Normerna för livsmedelssäkerhet och livsmedelskvalitet har aldrig varit högre i Tyskland och i hela Europeiska unionen. Detta gäller särskilt i mejeriindustrin. Men trots så höga krav, spår av orenheter, bekämpningsmedel och antibiotika kan hitta in i mjölk, med ibland allvarliga konsekvenser för konsumenternas hälsa. I det EU-finansierade projektet MOLOKO, Fraunhofer -forskare har samarbetat med partners för att utveckla en ny optoplasmonisk sensor utformad för att ge snabb, analys på plats av säkerhets- och kvalitetsparametrar för mjölk. Detta system för tidig varning kommer att ge industrin betydande besparingar i tid och pengar samt en drastisk minskning av bortkastad produkt, vilket hjälper till att förbättra prestanda längs hela leveranskedjan.

Livsmedelssäkerhet är en kritisk faktor i livsmedelsindustrin, inte minst inom mejerisektorn. Här, juverinfektioner kan leda till att skadliga organismer kommer in i mjölken, och kemiska ämnen som antibiotika eller bekämpningsmedel kan förorena produkten via foder eller till följd av otillräcklig kontroll av utrustning och lagringsanläggningar. För att förhindra att förfalskad mjölk kommer in i näringskedjan, kontroller utförs genom hela produktionsprocessen och leveranskedjan. Ändå är dessa standardtester dyra och tidskrävande. Prover tas från mjölktankfartyg som innehåller en blandning av produkt som samlats in från ett antal mjölkgårdar och analyseras sedan i laboratoriet. Om mjölken visar sig vara förorenad, hela lasten måste förstöras, med stora förluster för alla berörda jordbrukare och mejerier. Om det fanns ett test med vilket bönderna kunde kontrollera sin egen mjölk innan den hämtades av tankfartyget, sådant slöseri kan undvikas.

Kvalitetskontroll ger resultat på fem minuter

I projektet MOLOKO (Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of contaminants in milk), 12 partner från sju länder - inklusive ett mejeri - har tagit fram ett snabbt och billigt test för att identifiera kvalitetsfaktorer i mjölk. I ett test som varar i cirka fem minuter, en ny optoplasmonisk sensor analyserar produkten för totalt sex ämnen, därigenom tillhandahålla en kompletterande kontroll och ett system för tidig varning inom leveranskedjan, väl innan mjölken pumpas in i tankfartyget. Sensorn är funktionaliserad med receptorer för specifika antikroppar som fungerar som indikatorer på olika kvalitets- och säkerhetsparametrar för mjölk. Det gör att mjölkgårdar kan utföra automatiserade, kvantitativa analyser på plats.

Unik integrerad sensorarkitektur

Hela systemet består av ett återanvändbart mikrofluidchip, organiska ljusemitterande transistorer (OLET) eller dioder (OLED), en sensor som består av organiska fotodetektorer (OPD), ett nanostrukturerat plasmoniskt gitter och de specifika antikropparna. Den organiska fotodetektorn genomgår utveckling vid Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Elektronstråle och plasmateknik FEP, och mikrofluidchipet vid Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS. Den ÄLLE, under tiden, utvecklas av CNR-ISMN i Bologna, och det fotoniska gallret av företaget Plasmore Srl i Pavia, båda i Italien. Samordnare för projektet är CNR-ISMN.

"Det unika med vårt chip är att det kan återanvändas, "förklarar Andreas Morschhauser, forskare vid Fraunhofer ENAS. "Målmolekylerna avlägsnas från de immobiliserade antikropparna med en regenererande buffert. Detta innebär att antikropparna kan återanvändas för ytterligare tester." Faktiskt, den beräknade livslängden för chipet är 100 testcykler. I varje test, totalt sex parametrar relaterade till föroreningar och proteiner mäts. För det här syftet, Morschhauser och hans kollegor har utvecklat ett mikrofluidiskt system i form av ett automatiserat, miniatyriserad patron som är utbytbar. Förutom att ge information om mjölksäkerhet och kvalitet, de uppmätta parametrarna berättar också för bönderna om hälsan och konditionen för varje ko. Detta hjälper dem att upptäcka infektioner i ett tidigt skede och börja behandlingen omedelbart. Tidig behandling kan leda till en mer vettig administrering av antibiotika och därför till en minskning av deras användning.

Ett nanostrukturerat galler för ytplasmonresonans

Men hur fungerar testet? Dr Michael Törker, en forskare vid Fraunhofer FEP, förklarar:"Ljus från transistorn faller på ett galler belagt med antikroppar specifika för de olika ämnena som testas. När mjölk spolas över gallret, alla målmolekyler i mjölken binder sedan till antikropparna. Detta förändrar brytningsindexet i gallrets omedelbara närhet, vilket i sin tur ändrar hur detta ljus reflekteras. Det reflekterade ljuset registreras av fotodetektorn, som mäter minimala förändringar i brytningsindex. "Detta grundfenomen, som förekommer på särskilt strukturerade nanogratningar, är känd som ytplasmonresonans. Det ger snabba och mycket känsliga avläsningar.

Syftet är att använda denna biosensor på olika punkter i värdekedjan - både som en laboratorieenhet och direkt installerad i mejeriutrustning. Dessutom, det kommer också att vara lämpligt för att testa kvaliteten på andra vätskor än mjölk, som öl eller vatten. Den enda justering som krävs är en modifiering av de immobiliserade infångningsmolekylerna och den erforderliga reaktionsbufferten. Detta skulle bara innebära att fångstmolekylerna ersattes med sådana som var lämpliga modifierade för det aktuella syftet.