BIOSENSORES PARA LA INGENIERÍA ALIMENTARIA SOSTENIBLE: DESAFÍOS Y PERSPECTIVAS

BIOSENSORES PARA LA INGENIERÍA ALIMENTARIA SOSTENIBLE: DESAFÍOS Y PERSPECTIVAS

Suresh Neethirajan  ,Vasanth Ragavan, Xuan Weng y Rohit Chand

Resumen:

La producción actual de alimentos enfrenta desafíos tremendos por el crecimiento de la población humana, el mantenimiento de recursos limpios y las cualidades de los alimentos y la protección del clima y el medio ambiente. La sostenibilidad alimentaria es principalmente un esfuerzo cooperativo que resulta en el desarrollo de tecnología apoyada por gobiernos y empresas. Se han promovido múltiples intentos para enfrentar los desafíos y mejorar los impulsores en la producción de alimentos. Los biosensores y las tecnologías de biosensores con sus aplicaciones se están aplicando ampliamente para enfrentar los principales desafíos en la producción de alimentos y su sostenibilidad. En consecuencia, existe una creciente demanda de tecnologías de biosensores en la sostenibilidad alimentaria. La microfluídica representa un sistema tecnológico que integra múltiples tecnologías. Se piensa que los nanomateriales, con su tecnología en biosensores, son la herramienta más prometedora para tratar la salud, la energía, y cuestiones ambientales estrechamente relacionadas con las poblaciones mundiales. Las tecnologías de demanda de puntos de atención (POC) en esta área se centran en instrumentos analíticos rápidos, simples, precisos, portátiles y de bajo costo. Esta revisión proporciona puntos de vista actuales de la literatura sobre biosensores en la producción de alimentos, procesamiento de alimentos, seguridad y protección, empaque y cadena de suministro de alimentos, procesamiento de desperdicios de alimentos, garantía de calidad de los alimentos e ingeniería de alimentos. Se resumen la comprensión actual del progreso, la solución y los desafíos futuros, así como la comercialización de biosensores. Esta revisión proporciona puntos de vista actuales de la literatura sobre biosensores en la producción de alimentos, procesamiento de alimentos, seguridad y protección, empaque y cadena de suministro de alimentos, procesamiento de desperdicios de alimentos, garantía de calidad de los alimentos e ingeniería de alimentos. Se resumen la comprensión actual del progreso, la solución y los desafíos futuros, así como la comercialización de biosensores. Esta revisión proporciona puntos de vista actuales de la literatura sobre biosensores en la producción de alimentos, procesamiento de alimentos, seguridad y protección, empaque y cadena de suministro de alimentos, procesamiento de desperdicios de alimentos, garantía de calidad de los alimentos e ingeniería de alimentos. Se resumen la comprensión actual del progreso, la solución y los desafíos futuros, así como la comercialización de biosensores.

Palabras clave:

 biosensores; la producción de alimentos; sustentabilidad punto de atención; envasado de alimentos; cadena de suministro; evaluación de la calidad; Ingeniería de Alimentos

1. Introducción

Los alimentos con su industria de producción son esenciales para nuestra supervivencia y nuestras vidas; y su sostenibilidad es significativa en el continuo crecimiento humano en la tierra. La producción actual de alimentos se enfrenta a tremendos desafíos por el crecimiento de la población humana, el mantenimiento de recursos limpios y las cualidades de los alimentos, y la protección del clima y el medio ambiente [ 1 ]. Algunos de estos desafíos provienen de la propia producción de alimentos; y otras derivan de otras industrias relacionadas con la producción de alimentos. Por ejemplo, los retiros de alimentos causan un daño significativo a la credibilidad y reputación de las marcas de alimentos, con un promedio de $ 15 millones por incidente en los últimos años [ 2 ]. Las enfermedades transmitidas por los alimentos causan 48 millones de casos de enfermedades responsables de 3000 muertes al año.

La seguridad alimentaria es principalmente un esfuerzo cooperativo que resulta en el desarrollo de tecnología tanto de gobiernos como de empresas. La tecnología de la información, como la tecnología blockchain, acelerará la comunicación entre la calidad de los alimentos, los medios de comunicación y los consumidores para plantear nuevos desafíos en materia de seguridad alimentaria. Los principales desafíos en la sostenibilidad de la producción de alimentos se pueden resumir en cinco desafíos: el desafío de la producción sobre la seguridad y la seguridad alimentaria; reto de calidad en diversidad y cualidades alimentarias; desafío económico en el sistema alimentario que rige, incluidos su empaquetado y cadena de suministro; desafío ambiental que incluye el procesamiento de residuos de alimentos y el desafío de la ingeniería en la creación y generación de nuevos alimentos [ 3 , 4 ].

