales polimÉricos compuestos, aplicaciones a
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MATERIALES POLIMÉRICOS COMPUESTOS, APLICACIONES A
NANOMATERIALES
1° CUATRIMESTRE 2021Edición Virtual
Silvia GoyanesLaura Ribba
Envases Inteligentes
Envasado
Envasado
Envasado
Empaques activos
Empaques inteligentes
Empaques inteligentes en el mercado
Indicadores en empaques inteligentes
INDICADOREs un dispositivo que transmite información a un consumidor sobre la actividad microbiana, la calidad de los alimentos y / u otras propiedades.
Usa características específicas como la presencia o ausencia de una sustancia química o biológica objetivo, el grado de reacción (es) entre dos o más sustancias,
o la diferencia en la concentración de sustancias químicas presentes en los alimentos como se evidencia a través de un cambio de color irreversible y visible.
Indicadores en empaques inteligentes
Objetivos de empaques inteligentes
Indicadores tiempo-temperatura
Indicadores tiempo-temperatura
Este tipo de indicador de temperatura indica deterioro y cambios en las propiedades organolépticas de los alimentos cuando se exponen a rangos de temperatura anormales (por debajo o por encima de la temperatura crítica de almacenamiento) durante más de un intervalo de tiempo especificado por cambios irreversibles pero visibles en el color del indicador. En consecuencia, el indicador encuentra su aplicación en productos alimenticios congelados ya que su propiedad cambia irreversiblemente después de superar las temperaturas umbral.
Indicadores tiempo-temperatura
Estos indicadores muestran una respuesta por encima de una temperatura crítica de referencia que se puede traducir en términos de tiempo de exposición equivalente a esa temperatura crítica. La calidad y seguridad del producto se pueden identificar utilizando integradores de temperatura / tiempo críticos (CTTI) por encima de la temperatura crítica en función del tiempo de exposición.
Indicadores tiempo-temperatura
Estos indicadores de tiempo y temperatura son dispositivos simples y económicamente viables que registran el historial de temperatura de un paquete de alimentos durante todo el período de tiempo a través del empaque, almacenamiento, distribución y venta al por menor. Los datos se registran en términos de cambios irreversibles que explican la seguridad y la calidad de los alimentos a los consumidores. Los TTI se clasifican además en dos subtipos: indicadores de historial completo e indicadores de historial parcial. Estos indicadores encuentran aplicación principalmente para alimentos sensibles a la temperatura, como productos refrigerados y congelados.
Indicadores tiempo-temperatura
Tipos de indicadores
Indicadores tiempo-temperatura
Indicadores de frescuraSpoilage Indicator
One approach to detecting food spoilage is by using pH, and various chemical sensor designs that allow noninvasive and real-time monitoring of meat and fish freshness based on a pH change are described in the literature.
External factors are responsible for the spoilage of food
temperaturehumiditygas atmosphere
Indicadores de frescura
In an enclosed food package, as fish spoils, the pH will increase over time within the headspace inside the packaging, which can be sensed by an appropriate pH sensor.
The key element of this sensor system is the pH indicator dyes which change color when placed in an acidic or basic environment.
This is due to the fact that when fish spoils, it releases a variety of basic volatile amines which can be detected with appropriate pH sensors. Sensors and Actuators B: Chemical
Volume 286, 1 May 2019, Pages 362-369
Indicadores de frescura
También se han explorado indicadores de frescura de alimentos a base de colorantes naturales que utilizan cúrcuma, cáscara de uva y extractos de remolacha o repollo para detectar el envejecimiento de pescados.
Se ha demostrado que los extractos naturales de origen biológico como colorantes en los indicadores de frescura de los alimentos basados en el pH se pueden utilizar de forma eficaz en sistemas de envasado inteligentes, ya que pueden funcionar cómodamente en función de los valores de diferencia de color total
Sensors and Actuators B: ChemicalVolume 244, June 2017, Pages 759-766
International Journal of Biological MacromoleculesVolume 174, 31 March 2021, Pages 370-376
Indicadores de frescura
Se han realizado trabajos similares con frutas frescas y verduras cortadas .
Una combinación de azul de bromotimol y rojo de metilo en una proporción de 2: 3 se puede utilizar como indicador de frescura en tiempo real para el
pimiento verde almacenado a 7 ± 1 ° C.
Estos indicadores de frescura se han utilizado en forma de etiquetas que pueden mostrar un cambio
de color de amarillo verdoso a naranja.
Indicadores de frescuraUn sensor de madurez es otra herramienta
inteligente que puede indicar la calidad y frescura de los alimentos.
Uno de esos sistemas disponibles comercialmente es Ripesense® desarrollado por Plant & Food
Research, Auckland, que fue el primer sensor de etiquetas inteligente del mundo que podía indicar la madurez de la fruta mediante cambios de color en
el material de empaque.
El inicio de la maduración en frutas produce un aroma característico. Esto se ha utilizado en algunos
casos; el elemento sensor reacciona con estos compuestos aromáticos y esto da como resultado
un cambio en su color. (Kim et al., 2018).
