Biosensores en la industria alimentaria

Durante la última década, recientes avances en el campo de la biotecnología y la microelectrónica han impulsado la tecnología de los biosensores. Estas herramientas de monitorización y control, llamadas a revolucionar la biotecnología analítica, proporcionan información en tiempo real sobre parámetros clave en procesos de muy distintas áreas (agricultura, medicina, medio ambiente, etc.). En el ámbito de la industria alimentaria existe un gran número de aplicaciones de estos dispositivos. Entre ellas, cabe destacar la determinación de parámetros bioquímicos, microorganismos, toxinas, sustancias potencialmente peligrosas en alimentos así como parámetros de frescura. Ante este contexto, es de esperar que un futuro próximo se realicen grandes avances en la investigación y desarrollo de biosensores adaptados a las necesidades que presenta la industria alimentaria.

En el ámbito de la industria alimentaria factores tales como la legislación reciente sobre seguridad alimentaria unido al énfasis en los nuevos sistemas de aseguramiento de la calidad y a la protección del medio ambiente han desencadenado un crecimiento de la demanda de sistemas de monitorización y control de materias primas, procesos y productos finales que permitan obtener una respuesta rápida y fiable. En este sentido los sensores son dispositivos de pueden realizar medidas tanto de variables físicas como químicas. Podemos definir un biosensor como un instrumento o dispositivo analítico compacto que contiene un elemento de detección biológico o derivado biológicamente, (ej. enzimas, anticuerpos, microorganismos o DNA) acoplado a un transductor fisico-químico (ej. electroquimico, óptico, térmico, piezoeléctrico) que convierte la señal biológica en una señal electrónica. La interación del material biológico sensible con la muestra produce un cambio en uno o más parámetros fisicoquímicos (un cambio de pH, de oxígeno disuelto, etc.). Este cambio generalmente es proporcional a la concentración del compuesto o grupo de compuestos que se quiere determinar. Esta señal fisicoquímica es transducida en una señal eléctrica que puede ser amplificada y procesada en la forma adecuada (figura 1). El primer biosensor descrito fue desarrollado por Clark y Lyon en 1962, se trataba de un sensor enzimático que determinaba la concentración de glucosa en sangre. Cabe destacar que hasta la fecha la fuerza impulsora de la investigación en biosensores ha sido su aplicación al diagnóstico medico, en este campo se han realizados grandes avances que pueden ser transferidos al desarrollo de biosensores específicos a los requerimientos de la industria alimentaria. Las principales necesidades que presentan esta industria se pueden agrupar en disponer de aparatos compactos, portátiles capaces de realizar medidas en línea, controlar los procesos de producción y detectar un amplio rango de parámetros bioquímicos. Los biosensores presentan un gran potencial en la industria alimentaria porque pueden proporcionar información que no ofrecen las técnicas analíticas convencionales, suponen una alternativa que ofrece especificidad en la respuesta, simplicidad y rapidez. Componentes de un biosensor Una de las partes integrantes de estos dispositivos es el biocomponente o bioreceptor el cual proporciona la selectividad y la especificidad del biosensor. Su función engloba la detección de moléculas específicas o de reacciones químicas. Como bien se ha indicado se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores, organulos, ácidos nucleicos o células de origen microbiano,

