Un minuscule capteur de pH pourrait être un prédicteur de fraîcheur de nouvelle génération pour les aliments emballés

Oubliez cette date de péremption sur votre saumon ou votre yaourt. Un étudiant diplômé de la SMU (Southern Methodist University) a mis au point un capteur de pH miniature qui peut dire quand les aliments se sont avariés en temps réel.

Le capteur de pH flexible ne mesure que 2 millimètres de long et 10 millimètres de large, ce qui permet d’intégrer le capteur dans les méthodes d’emballage alimentaire actuelles, telles que l’emballage en plastique. Les industries utilisent généralement des compteurs beaucoup plus volumineux – environ 1 pouce de long sur 5 pouces de haut – pour mesurer les niveaux de pH, ils ne conviennent donc pas pour être inclus dans chaque emballage de nourriture pour surveiller sa fraîcheur en temps réel.

“Les capteurs de pH que nous avons développés fonctionnent comme un petit dispositif d’identification par radiofréquence sans fil, similaire à ce que vous trouvez à l’intérieur de votre étiquette de bagage après qu’il a été vérifié dans les aéroports ou à l’intérieur de vos identifiants SMU. Chaque fois qu’un emballage alimentaire avec notre appareil passe un point de contrôle , tels que les centres logistiques d’expédition, les ports, les portes ou les entrées des supermarchés, ils pourraient être scannés et les données pourraient être renvoyées à un serveur surveillant leurs niveaux de pH », a déclaré Khengdauliu Chawang, Ph.D. étudiant à la Lyle School of Engineering de SMU et créateur principal de l’appareil. “Une telle configuration permettrait une surveillance continue du pH et détecterait avec précision les limites de fraîcheur tout au long du trajet, des fermes aux maisons des consommateurs.”

Selon l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture, environ 1,3 milliard de tonnes métriques d’aliments produits dans le monde ne sont pas consommés chaque année. Près de 40 % de la nourriture, soit environ 130 milliards de repas, est gaspillée aux États-Unis, selon les estimations de Feeding America.

La création de l’appareil était personnelle pour Chawang, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique originaire du Nagaland, une région reculée de l’Inde où la population dépend fortement des cultures agricoles.

“Le gaspillage alimentaire au Nagaland signifie des enfants sous-alimentés et un travail de terrain supplémentaire pour les personnes âgées pour compenser la perte”, a déclaré Chawang. “La nécessité de prévenir le gaspillage alimentaire m’a motivé à penser à un appareil qui ne coûte pas cher ou qui ne demande pas beaucoup de main-d’œuvre à développer, qui est jetable et qui peut détecter les niveaux de fraîcheur.”

Non seulement le gaspillage alimentaire contribue à l’insécurité alimentaire et à la perte de profits des fabricants de produits alimentaires, mais le gaspillage alimentaire est également mauvais pour l’environnement. Le transport de tous ces aliments non consommés aux États-Unis émet à peu près la même quantité d’émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère que 42 centrales électriques au charbon, a rapporté l’US EPA en 2021.

Le concours Big Ideas de l’Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE) lors de la conférence IEEE Sensors 2022 a décerné à Chawang le meilleur argumentaire d’entreprise appartenant à des femmes pour son invention, qu’elle a construite avec le soutien de J.-C. Chiao, titulaire de la chaire du centenaire Mary et Richard Templeton et professeur au département de génie électrique et informatique de la Lyle School.

Comment ça fonctionne

Le niveau de fraîcheur des aliments est directement corrélé aux niveaux de pH, a expliqué Chawang. Par exemple, les aliments dont le pH est supérieur à la plage normale indiquent des aliments avariés, car les champignons et les bactéries se développent dans des environnements à pH élevé. Ainsi, des changements soudains de pH dans le stockage des aliments pendant la production et l’expédition peuvent indiquer une éventuelle détérioration des aliments.

Le niveau de pH est mesuré par la concentration d’ions hydrogène présents dans une substance ou une solution.

Parce que les ions hydrogène sont des molécules chargées électriquement, les électrodes du capteur de pH de Chawang peuvent détecter la charge électrique générée par la concentration d’ions hydrogène à l’intérieur des aliments, convertissant le niveau en valeurs de pH en utilisant ce que l’on appelle l’équation de Nernst.

Le capteur de pH a été testé avec succès sur des aliments comme le poisson, les fruits, le lait et le miel, a déclaré Chawang. D’autres tests sont en cours.

Le capteur est fabriqué avec une très petite quantité de matériaux biocompatibles et utilise des technologies d’impression sur des films souples.

“L’ensemble du processus est similaire à l’impression de journaux. Le traitement ne nécessite pas d’équipement coûteux ni d’environnement de salle blanche à semi-conducteurs”, a déclaré le professeur Chiao. “Ainsi, les coûts sont faibles et rendent le capteur jetable.”

Chiao et l’étudiant diplômé Chawang étudient si le dispositif à électrodes qu’ils ont développé pour surveiller les aliments pourrait également être utilisé pour assurer une fermentation fiable du fromage et du vin. En outre, la même technologie pourrait avoir des applications potentielles dans la détection des signes avant-coureurs de septicémie ou d’infection des plaies lorsqu’elles sont utilisées sur la peau, a déclaré Chawang.

Chiao, qui a rejoint la faculté SMU en 2018, est largement reconnu pour ses recherches sur l’utilisation des ondes électromagnétiques dans des applications médicales, notamment les systèmes de gestion de la douleur en boucle fermée et la gestion de la motilité gastrique.