Development of printed sensors for food packaging integration

Dissertação de mestrado em Biofísica e BionanossistemasDiversos fatores podem influenciar o tempo de vida útil dos alimentos, promovendo, por exemplo, o crescimento de microrganismos, assim como alterações no sabor, na cor e na textura dos alimentos. A incorporação de sensores de monitorização de oxigénio e pH em embalagens alimentares permite que estas sejam classificadas como inteligentes. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho centrou-se no estudo e desenvolvimento de soluções de monitorização para aplicações na indústria alimentar, de forma a reduzir o desperdício alimentar e informar acerca do estado do produto durante todas as etapas do processo industrial até este chegar ao consumidor final. Para o desenvolvimento do biosensor de monitorização de oxigénio utilizaram-se diferentes materiais, nomeadamente quitosano, dióxido de titânio, corante azul metileno e glicerol. O biosensor de monitorização de pH teve igualmente como base o quitosano e o glicerol, sendo a antocianina, proveniente da casca de uva, o corante utilizado. Durante este trabalho, foram desenvolvidas tintas com estes materiais, no sentido de efetuar o desenvolvimento de sensores que possam ser impressos pela tecnologia de impressão screen printing, uma técnica de processamento que permitirá facilitar todo o posterior desenvolvimento a nível industrial. Após a impressão dos dois sensores, estudou-se a possibilidade de integrar os sensores desenvolvidos na embalagem através de In-mould labelling (IML). As formulações consideradas como mais promissoras para o desenvolvimento dos sensores de monitorização de oxigénio e pH, foram caraterizadas por diferentes técnicas: microscopia eletrónica de varrimento (SEM), espetroscopia de dispersão de energia de raios-X (EDS), microscopia eletrónica de transmissão (TEM) espetroscopia de absorção no infravermelho por transformada de Fourier usando a técnica de refletância total atenuada (ATR-FTIR), espectroscopia na região do ultravioleta/visível (UV/Vis), Dynamic Light Scattering (DLS), entre outras. Os desenvolvimentos efetuados revelaram-se promissores, uma vez que na sua maioria apresentaram as caraterísticas desejadas para a finalidade pretendida, nomeadamente ao nível de viscosidade da formulação que se apresentou ideal para a sua utilização em processos de screen printing, a resistência a temperaturas até aos 100ºC, a alteração de cor significativa de acordo com o parâmetro de monitorização, que permite uma ótima distinção por parte dos consumidores, e a ausência de alterações visíveis no funcionamento do sensor após o processo de In-mould labelling (IML), que se verificou possível graças à incorporação de um material de proteção, passível de remover após o processo de injeção. O sensor de monitorização de oxigénio impresso foi submetido a um processo de ativação que permite a alteração do tom azul escuro caraterístico para um tom azul claro, após 15 minutos no sistema de vácuo sob radiação UVB. Posteriormente, quando novamente em contato com o oxigénio, iniciou uma alteração de cor, verificando-se na totalidade o seu retorno à cor inicial (tom azul escuro) passados 135 minutos. O sensor de monitorização de pH impresso apresentou um tempo de resposta de aproximadamente 24 horas, depois de ser colocado na embalagem em contato com o produto em análise (manteiga). Este sensor apresenta um tom laranja quando a manteiga pode ser consumida e um tom rosa quando se encontra num estado “impróprio” para consumo.Several factors can influence the food shelf-life by promoting the growth of microorganisms, flavour changes as well as modifications on colours and food texture. Sensors integration for oxygen and pH monitoring in food packaging allow their classification as smart packages. On that sense, the main objective of this work was focussed on the study and development of monitoring solutions for applications in the food industry, to reduce food waste and to provide information about the state of the product throughout all the stages of the industrial process until it reaches the end user. For the development of the oxygen monitoring biosensor were used different materials, namely chitosan, titanium dioxide, methylene blue pigment and glycerol. The pH monitoring biosensor was also based on chitosan and glycerol, being the anthocyanin obtained from the peel of grapes the pigment used. During this work were developed inks based on these materials to perform the development of sensors, which can be printed by the screen printing technology, a technology that will facilitate all the developments at the industrial level. After printing both sensors, a study to integrate them into packages by In-mould labelling (IML) was carried out. The most promising formulations for the development of the oxygen and pH monitoring sensors were characterized by different techniques: scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy dispersion spectroscopy (EDS), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared absorption using the attenuated total reflectance (ATR-FTIR) technique, ultraviolet / visible (UV / Vis) spectroscopy, Dynamic Light Scattering (DLS), among others. The developments made were promising, as the most of them presented the desired characteristics for the intended purpose, namely the viscosity level of the formulation that was ideal for its use in screen printing processes, the resistance to temperatures up to 100 °C, a significant colour change according to the to the monitoring parameters, which allows an optimum distinction by the consumer, and an the absence of significant changes in the sensor after being subjected to the injection moulding process, which has become possible by the integration of the protective materials which can be removed after the injection process. The oxygen monitoring printed sensor was subjected to an activation process, which allows the change from its characteristic dark blue tone to a light blue tone, after 15 minutes in a vacuum system under UVB radiation. Subsequently, under the presence of oxygen, the reverse colour change started and a fully returning to its initial colour (dark blue tone) after 135 minutes was verified. The pH monitoring printed sensor presented a time response of approximately 24 hours, after being placed into the packaging in contact with the analysed product (butter). This sensor has an orange tint when butter can be consumed and a pink tint when it is in an “improper” state for consumption