MITの技術者は、食品が腐敗しているか汚染されているかを消費者に知らせることができる、スマートなマジックテープ式ストリップを開発しました。
このストリップは、シルクの針と色が変わるインクを使い、食品またはその包装に刺し込んで、食べられるかどうかを確認します。
このセンサーは、食品が傷んでいるかどうかを消費者に知らせるだけでなく、賞味期限を過ぎた食品が食べても安全かどうかも伝えることができます。
MITの技術者は、シルクのマイクロニードルで構成されたマジックテープのような食品センサーを設計しました。このセンサーはプラスチック包装を突き破り、食品を採取して腐敗や細菌汚染の兆候を調べます。
このセンサーのマイクロニードルは、シルクの繭に含まれる食用タンパク質の溶液から成形されており、センサーの裏側に液体を引き込むように設計されています。裏側には特殊なインクが2種類印刷されています。「バイオインク」と呼ばれるそのうちの1つは、特定のpH範囲の液体に触れると色が変わり、食品が腐敗していることを示します。もう1つは、汚染細菌を感知すると色が変わるもので、病原性の大腸菌などの汚染細菌を感知すると色が変わります。
研究者らは、次の菌で汚染させた溶液を注入した生の魚の切り身に、このセンサーを取り付けました。汚染に用いた菌は大腸菌。1日も経たないうちに、細菌を感知するバイオインクが印刷された部分が青から赤に変わったことを確認しました。これは魚が汚染されていることの明確な兆候です。さらに数時間後、pHに反応するバイオインクも色が変わり、魚が腐敗していることを示しました。
この研究結果は本日、学術誌Advanced Functional Materialsに掲載されました。食品の腐敗や汚染の兆候を検出できる、新しい比色式センサーの開発に向けた第一歩となるものです。
このようなスマート食品センサーは、タマネギやモモで最近発生したサルモネラ菌汚染のような集団感染の防止に役立つ可能性があります。また、印刷された消費期限を過ぎているものの、実際にはまだ食べられる食品を消費者が廃棄することを防ぐこともできます。
「適切な表示が不足しているために廃棄されている食品は非常に多く、腐敗しているかどうかもわからないまま食品を捨てています」と、MITの土木環境工学科でPaul M. Cook Career Development助教授を務めるBenedetto Marelli氏は述べています。「集団感染の後にも多くの食品が廃棄されています。食品が実際に汚染されているかどうかわからないためです。このような技術があれば、利用者は安心して食品を廃棄せずに済むでしょう。」
Marelli氏の論文の共著者は、Doyoon Kim、Yunteng Cao、Dhanushkodi Mariappan、Michael S. Bono Jr.、A. John Hartです。
シルクと印刷
この新しい食品センサーは、シルクの特性を活用して新技術を開発するMarelli氏の研究室と、新しい製造工程を開発するHart氏のグループによる共同研究の成果です。
Hart氏は最近、高解像度のフレキソグラフィ技術を開発しました。これにより、低コストの印刷エレクトロニクスやセンサーを可能にする微細なパターンを実現しています。一方、Marelli氏は、植物に浸透して栄養分を届けるシルクベースのマイクロニードルスタンプを開発していました。研究者らは会話の中で、両者の技術を組み合わせれば、食品の安全性を監視する印刷式食品センサーを作れるのではないかと考えました。
「食品の健康状態を表面を測るだけで評価するのは、多くの場合十分ではありません。あるtime、Benedettoが、彼のグループによる植物向けのマイクロニードル研究について話してくれ、私たちの専門知識を組み合わせれば、より効果的なセンサーを作れると気づきました」とHart氏は振り返ります。
チームは、多くの種類の食品の表面を貫通できるセンサーの開発を目指しました。その結果考案された設計は、シルク製のマイクロニードルの配列で構成されています。
「シルクは完全に食用可能で無毒であり、食品原料として使用できます。さらに、肉、モモ、レタスなど、幅広い組織の種類を貫通できるほど機械的に丈夫です」とMarelli氏は述べています。
より深い検出
新しいセンサーを製造するため、Kim氏はまず、ガの繭から抽出されたタンパク質であるシルクフィブロインの溶液を作り、その溶液をシリコーン製のマイクロニードル型に流し込みました。乾燥後、できあがったマイクロニードルの配列を剥がしました。各ニードルの長さは約1.6ミリメートル、幅は600ミクロンで、スパゲッティの麺の直径の約3分の1に相当します。
次にチームは、2種類のバイオインク（色が変わる印刷可能なポリマーで、他の検知成分と混ぜることができるもの）の溶液を開発しました。今回、研究者らは、大腸菌大腸菌の分子に反応する抗体を1つのバイオインクに混ぜ込みました。抗体がその分子と接触すると形状が変化し、周囲のポリマーを物理的に押します。その結果、バイオインクが光を吸収する仕方が変わります。こうして、バイオインクは汚染細菌を感知すると色が変わることができます。
研究者らは、大腸菌に反応する抗体を含むバイオインクと、腐敗に関連するpH値に反応する第2のバイオインクを作製しました。細菌を感知するバイオインクを、マイクロニードル配列の表面に文字「E」の形で印刷し、その横にpHに反応するバイオインクを「C」の形で印刷しました。どちらの文字も、当初は青色で表示されていました。
次にKim氏は、毛細管現象によって液体を吸い上げる配列の能力を高めるため、各マイクロニードルに細孔を設けました。新しいセンサーを試験するため、地元の食料品店で生の魚の切り身を数枚購入し、それぞれに大腸菌、サルモネラ菌のいずれかを含む液体、または汚染物質を含まない液体を注入しました。各切り身にセンサーを刺し、その後、経過を待ちました。
約16時間後、チームは、「E」が青から赤に変わったのは、大腸菌に汚染された切り身だけであり、センサーが細菌の抗原を正確に検出したことを示しています。さらに数時間後には、すべての試料で「C」と「E」の両方が赤くなり、すべての切り身が腐敗していることを示しました。
研究者らはまた、新しいセンサーが、食品の表面にある病原体のみを検出する既存のセンサーよりも速く、汚染と腐敗を示すことも確認しました。
「食品には病原体が潜む多くの空洞や穴があり、表面センサーではそれらを検出できません」とKim氏は述べています。「そのため、検出の信頼性を高めるには、もう少し深く差し込む必要があります。この穿刺技術を使えば、食品の品質を確認するために包装を開ける必要もありません。」
チームは、マイクロニードルによる液体の吸収と、バイオインクによる汚染物質の検知を高速化する方法を模索しています。設計が最適化されれば、このセンサーはサプライチェーンの様々な段階で使用できると考えています。加工工場の作業員は出荷前に製品を監視するためにセンサーを使用でき、消費者は、特定の食品が安全に食べられるかを確かめるために、センサーを使うことを選ぶかもしれません。
本研究は、一部、MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab（J-WAFS）、米国国立科学財団、米国海軍研究局の支援を受けて実施されました。