La producción global de alimentos puede ser impulsada por varios factores. La infraestructura económica, como la tecnología de la información, la electricidad, el riego y el transporte, es un requisito previo para el desarrollo agrícola [ 5 ]. Los sistemas de tenencia de la tierra garantizan el uso de la tierra y determinan las características económicas de la agricultura. Los servicios financieros y los entornos macroeconómicos impulsan la producción de alimentos en su movilización de recursos para sostener la agroindustria. Además, las innovaciones técnicas, como adoptar nuevas tecnologías e invertir en investigación y desarrollo, impulsan el crecimiento de la producción de alimentos y su agilidad económica.

Se han promovido múltiples intentos para enfrentar los desafíos y mejorar los impulsores en la producción de alimentos. Por ejemplo, los estudios de nexus han descubierto las fugas cercanas entre los alimentos, el agua y la energía para revelar sus relaciones y descubrir soluciones [ 6 ]. A nivel mundial, se ha encontrado que la producción de alimentos representa el 70% de las extracciones de agua y el 90% del consumo de agua, el 8% del transporte de agua y el tratamiento de aguas residuales, y el 30% del uso de energía. Además, la minería de datos (DM), o el descubrimiento de conocimientos en bases de datos (KDD), se ha encontrado útil para identificar las relaciones entre la producción de alimentos, la seguridad alimentaria, el bienestar animal, los problemas ambientales y el cambio climático [ 7 ].

Esta revisión se centra en los biosensores y las tecnologías de biosensores con sus aplicaciones para enfrentar los cinco principales desafíos en la industria de la producción de alimentos y su sostenibilidad.

2. Tecnologías de biosensibilidad y sostenibilidad alimentaria.

Un biosensor es básicamente un dispositivo analítico utilizado para cuantificar la molécula de interés (objetivo) en una muestra. En general, comprende un elemento de bio-reconocimiento (aptámero, anticuerpo, enzima, etc.) que es específico hacia el objetivo. Los eventos de reconocimiento molecular entre el elemento de reconocimiento y el compuesto objetivo producen una señal fisicoquímica o biológica, que el transductor convierte en una cantidad medible. Las señales se muestran en forma óptica (colorimétrica, fluorescencia, quimioluminiscencia y resonancia de plasmón de superficie) o eléctrica (voltametría, impedancia y capacitancia) o cualquier otro formato preferido ( Figura 1 ). La clasificación de los sensores se discute detalladamente en otra parte [ 8 , 9 ].

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Figura 1. Clasificación de biosensores basados ​​en transductores y elementos de bio-reconocimiento utilizados en el análisis de alimentos [ 10 ].

Existe una creciente demanda de tecnologías de biosensado en la sostenibilidad alimentaria, que cubra los cinco principales desafíos, como se mencionó anteriormente. Uno de los desafíos son las nuevas fuentes de energía, ya que la dependencia actual de los combustibles fósiles ha limitado su disponibilidad, con posibles consecuencias de contaminación [ 11 ]. Para enfrentar el desafío energético, los sistemas bioelectroquímicos (BES) están surgiendo en el descubrimiento de fuentes de electricidad sostenibles, la producción química, la recuperación de recursos y la remediación de desechos [ 12]. Estos sistemas únicos se pueden convertir en ambas direcciones entre la energía química y la energía eléctrica utilizando microbios como catalizadores derivados de desechos orgánicos, como la biomasa lignocelulósica y las aguas residuales de baja resistencia. Los sistemas pueden diseñarse para producir energía eléctrica que se puede usar para producir hidrógeno, cáustico y peróxido; para recuperar metales y nutrientes; o para eliminar compuestos recalcitrantes. Se han introducido nuevos conceptos y diseños innovadores en estos sistemas para nuevos separadores, electrodos y catalizadores ( Figura 2 ).

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Figura 2. Descripción esquemática de varios tipos de sistemas bioelectroquímicos (BES) [ 11 ].

La degradación global de la tierra es uno de los mayores desafíos en la producción de alimentos debido a la rápida urbanización, la industrialización, la contaminación y el uso insostenible de la tierra. En las últimas décadas, la degradación de la tierra está muy extendida a 12.200 millones de hectáreas a nivel mundial, lo que afecta a 1.500 millones de poblaciones [ 13 ]. Por otro lado, la biorremediación como una tecnología prometedora en la restauración de tierras degradadas y contaminadas tiene sus limitaciones de campo potenciales. De manera alentadora, los nuevos avances en biotecnología crean nuevas direcciones en la restauración sostenible de la tierra, como el uso de enzimas con alta especificidad, la producción de consorcios microbianos y la aplicación de plantas con socios microbianos [ 14]. Las principales preocupaciones son que la restauración de la tierra debe ser contaminante y específica del sitio para que se ajuste al suelo y sus condiciones sociales de las áreas relacionadas; y que las actividades de restauración deben estar correlacionadas con beneficios adicionales, como bioproductos industriales, biocombustibles y productos de biomasa, y secuestro de carbono en el suelo ( Figura 3 ).

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