Biosensores: aplicaciones y perspectivas en el control y calidad de procesos y productos alimenticios

Biosensors: implementation and outlook in the control and process quality and foodstuffs

Claudio JIMÉNEZ C.^1,*; Daniel E. LEÓN P. ²

¹ Grupo Diagnóstico de la contaminación-GDCON, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. Calle 62 # 52 -59, SIU, Torre 2, laboratorio 232. Medellín, Colombia
² Ingeniería de Alimentos, Facultad de Química Farmacéutica, Universidad de Antioquia. A.A. 1226. Medellín, Colombia

RESUMEN

La industria de alimentos, bebidas y afines requiere métodos analíticos para el aseguramiento de la calidad fisicoquímica, microbiológica, bromatológica, sensorial y la estabilidad de materias primas, procesos y productos terminados. Éstos métodos deben brindar datos en tiempo real, que permitan ejercer control y trazabilidad de cada uno de los procesos implicados y que garanticen seguridad e innocuidad de los productos alimenticios. Los métodos analíticos tradicionales implican determinaciones gravimétricas, volumétricas y colorimétricas con niveles de sensibilidad limitados para la determinación de trazas, y con poca especificidad. Aunque los métodos cromatográficos constituyen herramientas robustas, reproducibles y con capacidad de alcanzar niveles de detección del orden de partes por trillón, son costosos e implican tratamientos muy exhaustivos de la muestra. Los biosensores son dispositivos analíticos conformados por un elemento biológico de reconocimiento asociado a un mecanismo de detección e interpretación de la señal obtenida de la interacción entre el analito y el dispositivo analítico, constituyéndose en una herramienta para inspeccionar la calidad y los procesos con un panorama prometedor con respecto a los métodos tradicionales, en cuanto a especificidad, sencillez, respuesta clara y real en las áreas ambiental, clínica y de alimentos. La presente revisión comprende diez años del desarrollo de estos dispositivos y su aplicación a la investigación en alimentos y homólogos; contribuyendo con aplicaciones para el control de procesos automatizados y no automatizados, detección de micotoxinas, identificación de factores antinutricionales, residualidad de contaminantes orgánicos tradicionales y emergentes (pesticidas, antibióticos, hormonas, dioxinas, furanonas, entre otros), seguimiento y control microbiológico, presencia de organismos genéticamente modificados, alérgenos y composición nutricional, entre otros. El objetivo de este estudio es dar una visión general y actualizada de la aplicación de la tecnología de biosensores en el análisis de alimentos y su potencial dentro de los sistemas de seguridad alimentaria.

Palabras clave: biosensores, análisis de alimentos, calidad de alimentos, contaminación de alimentos, tiempo real

ABSTRACT

The food, drink and related industries require analytical methods to secure physico-chemical, microbiological, bromatological sensory quality and stability of raw materials, processes and products. These methods must offer real time data that allow to control and to monitor each process to safeguard the innocuity of the nutritional products. The traditional analytical methods have to deal with gravimetric, volumetric and colorimetric determinations with limited sensitivity levels for trace determination, and with little specificity. Although the chromatographic methods show highly reproducible results and the limit of detection is as low as parts per trillion, these methods are expensive and imply very exhaustive treatments of the sample. Biosensors are integrated devices consisting of a biological recognition element and a transducer capable of detecting the biological reaction and converting it into a signal which can be processed, becoming an important tool to check the quality and processes. The present approach shows promising advantages compared to traditional method. This paper presents a ten year development of these devices and their application to food investigation and similars; contributing with applications for the automated and not automated process control, mycotoxins detection, identification of antinutritional factors, residuality of traditional and emergent organic polluting agents (pesticides, antibiotics, hormones, dioxins, furanones, among others), monitor and microbiological control, presence of genetically modified organisms among others. The objective of this study is to review paper and updated information on the use of biosensors as a technology in food analysis and its advantages within the food security systems.

Keywords: biosensors, food analysis, food quality, food contamination, and real time.

