RUOLO DEI BIOSENSORI NEL CONTROLLO DI QUALITÀ DEGLI ALIMENTI

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Niccolina Pucci
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1 RUOLO DEI BIOSENSORI NEL CONTROLLO DI QUALITÀ DEGLI ALIMENTI Reparto Contaminanti Chimici CNQRA - ISS

2 CONTROLLO DEGLI ALIMENTI Fisiche ANALISI Chimiche Microbiologiche Informazioni sulle caratteristiche qualitative e nutrizionali, sulla sicurezza e sullo stato di conservazione di un alimento Cromatografia, Spettrofotometria, Elettroforesi, Titolazioni e altro Richiedeono tempi lunghi, trattamento dei campioni, e soprattutto non adatte al controllo in linea

conservazione di un alimento Cromatografia, Spettrofotometria, Elettroforesi, Titolazioni

3 I biosensori si presentano come una sintesi tecnologica di biologia, fisica e chimica, combinando così i vantaggi della specificità dei sistemi biologici con la risposta quantitativa e veloce degli strumenti elettronici. Definizione: un biosensore è un dispositivo analitico che utilizza un mediatore biologico sensibile per rilevare selettivamente e con alta sensibilità, analiti chimici o biologici, senza la necessità di un complesso pretrattamento del campione. Ciò viene solitamente ottenuto accoppiando il mediatore biologico sensibile ad un opportuno sistema di trasduzione, il quale converte la risposta biochimica in un segnale fisico quantificabile e processabile.

Definizione: un biosensore è un dispositivo analitico che utilizza un mediatore biologico sensibile per rilevare selettivamente e con alta sensibilità, analiti chimici

4 CAMPI DI APPLICAZIONE DEI BIOSENSORI AMBIENTALE BIOMEDICO BIOTECNOLOGICO FARMACEUTICO ALIMENTARE nutrienti, conservanti, coloranti, dolcificanti, contaminanti chimici e biologici, residui di farmaci veterinari e di fitofarmaci, monitoraggio di processi, controllo di qualità.

coloranti, dolcificanti, contaminanti chimici e biologici, residui

5 Biosensore Analita Microrganismi, Oligonucleoti, Metaboliti, Antigeni, Anticorpi, Proteine, Enzimi, Ioni, Gas Mediatore biologico sensibile Microrganismi Recettori Anticorpi Antigeni Enzimi Tessuti Oligonucleotidi Trasduttore Elettrochimico Ottico Calorimetrico Acustico Segnale Intesità di corrente Potenziale Conducibilità Assorbanza Temperatura Frequenza Piezoelettrico Frequenza di vibrazione

Tessuti Oligonucleotidi Trasduttore Elettrochimico Ottico Calorimetrico Acustico Segnale Intesità

6 Classificazione dei Biosensori In base al mediatore - biocatalitici o sensori enzimatici - chemorecettoriali o sensori a recettore - immunologici o immunosensori In base al trasduttore - biosensori elettrochimici - biosensori ottici o bio-optrodi; - biosensori calorimetrici o biotermistori; - biosensori acustici conduttometrici impedometrici potenziometrici amperometrici

- biosensori elettrochimici - biosensori ottici o bio-optrodi; - biosensori calorimetrici o

7 TRASDUTTORI E CAMPI DI APPLICAZIONE elettrodo ione selettivo (ISE) Glutammato, urea, aminoacidi, penicillina, DNA, RNA, glucosio, colesterolo, alcoli, amigdalina. elettrodo a O 2 elettrodo a H 2 O 2 Glucosio, solfito, glutammato, etanolo, ossalato, L-aminoacidi, saccarosio, lattato, colesterolo, aspartame, nucleotidi, galattosio, acido acetico, BOD. Solfito, glucosio, colesterolo, glutammato, nucleotidi, putrescina, cadaverina, istamina, L-aminoacidi, aspartame, lattato, glutamina, alcoli, ecc.

elettrodo a O 2 elettrodo a H 2 O 2 Glucosio, solfito, glutammato, etanolo, ossalato, L-aminoacidi, saccarosio, lattato,

8 TRASDUTTORI E CAMPI DI APPLICAZIONE sistemi ottici Acetaldeide, alanina, malato, lattato, nitrato, glucosio, glicerolo, etanolo, xilitolo, isocitrato, glutammato, sorbitolo, galattosio piezoelettrico calorimetrico ISFET Glucosio, atrazina, propazina, Salmonella, Escherichia coli, Candida, altri microrganismi e tossine microbiche Acido ascorbico, glucosio, lattato, trigliceridi, colesterolo, galattosio, etanolo, saccarosio, penicillina G, ossalato, lipidi, xantina e ipoxantina Glucosio, lattato, urea e diversi ioni

Salmonella, Escherichia coli, Candida, altri microrganismi e tossine microbiche Acido ascorbico, glucosio, lattato, trigliceridi,

9 Teoria e funzionamento Il biosensore utilizzato impiega un trasduttore potenziometrico non invasivo a diffusione gassosa per la determinazione del biossido di carbonio, mediante il quale viene misurata l'attività respiratoria di cellule microbiche, in presenza e in assenza di sostanze ad attività antimicrobica. Il sistema impiega cellule non immobilizzate. E = E + k log (yco 2 ))

viene misurata l'attività respiratoria di cellule microbiche, in presenza e in assenza di