Indicadores de frescuraSi bien la mayoría de estos mecanismos de detección se basan en tintes que cambian de color, la
penetración de los tintes puede afectar las propiedades organolépticas de los alimentos envasados.
Lee, Baek, Kim y Seo, (2019) desarrollaron un indicador de frescura de triple capa, con una lámina de HDPE no tejido (Tyvek®) como un capa base (en contacto con alimentos), verde de bromocresol
(colorante sensible al pH) inmovilizado con el polímero aglutinante como capa que cambia de color y una película de polietileno de baja densidad como capa exterior.
Indicadores de patógenos
Indicadores de fugas
El envasado en atmósfera modificada/controlada implica alterar la atmósfera (es decir, los niveles de concentración de gas) dentro del envase con el objetivo de extender la vida útil del producto.
Sin embargo, las fugas o distorsiones en la integridad del paquete pueden plantear problemas. Los defectos en el paquete también pueden resultar en variaciones en la concentración óptima de gases, y tal variación en las concentraciones tiene efectos drásticos en la calidad de los alimentos.
Esto puede tener implicaciones en el sabor, la nutrición, la textura y la aceptabilidad general del producto. Por lo tanto, para mantener y monitorear la integridad de los paquetes, los indicadores de fugas encuentran excelentes aplicaciones
Indicadores de fugas
Indicadores de fugas
Indicadores de fugas
Indicadores de fugas
Indicadores de radio frecuencia
Nanosensores y NanobiosensoresLos sensores se utilizan para detectar, localizar o cuantificar materia o energía, proporcionando una señal para la medición o detección de una propiedad química o física a la que responde el dispositivo.
Los biosensores consideran la detección de reacciones biológicas o bioquímicas mediante un dispositivo analítico.
El prefijo nano en nanosensores y nanobiosensores explica un componente de detección transformado o la adición de nanomateriales para mejorar el rendimiento del sensor.
Un nanobiosensor es un biosensor que tiene un tamaño de nanoescala. Consiste en un transductor, un elemento de reconocimiento biológico llamado biorreceptor y sistemas biológicos vivos como células, tejidos, organismo completo, enzimas, anticuerpos y proteínas.
Nanosensores y NanobiosensoresLos nanosensores y nanobiosensores se clasifican según los transductores utilizados para la generación de la señal de salida:
• Los sensores electroquímicos son dispositivos que se utilizan para detectar y trabajar sobre los principios de la electroquímica. Con la nanotecnología, las reacciones electroquímicas con un analito biológico se pueden cuantificar mediante la generación o consumo de electrones o iones con alta sensibilidad y selectividad. Los iones o electrones generados por reacciones electroquímicas se miden como corriente, voltaje o impedancia. La concentración de un analito en la muestra se puede detectar estableciendo una correlación con la señal eléctrica obtenida de una reacción química. Los sensores electroquímicos pueden trabajar en amperometría (en la que miden cambios en la corriente con oxidación y reducción de especies electroactivas), voltamperometría y potenciometría (midiendo variaciones en un potencial de circuito abierto).
Nanosensores y NanobiosensoresLos nanosensores y nanobiosensores se clasifican según los transductores utilizados para la generación de la señal de salida:
• Un sensor óptico es un dispositivo analítico compacto que se basa en la detección de un analito a través de cambios en las señales ópticas, medidas con transductores ópticos como mediciones espectroscópicas como absorción, fosforescencia, dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS), fluorescencia, resonancia de plasma superficial ( SPR) y refracción. Estos detectan el cambio de intensidad, tiempo, longitud de onda, polaridad y fase de la luz.
PlasmonesLos materiales de tamaño nanométrico (10-9 m) contienen algunos átomos o moléculas, que están en el rango de tamaño de 10-10 m o 1 Å. A esta escala, el número de átomos implicados en un nanomaterial es muy limitado y muchos de ellos se encuentran en la superficie del nanomaterial.
Por lo tanto, nuevas propiedades ópticas dependientes del tamaño y la forma son observados en esta escala debido a las fluctuaciones coherentes de las cargas de electrones en los límites de los metales, que se denominan oscilaciones de plasma superficial o plasmones; estos están ausentes en materiales a granel o átomos individuales
PlasmonesLos plasmones de superficie son oscilaciones confinadas a superficies de materiales conductores e interactúan fuertemente con la luz. Por debajo de la frecuencia del plasmón, la luz se refleja porque los electrones del metal protegen el campo eléctrico. Por encima de la frecuencia del plasmón, la luz se transmite porque los electrones no pueden responder lo suficientemente rápido como para filtrarla. Se produce una resonancia de absorción a la frecuencia del plasmón y la parte real de la función dieléctrica pasa a cero.
La frecuencia de esta resonancia se puede ajustar variando la forma, el tamaño, el material y la proximidad de las nanopartículas a otras nanopartículas. Inspirándose en estas propiedades, las nanopartículas de metales nobles que exhiben estas propiedades ópticas únicas y sintonizables debido a su efecto de acoplamiento de plasmón entre partículas, han permitido el desarrollo de indicadores colorimétricos.
