Development of optical biosensors for monitoring the deterioration fresh foodstuff

Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias

A segurança alimentar é uma área investigação científica que envolve o controlo da contaminação e segurança sanitária de produtos alimentares desde a fase de produção até ao consumo, nomeadamente nas etapas de preparação, processamento, distribuição, armazenamento e exposição de um grande número de matrizes alimentares muito diferentes. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de biossensores óticos para a monitorização da deterioração de alimentos, que depende da deteção de compostos formados ao longo da deterioração ou por compostos adicionados aos alimentos de forma a atrasar esse processo. A deterioração é um processo complexo caracterizado por mudanças nos alimentos que os torna inaceitáveis para serem consumidos. As principais alterações que ocorrem nos alimentos são provocadas pelo desenvolvimento de microrganismos. Por vezes para evitar ou retardar o desenvolvimento de microrganismos são adicionadas substâncias proibidas, designadas de adulterantes. Um exemplo dessas substâncias é o peróxido de hidrogénio (H2O2). Na indústria alimentar, o H2O2 é usado para esterilizar instrumentos de mistura, transporte, embalagem e engarrafamento. Na indústria de laticínios é amplamente utilizado como agente antimicrobiano. Dois índices são usados como indicadores de qualidade e segurança, índice de qualidade (QI) e índice de aminas biogénicas (BAI). Ambos dando o conhecimento da concentração de aminas biogénicas (BAs). BAs são compostos nitrogenados de baixo peso molecular que podem ser encontrados em diversos produtos alimentares, geralmente usados como indicadores de deterioração de alimentos, uma vez que a sua presença é fortemente influenciada pelo crescimento de microrganismos durante o armazenamento e processamento de alimentos. Para a deteção de BAs, inicialmente foram realizados estudos sobre a sensibilidade do comprimento de onda da fibra ótica a diferentes índices de refração em diferentes configurações tais como interferómetros Mach-Zehnder baseados na combinação de redes de período longo em fibra revestidas com um filme fino de TiO2. Esta análise demostrou que as estruturas revestidas com TiO2 promovem um aumento sensibilidade em comprimento de onda. As redes de período longo em fibra revestidos com TiO2 foram recobertos com Poli(etileno-co-acetato de vinila) (PEVA) dopado com anidrido maleico (MA), que foram os transdutores óticos utilizados para medir a concentração de diversos BAs em solução aquosa. As redes de período longo em fibra sem revestimento, revestidos com TiO2 e com TiO2 revestidos com PEVA dopado com MA também foram caracterizados quanto à sua sensibilidade ao índice de refração. Para as BAs e para a faixa de concentrações estudada neste trabalho foi determinada uma variação linear do deslocamento em comprimento de onda com a concentração de BAs. A sensibilidade da deteção das BAs aumenta com o número de grupos amina nas moléculas. Para quantificação de H2O2 foi utilizada uma técnica baseada em quimioluminescência. Foi fabricada uma pequena membrana à base de hidroxietilcelulose contendo luminol e catalisador que em contato com o H2O2 reage e produz luminescência em concentrações tão baixas quanto 1,0x10-4% w/w em soluções aquosas. Esta metodologia foi utilizada para medir as concentrações de H2O2 em amostras de leite cru, leite desnatado, leite semidesnatado e leite integral. Este protótipo destina-se a ser utilizado na deteção de outras biomoléculas, adicionando outros módulos para o tratamento e armazenamento de amostras. De acordo com os resultados apresentados, podemos concluir que biossensores óticos desenvolvidos podem ser utilizados para a monitorização da deterioração de alimentos e deteção de compostos indicadores de adulteração, o que constitui uma estratégia inovadora e uma mais valia para aplicação na indústria e no geral no setor de produção de alimentos nas suas diversas vertentes.

Food safety is a scientific research area that involves the control of contamination and sanitary safety of food products from the production stage to consumption, namely in the stages of preparation, processing, distribution, storage, and exposure, of a large number of different food matrices. This work aimed to develop optical biosensors for monitoring food spoilage, which depends on the detection of compounds formed during spoilage or compounds added to food in order to delay this process. Spoilage is a complex process characterized by changes in foods that make them unacceptable for consumption. The main changes that occur in food are caused by the development of microorganisms. Sometimes, prohibited substances, called adulterants, are added to prevent or delay the development of microorganisms. An example of such substances is hydrogen peroxide (H2O2). In the food industry, H2O2 is used to sterilize mixing, transport, packaging and bottling instruments, and also as a bactericide. In the dairy industry it is widely used as an antimicrobial agent. Two indices are accepted as quality and safety indicators, quality index (QI) and biogenic amine index (BAI). Both requiring the knowledge of the biogenic amines (BAs) concentration. Biogenic amines are low molecular weight nitrogen compounds that can be found in various food products, generally used as indicators of food spoilage, since their presence is strongly influenced by the growth of microorganisms during storage and processing of food. For the detection of BAs, studies were initially carried out on the sensitivity of the optical fiber wavelength to different refraction indices in different configurations, such as Mach-Zehnder interferometers based on the combination of long period fiber gratings (LPFGs) before and after TiO2 thin film coating and compare their detection characteristics with LPFGs before and after the same type of coating. This analysis showed that TiO2-coated structures promote an increase in wavelength sensitivity. The TiO2 coated LPFGs were coated with Poly(ethylene-co-vinyl acetate) (PEVA) doped with maleic anhydride (MA), which were the optical transducers used to measure the concentration of various BAs in aqueous solution. The LPFGs, uncoated, coated with TiO2 and with TiO2 coated with PEVA, doped with MA were also characterized for their sensitivity to refractive index. For the BAs and for the range of concentrations studied in this work, a linear variation of the displacement of the wavelength of the LPFGs with the concentration of BAs was determined. The detection sensitivity of BAs increases with the number of amine groups in the molecules. For quantification of H2O2, a technique based on chemiluminescence was used. A small membrane was made, based on hydroxyethyl cellulose containing luminol and catalyst that, in contact with H2O2, reacts and produces luminescence at concentrations as low as 1.0x10-4%w/w in aqueous solutions. This methodology was used to measure H2O2 concentrations in samples of raw milk, skimmed milk, semi-skimmed milk and whole milk. This prototype is intended to be used in the detection of other biomolecules, adding other modules for the treatment and storage of samples. According to the results presented, it can conclude that optical biosensors developed can be used to monitor food spoilage and detect adulteration indicator compounds, which constitutes an innovative strategy and an added value for application in industry and in the sector in general of food production.

Bolsa de Doutoramento financiada pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia SFRH/BD/120064/2016