animal o vegetal con tal fin. Otro elemento del biosensor es el transductor fisico-químico a emplear que debe ser capaz de convertir una reacción biológica especifica en una señal detectable. El tipo de transductor a emplear varia en función del tipo de biocomponente, por ejemplo la actividad de una enzima puede ser monitorizada mediante un cambio de pH, la producción de oxigeno ó peróxido de hidrogeno, así como un cambio en la conductividad o en la temperatura. Igualmente cuando se emplea un anticuerpo su actividad se puede monitorizar mediante electrodos o técnicas inmunoenzimáticas. En contraste los electrodos de 02 y CO2 se utilizan con células microbianas o con tejidos animales ó vegetales. El campo de los transductores es multidisciplinar, engloba áreas tales como la electroquímica, óptica, bioquímica, ingeniería electrónica junto con otras ciencias. Los transductores más empleados en el desarrollo de los biosensores son los amperométricos, potenciométricos y ópticos (tabla 1).En función del biocomponente empleado y el transductor existen diferentes tipos de biosensores. Aplicaciones en la industria alimentaria Las aplicaciones de los biosensores en el ámbito agroalimentario han sido enfocadas principalmente al control de calidad de los productos y al control de procesos. En primer lugar, son muchos los autores que han descrito biosensores que determinan parámetros bioquímicos como carbohidratos (glucosa, fructosa, lactosa) y alcoholes (metanol, etanol) en zumos de frutas, vino, cerveza sidra, o bien en procesos fermentativos. Así mismo, el primer biosensor disponible comercialmente, el analizador de glucosa, fue comercializado por Yellow Spring Instruments (USA) en 1975. Existe un gran número de aplicaciones en la industria alimentaria, entre ellas cabe destacar la determinación de parámetros bioquímicos, microorganismos, toxinas, sustancias potencialmente peligrosas en alimentos, así como parámetros de frescura. En 1991 se desarrollo un biosensor que determinaba los ácidos grasos libres presentes en la mantequilla y responsables de causar malos olores en estos productos. Este biosensor estaba acoplado con un sistema automático de análisis por inyección de flujo que utilizaba un reactor de butirato kinasa inmovilizada. De esta forma se conseguía la detección de los ácidos butírico, propiónico, valérico con una precisión de 300 ppm a un ritmo de 15 muestras/h. Cabe señalar que otra de las principales aplicaciones de los biosensores en la industria alimentaria ha sido como herramienta de análisis para la detección de microorganismos patógenos y toxinas. Recientemente se han desarrollados múltiples biosensores en este campo, como ejemplo citar la detección Salmonella con una alta sensibilidad en pollos, así como biosensores que detectan Escherichia coli0157:H7 en productos cárnicos. Como se ha indicado anteriormente, las sustancias potencialmente peligrosas en alimentos, también ha sido de gran interés en el campo de los biosensores, entre ellas los residuos empleados para el aumento o mejora de la calidad en la producción agrícola, pesticidas organofosforados y carbamatos, así como ganadera (antibióticos y hormonas).Así mismo otra de las necesidades en el proceso industrial de los alimentos es controlar

parámetros como el sabor, aroma, composición y frescura de los alimentos. En este sentido se desarrollo un conjunto de biosensores amperométricos que determinaba la frescura de la carne. Este dispositivo utilizaba como indicador de la actividad microbiana la disminución de la glucosa cerca de la superficie de la carne.La determinación de parámetros de frescura en el pescado también ha sido tema de estudio para muchos autores que han desarrollado biosensores de nucleotidos (adenosin trifostato) y aminas (hipoxantina e inosina). Perspectivas de futuro En las últimas décadas se han realizado grandes progresos en la investigación y el desarrollo de biosensores, apoyados en los avances tecnológicos, especialmente la microelectrónica, la microfabricación, el desarrollo de nuevos materiales y la computerización. Sin embargo, su aplicación al campo de la industria alimentaria así como su comercialización a gran escala es un reto aún pendiente. La industria alimentaria presenta una serie de características entre ellas la diversa composición química de los alimentos así como los diversos procesos y variaciones físicas a las que son sometidos, todas estas características suponen un desafío a la hora de desarrollar biosensores.Debido al la multitud de campos que engloba el desarrollo de biosensores en la industria alimentaria, el éxito en su investigación y desarrollo implica la participación de equipos multidisciplinares formados entre otro por tecnólogos de alimentos, bioquímicos, físicos, ingenieros eléctricos, que unan esfuerzos para resolver los problemas técnicos que supone el desarrollo y la aplicación de los mismos.Finalmente, cabe esperar que en un futuro próximo se desarrollen biosensores que se adapten a las necesidades que presenta la industria alimentaria permitiendo la detección a tiempo real y sean económicos e inteligentes.

Clasificación de Biosensores

Como indica la siguiente tabla estos dispositivos pueden clasificarse en función de: el tipo de interacción que se establece entre el elemento de reconocimiento y el analito; el método utilizado para detectar dicha interacción; la naturaleza del elemento de reconocimiento; o del sistema de transducción.