10 TRASDUTTORE POTENZIOMETRICO (A) elettrodo indicatore (B) uscita gas trasportatore (C) ingresso gas trasportatore (D) elettrodo di riferimento (E) soluzione elettrolitica (F) sonda campionatrice

11 Sistema analitico Non invasivo Cellule non immobilizzate Gas di trasporto, CG; valvola elettromagnetica, EV; trasduttore elettrochimico, HyBS; celle di analisi, X; cella di riferimento, R; flussimetro, FM; multimetro, M; sistema di acquisizione ed elaborazione dati, PC.

elettrochimico, HyBS; celle di analisi, X; cella di riferimento, R;

12 Applicazioni del biosensore potenziometrico nel settore alimentare Matrici: latte, vino, birra, acque minerali, miele, bevande alcoliche e analcoliche, succhi di frutta Analiti primari: CO 2 -O 2 -NO 2 -HCl -H 2 O - NH 3 -SO 2 Analiti secondari: residui di farmaci antibatterici, metalli pesanti, VOC, VIC, composti aromatici, anidride solforosa, ammoniaca, nitrati e nitriti

primari: CO 2 -O 2 -NO 2 -HCl -H 2 O - NH 3 -SO 2 Analiti secondari: residui di farmaci

13 Esempi di Modalità Operative Sono state vagliate due diverse modalità operative: la prima basata sulla riduzione dell attività respiratoria delle cellule dopo incubazione con la sostanza inibente. la seconda basata sulla variazione della velocità di produzione di CO 2 da parte delle cellule, dovuta alla presenza dell inibente. Ε (mv) Ε (mv) flumechina (100 µg kg -1 ) E. coli Penicillina (4ppm) Penicillina (4ppm + Pasi) controllo (E. coli ) time (min) time (min)

la seconda basata sulla variazione della velocità di produzione di CO 2 da parte delle cellule, dovuta alla presenza dell

14 Percentuali di inibizione PENICILLINE Ampicillina -65 Penicillina G -67 Amoxicillina -69 Cloxacillina -69 AMINOGLICOSIDI Streptomicina -51 Neomicina -52 Gentamicina -54 Spectinomicina -49 MACROLIDI Eritromicina -55 Tilosina -59 Spiramicina -57 Tilmicosina -55 SULFAMIDICI Sulfadiazina -63 Sulfadimetossina -67 Sulfatiazolo -66 Sulfametazina -70 Microrganismo utilizzato: Bacillus stearothermophilus var. calidolactis

Eritromicina -55 Tilosina -59 Spiramicina -57 Tilmicosina -55 SULFAMIDICI Sulfadiazina -63

15 Percentuali di inibizione TETRACICLINE Microrganismo utilizzato: Escherichia coli CHINOLONI Tetraciclina -49 Ossitetraciclina -48 Clortetraciclina -53 Norflossacina -49 Ciproflossacina -68 Enroflossacina -59 Flumechina -78 Acido nalidixico -52 Marboflossacina -77 Danoflossacina -64

Clortetraciclina -53 Norflossacina -49 Ciproflossacina -68

16 PERCENTUALI DI INIBIZIONE Cadmio -33 METALLI PESANTI Mercurio -41 Piombo -36 Microrganismo utilizzato:saccharomyces cerevisiae

17 ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONI SUI CONTAMINANTI CHIMICI Metodi messi a punto: Metodo di screening per la determinazione di antibatterici nel latte Metodi di screening per la determinazione di metalli pesanti in matrici alimentari liquide Metodi in prova: Metodo di screening per la determinazione di antibiotici nel miele Metodo di post-screening per la determinazione di antibiotici nel latte

metalli pesanti in matrici alimentari liquide Metodi in prova: Metodo di screening per la

18 VANTAGGI E LIMITAZIONI Economico Breve tempo di analisi Buona precisione e sensibilità Ampio range di linearità Elevato rapporto s/r e s/d Piccola quantità di campione Nessun trattamento del campione Possibilità di seguire in continuo i processi Impiego di un elettrodo non invasivo Non richiede immobilizzazione dei microrganismi Possibilità di impiego in matrici solide Non soggetto a inibizione da accumulo di CO 2 La specificità dipendente dal microrganismo impiegato Il segnale elettrico può essere influenzato da variazioni di temperatura e pressione atmosferica Il rumore risente dell effetto dei campi elettrici La stabilità del segnale richiede la formazione di uno strato di ossido il raggiungimento e la stabilità della linea di base si ottengono in circa 30 minuti

a inibizione da accumulo di CO 2 La specificità dipendente dal microrganismo impiegato Il segnale elettrico può essere influenzato da variazioni di temperatura e pressione atmosferica Il rumore

19 Conclusioni La tecnologia dei sensori chimici e dei biosensori è in grado di soddisfare importanti requisiti necessari al monitoraggio di bioprocessi, grazie a sensibilità, selettività, velocità di risposta, compattezza e facilità d'uso dei sensori stessi. Tali caratteristiche peraltro, ben si prestano a soddisfare i nuovi criteri della normativa europea in tema di sicurezza alimentare che ha introdotto l autocontrollo mediante sistema HACCP durante tutte le fasi di produzione degli alimenti. Da qui la necessità di controlli in linea e monitoraggi durante i cicli di produzione mediante metodi semplici, rapidi, specifici e a basso costo come quelli basati sui biosensori.

Tali caratteristiche peraltro, ben si prestano a soddisfare i nuovi criteri della normativa europea in tema di sicurezza alimentare che ha introdotto l autocontrollo

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