Nanopartículas de OroEntre los metales nobles, las AuNP son materiales eficaces para los bioensayos colorimétricos. Las propiedades ópticas únicas de los AuNP se basan en el principio básico de resonancia de plasmones en superficie (SPR), que depende de su tamaño y forma. Las partículas más grandes son más sensibles, mientras que las partículas más pequeñas son más estables en forma coloidal.
Las AuNP que tienen un diámetro de 10 a 50 nm con un pico de absorbancia de alrededor de 520 nm tienen un color rojo intenso debido a la SPR localizada. Sin embargo, la reducción de la distancia entre partículas o el aumento de la proximidad de los coloides da como resultado una combinación de la SPR de AuNP individuales (acoplamiento de plasmón entre partículas), lo que produce un cambio en el espectro de absorbancia y un cambio en el color visible de rojo a azul.
Nanopartículas de Oro
Debido a este efecto óptico, los AuNP tienen se ha implementado para la detección de patógenos en formatos estabilizados o agregados según lo regulan los electrolitos, ligandos diana o sitios de unión competitivos.
Las AuNP pueden identificar fácilmente los patógenos alimentarios a través del reconocimiento de antígeno-anticuerpo, lo que da como resultado un cambio de color de las AuNP al agregarse.
Nanopartículas de OroFu y colaboradores desarrollaron un bioensayo colorimétrico rápido para detectar las bacterias patógenas de los alimentos Listeria monocytogenes(L. monocytogenes) y Salmonella enterica (S. enterica) en la leche.
Ciertos genes de L. monocytogenes y S. entericacrearon fuertes enlaces entre las AuNP, lo que da como resultado agregación; en consecuencia, se observó un cambio de color de rojo a azul.
Nanopartículas de PlataSi bien el oro es un excelente biosensor colorimétrico, la plata se ha utilizado ampliamente en quimiosensores. Durante las últimas décadas, los AgNP se han explotado como rellenos activos en nanocompuestos de polímeros para envases de alimentos antibacterianos. La alta afinidad de la plata hacia el azufre o el fósforo es probablemente la razón de este efecto.
La forma oxidada de los AgNP (Ag +) puede reaccionar fácilmente con el sulfuro para formar nanopartículas de sulfuro de plata (Ag2S). Combinados con las propiedades ópticas intrínsecas de los AgNP de SPR, los AgNP pueden ser buenos candidatos para su uso en indicadores químicos. Los AgNP coloidales esféricos estables muestran SPR en el rango visible de 400 a 500 nm, lo que da como resultado un tono amarillobrillante. La intensidad del color puede ajustarse al marrón o al rojo intenso, según el estado del sistema coloidal y la concentración de analitos en las muestras.
Nanopartículas de PlataSe colocó un vial de una solución amarillenta de AgNP coloidales (de 3 a 4 nm de diámetro) en un desecador sellado al vacío con cebollas. Se generaron compuestos orgánicos de azufre volátiles cuando las cebollas comenzaron a pudrirse. Estos compuestos de azufre volátiles se difundieron en la solución coloidal de AgNP y formaron complejos de plata y azufre estables, lo que provocó un cambio de color y un desplazamiento hacia el rojo en la banda SPR, medido mediante espectroscopía UV-vis. Durante un período experimental de 10 días, el color amarillo cambió gradualmente a naranja, rosa y finalmente a incoloro dependiendo de la concentración del azufre volátil.
Sachdev y col. (2020)
Nanotubos de CarbonoLos nanotubos de carbono tienen comportamientos similares a las nanopartículas metálicas gracias a la nube pi generada en su superficie.
En particular, debido a su buena conductividad eléctrica, alta relación de aspecto y los efectos cuánticos conectados a su estructura nanométrica, los CNT se han investigados como materiales sensibles.
El principio de funcionamiento de estos sensores se basa en cambios en su conductividad como resultado de la adsorción de moléculas específicas en su superficie. La interacción de los NTC con grupos funcionales, nanopartículas metálicas y polímeros conduce a la formación de sensores químicamente activos. Este tipo de sensores se ha aplicado para detectar pequeñas concentraciones de volátiles en el aire.
Nanotubos de CarbonoEl objetivo de este trabajo es desarrollar un Compuesto Polimérico Conductivo (CPC) de PLA para su aplicación como sensor de solventes volátiles utilizando cantidades suficientemente bajas de aditivos para evitar alterar las características ecológicas del material.
En particular, se utilizó 0,30% en peso de CNT y 0,25% en peso de DO3.
Ribba y col. (2019)
Nanotubos de Carbono
Amplitud de resistencia relativa
Ribba y col. (2019)
Nanotubos de Carbono
Ribba y col. (2019)
Ejemplos de empaques activos
Eliminadores de Oxigeno
Controladores de Humedad
Eliminadores de Etileno
Antimicrobianos
Antimicrobianos
Antimicrobianos
Auto-enfriamiento
Veamos algunos ejemplos….
Veamos algunos ejemplos….
• Que problemática quieren solucionar?
• Que principio usan?
• Que objeto nano?
• Como verifican que funcione? Que técnicas usan?
• A que conclusión llegan?