TABLA 1. Criterios de clasificación de los biosensores

Tipo de interaccion Deteccion de la interaccion

· Biocatalítica. · Directa.· Bioafinidad. · Indirecta.

Elemento de reconocimiento Sistema de transducción

· Enzima. · Electroquímico.

· Orgánulo, tejido o célula completa. · Óptico.

· Receptor biológico. · Piezoeléctrico.

· Anticuerpo. · Termométrico.

· Ácidos nucleicos. · Nanomecánico.

· PIM, PNA, aptámero.

Existen múltiples elementos de reconocimiento y sistemas de transducción. Teóricamente estos componentes admiten diversas combinaciones. En la práctica, la elección del material biológico/biomimético depende de las características del compuesto a analizar. Por ejemplo, cuando se trata de detectar una sustancia alérgena se utilizan anticuerpos. La elección del transductor está condicionada por el tipo de elemento de reconocimiento elegido, ya que éste determina cuál será la variación en las propiedades físico-químicas que ocurra como consecuencia de la interacción.

Características de Biosensores

En las múltiples aplicaciones de los biosensores dentro de la industria agroalimentaria es deseable que estos dispositivos cuenten con las siguientes características:

· Alta sensibilidad para el análisis de ciertos analitos -como por ejemplo, muchos compuestos xenobióticos- con efectos tóxicos sobre la salud humana y animal incluso a concentraciones de partes por billón (mg/l). Existen unidades capaces de detectar cantidades inferiores a los límites exigidos por la ley en el caso de residuos de plaguicidas.

· Alta selectividad para que el dispositivo interaccione exclusivamente con el compuesto de interés y no con otros de propiedades similares. Se consigue mediante elementos de reconocimiento muy específicos. A pesar de ello, se conocen algunas excepciones de biosensores que sufren interferencias con sustancias de la misma familia que el analito o bien con componentes del alimento.

· Alta fiabilidad. Los sistemas de transducción se diseñan de manera que no puedan ser alterados (o lo sean mínimamente) por la muestra y no tengan problemas de ruidos.

· Tiempo de vida largo que no obligue al empleo del dispositivo tras un corto período desde su fabricación ni a sustituciones frecuentes del mismo si está integrado en la línea de producción de una industria. La estabilidad química, física y mecánica del elemento de reconocimiento condiciona su duración. Los componentes biológicos por su propia naturaleza cuentan con una vida media limitada pero las nuevas alternativas basadas en moléculas biomiméticas no presentan este inconveniente.

· Bajo coste de producción. En general, estos sistemas pueden fabricarse a escala industrial, lo cual redundaría en un más que considerable abaratamiento de los costes de producción. A pesar de ello, la disponibilidad limitada de algunas enzimas y la existencia de fases críticas en su construcción (procesos de inmovilización) dificultan, en algunos casos, la fabricación de biosensores en masa.

Principales áreas de aplicación de las tecnologías de biosensores dentro del campo agroalimentario

Seguridad alimentaria

Compuesto xenobióticos Composición del alimento

· Aditivos. · Azúcares.· Fármacos. · Aminoácidos.· Plaguicidas y fertilizantes. · Alcoholes.· Otros contaminantes (dioxinas, PCBs, · Ácidos orgánicos.HAPs, metales pesados) · Colesterol.Biotoxinas Vida útil· Toxinas bacterianas. · Polifenoles y ácidos grasos (enranciamiento).· Micotoxinas. · Azúcares y ácidos orgánicos (madurez).· Toxinas marinas. · Aminas biógenas (índice de frescura).

Microorganismos patógenos Compuestos aromáticos

· Virus. · Aliína (ajo y cebolla).· Bacterias.· Protozoos.

Control de procesos Otras aplicaciones

· Azúcares (fermentación y pasteurización). · OMGs.· Alcoholes (fermentación alcohólica). · Ciclo reproductivo animal.· Aminoácidos (fermentación).· Ácido láctico (elaboración de quesos).