FLANDERS' FOOD RADAR

Real-time detectie van moleculaire partikels

Bevat waswater van groenten en aardappelen nog sporen van pesticiden? Is de kwaliteit van de rauwe melk geschikt voor het maken van lang houdbare zuivelproducten? Het antwoord vinden op deze vragen kan vandaag de dag enkel via complexe, dure en tijdrovende labo analyses. MIP sensoren, een nieuwe technologie in volle ontwikkeling, bied het potentieel om dit real -time én aan een lage kost te kunnen doen.

Een mogelijke oplossing voor een aantal uitdagingen op gebied van voedselveiligheid?

Op de dag van vandaag zijn er tal van uitdagingen waarmee voedingsbedrijven uit verschillende sectoren te maken krijgen. Op elk moment in het productieproces de kwaliteit kunnen garanderen is er één van. Er wordt dan ook gezocht naar technologieën die de kwaliteitscontrole sneller en effectiever laten verlopen. Visie-technologie wordt frequent ingezet om kwaliteitskenmerken zoals kleur, vorm, grootte… op te volgen. Toch kan deze technologie enkel op macroschaal uitgevoerd worden, terwijl moleculen op microschaal evenzeer een grote invloed kunnen hebben op kwaliteit. 

Zo kunnen micro-organismen ervoor zorgen dat de smaak of stabiliteit van een product beïnvloed wordt, maar is het ook mogelijk dat pesticiden op groenten achterblijven. Beiden vormen een probleem voor de voedselkwaliteit en -veiligheid, en daarom zorgen we ervoor dat deze elementen geëlimineerd worden vooraleer ze op het bord van de consument terecht komen. Om na te gaan of de technieken effectief zijn en daadwerkelijk de ongewenste elementen verwijderen, is er nood aan een detectiesysteem dat zowel kosteneffectief als snel is.

Een veelbelovende technologie hiervoor zijn Molecular Imprinted Polymer (MIP) gebaseerde sensoren. Aan de hand van deze techniek kan je het ongewenste moleculaire product in een medium zoals melk, waswater, appelsap, … detecteren. Deze technologie is zich meer en meer aan het ontwikkelen en vanuit dat perspectief besloot Flanders’ FOOD samen met UHasselt, UGent , ILVO en VEGEBE het potentieel voor toepassing in de voedingsindustrie meer in detail te onderzoeken. In twee haalbaarheidsstudies werden mogelijke toepassingen in enerzijds de zuivelsector (MiMIP) en anderzijds de groenten – en aardappelverwerkende sector (WaMIP) onder de loep genomen. In MiMIP werd nagegaan of MIP sensoren bepaalde precursoren van enzymen die de smaak en stabiliteit van melk op een negatieve manier beïnvloeden kunnen detecteren, en in WaMIP of deze sensoren in staat zijn pesticidenresiduen in waswater van aardappel- en groenteverwerkende bedrijven op te sporen.  De conclusie van beide projecten was dat dit effectief mogelijk is, maar dat er nog stappen gezet moeten worden om tot implementatie over te gaan.

Het principe achter Molecular Imprinted Polymer sensoren

Molecular Imprinted Polymer technologie is één van de technieken waarbij je in staat bent om eender welke molecule te detecteren. Maar hoe werkt deze techniek? Het principe dat hierachter schuilt, bestaat uit het vormen van een holte waarin enkel de molecule  past die je wilt detecteren (targetmolecule). Door de targetmolecule in een medium met verschillende monomeren en cross-linkers te brengen en vervolgens deze monomeren aan elkaar te laten koppelen, creëer je een soort ‘mal’ waar de targetmolecule perfect in past. Wanneer vervolgens de targetmolecule verwijderd wordt, zullen er afdrukken in het polymeer aanwezig zijn waarin enkel de molecule die je wil detecteren zal inpassen.

Figuur 1: a) monomeren worden toegevoegd aan de targetmolecule en binden specifiek hieraan. B) Vervolgens worden cross-linkers aan het medium toegevoegd, waardoor de monomeren worden vastgezet en je een geheel krijgt waar de targetmolecule perfect inpast. C) Je kan de targetmolecule wegwassen, waardoor een holte ontstaat die in bijvoorbeeld melk enkel met de targetmolecule kan binden. (aangepast van Malitesta et al., 2011)

Dit sleutel-in-het-slot principe heeft de voordelen dat het selectief werkt en het meerdere keren gebruikt kan worden. Zo kan je in jouw vloeibaar medium zoals waswater of melk specifiek op zoek gaan naar dat pesticide of smaakverpester dat je liever kwijt dan rijk bent.

Het klinkt dan wel allemaal veelbelovend, toch bevatten MIP sensoren limitaties waardoor ze nog niet optimaal geïmplementeerd kunnen worden in de industrie. Het maken van holtes waarin de targetmolecule kan binden is één ding, maar je moet deze binding ook kunnen vertalen naar een elektrisch signaal dat  omgezet moet worden naar de hoeveelheid van het targetmolecule. Daar wringt het schoentje op dit moment nog, aangezien het een moeilijke oefening is om de vertaalslag zo efficiënt mogelijk te maken. Impedantie kan momenteel beschouwd worden als één van de betere uitleestechnieken en zal op basis van elektrische weerstand de vertaalslag kunnen maken.

MIP technologie een oplossing in de zuivelindustrie?

In de zuivelindustrie is er een probleem dat mogelijks met MIP sensoren opgelost zou kunnen worden. Tijdens de opslag van koude rauwe melk krijgen micro-organismen de kans om zich te vermeerderen. Op zich zou dit geen ramp mogen zijn, aangezien deze kleine beestjes tijdens pasteurisatie afgedood worden. Toch bleek achteraf de kwaliteit niet optimaal. De reden hiervoor bleek de afbraak van het melkeiwit (caseïne). Door enzymen, geproduceerd door micro-organismen, wordt namelijk caseïne in kleine stukjes geknipt en wordt de stabiliteit en smaak van melk sterk beïnvloed. Tijdens het pasteurisatieproces werden de beestjes dan wel allemaal afgedood, maar de door hen geproduceerde hittebestendige enzymen waren nog steeds actief. Dit heeft een aantal negatieve gevolgen zoals een kortere houdbaarheid, smaakverandering….  Omwille van die redenen willen zuivelbedrijven vermijden dat dergelijke melk tot bij de klant komt. Vanuit die noodzaak is het project MiMIP ontstaan waarbij via een proof-of-concept de economische en technische haalbaarheid van de MIP technologie werd aangetoond.

Detecteren van pesticiden in waswater

Een ander actueel probleem waarmee de agrovoedingssector te maken krijgt, is waterschaarste. Om die reden zetten bedrijven volop in om het hergebruik van water binnen hun bedrijf te optimaliseren. Jaarlijks verbruikt de agrovoedingssector immers zo’n 49 miljoen m3 water. De aardappel- en groentenverwerkende industrie is één van de sectoren die water gebruikt om hun groenten te reinigen en alle pesticiden weg te wassen. Dit water mag hergebruikt worden als het voldoet aan de strenge regels die Europa oplegt. Zo mag er maar een maximale concentratie aan pesticide in het hergebruikte water aanwezig zijn. 

Natuurlijk gebruiken voedingsbedrijven allerhande technieken om dit water te reinigen, maar deze zijn natuurlijk niet 100% 'waterdicht'. Daarom hebben bedrijven nood aan detectiemechanismen om de afwezigheid van pesticiden te garanderen. Via MIP technologie bewees UHasselt-IMO-IMOMEC dat het zeker mogelijk is om specifieke pesticiden in waswater te detecteren. Op die manier kunnen ze op een efficiënte manier het water zuiveren en tijd besparen door de analyse niet uit te besteden aan een extern labo.

MIP sensoren een oplossing voor de toekomst?

Uit deze projecten is naar voren gekomen dat een MIP sensor potentieel ingezet kan worden om moleculen zoals pesticiden of precursoren van enzymen te gaan detecteren. Maar zo ver zijn we nog niet. Vooraleer de stap naar integratie gezet kan worden, dient deze technologie nog verder geoptimaliseerd en gevalideerd te worden om zo op termijn over te gaan naar implementatie. Hiervoor hebben we echter jullie input nodig! Als je graag meer informatie wil bekomen over mogelijke vervolgtrajecten, kan je Veerle De Graef of Lars Roba contacteren.

Referenties

  • Malitesta, C. et al. (2011). MIP sensors - the electrochemical approach. Analytical and bioanalytical chemistry. 402 (5), p1827-1846.
  • Dankaert, S. & Lenders, S. (2018). Waterverbruik en -beschikbaarheid in landbouw en agrovoeding. Departement Landbouw en Visserij, Brussel.

Uitvoerders Wamip en mimip

WaMIP - Economische/technische haalbaarheidsstudie voor het gebruik van MIP gebaseerde sensoren in de groenten en -aardappelverwerkende sector

  • UHASSELT - IMO-IMOMEC onder leiding van Prof. Ethirajan in nauwe samenwerking met Prof. Thoelen
  • UGent 
    • Laboratorium voor voedingsmicrobiologie en Biotechnologie (LFMB) van de Campus Kortrijk onder leiding van Prof. Sampers
    • Labo voor Fytofarmacie (LF) dat behoort tot de afdeling Gewasbescherming van de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen onder leiding van Prof. Spanoghe.
  • Vegebe onder leiding van Nele Cattoor en Romain Cools.

MIMIP - ECONOMISCHE/TECHNISCHE HAALBAARHEIDSSTUDIE OM SNEL EN EFFECTIEF, SPECIFIEKE PEPTIDEN TE METEN VIA MIP GEBASEERDE SENSOREN IN MELK

Nuttige links