INTRODUCCIÓN

Un biosensor es un dispositivo de análisis conformado por un elemento biológico de reconocimiento (célula, tejido, receptor, ácido nucleico, enzima, ribozima o anticuerpo, entre otros), ó nanomateriales (nanopartículas, nanocompuestos), materiales inteligentes ó compuestos biomiméticos (aptámeros, polímeros de microporosidad intrínseca, sondas de ácidos nucleicos), asociado a un mecanismo que garantiza la detección e interpretación de la variación de propiedades ópticas, fisicoquímicas, eléctricas, entre otras, obtenida de la interacción entre el analito y el dispositivo analítico (1). Cabe destacar que las características fisicoquímicas del analito de interés son las determinantes para la elección del material biológico/biomimético, mientras que el tipo de elemento de reconocimiento es el que determina el sistema transductor.

Los biosensores iniciaron su desarrollo y comercialización, fundamentalmente, alrededor de los años 60, orientados a aplicaciones clínicas y de impacto bioquímico. El primero desarrollado fue un sensor enzimático para determinar la concentración de glucosa en sangre a través de la reacción catalizada por la glucosa oxidasa; éste biosensor fue diseñado en 1962, acoplando la glucosa oxidasa a un electrodo selectivo de oxígeno (2,3). Posteriormente, las enzimas inmovilizadas se fortalecieron en el diagnóstico clínico permitiendo el desarrollo de biosensores para úrea (4), aunque el reconocimiento solo fue efectivo quince años más tarde cuando empezó a divulgarse en las diferentes publicaciones de carácter científico.

Entre las ventajas de los biosensores para el aseguramiento de la calidad fisicoquímica, microbiológica, composicional y la vida útil de los alimentos, se destacan: alta sensibilidad, selectividad y reproducibilidad, debido a que las mediciones de nutrientes, micronutrientes, contaminación por residuos, toxinas y productos metabólicos se encuentran en concentraciones a nivel de trazas; ampliación de la vida media del dispositivo utilizando materiales estables y resistentes; además son de fácil manejo, bajo costo y corto tiempo de análisis, lo que los hace versátiles en el control de procesos; eficientes, ya que disminuyen los tratamientos de las muestra; fáciles de operar y transportar, automatizables, incorporables en sistemas microscópicos, multianálisis, y quizá una de las ventajas más trascendentales para la industria de alimentos, permiten obtener resultados en tiempo real (5).

El impacto y la precisión analítica de los biosensores han conducido a un crecimiento vertiginoso de la investigación y desarrollo, generando más de 14.000 publicaciones hasta el año 2007, sin incluir patentes disponibles. A pesar de los grandes avances, es evidente su limitada consecución y comercialización debido quizá al comportamiento de la demanda, la legislación particular de los consumidores y el desconocimiento de la tecnología y sus bondades. En esta revisión se pretende mostrar algunas posibilidades y desarrollos de estos dispositivos dentro de los procesos de aseguramiento de la calidad fisicoquímica y microbiológica de los alimentos.

TIPOS DE BIOSENSORES

Se clasifican de acuerdo con la heterogeneidad de materiales, las variables de sus componentes estructurales, los mecanismos químicos, físicos ó fisiológicos de su funcionalidad, y también de acuerdo a los mecanismos de detección de la señal. Los biosensores se pueden clasificar atendiendo a las siguientes variables:

• Tipo de interacción: biocatalíticos o de bioafinidad.
• Método de detección: directo o indirecto.
• Elemento de reconocimiento: célula, organela, tejido, enzima, receptor, anticuerpo, ácido nucleico, polímero de impresión molecular(PIM), ácido nucléico peptídico (PNA) o aptómero (6).
• Sistema de transducción: nanomecánico, piezoeléctrico, electroquímico, termoeléctrico u óptico.

Sensores de interacción biocatalítica y sus principales sistemas de reconocimiento

Entre los elementos de reconocimiento típicos de este tipo de interacciones, se destacan las enzimas, son moléculas inmovilizadas de naturaleza proteica o ribozimíca, altamente específicas, eficientes y regulables, acoplables a trasductores de tipo calorimétrico, potenciométrico, amperométrico, piezoeléctrico u optoeléctrico (7); células completas o sometidas a procesos metabolómicos que permiten monitorear metabolitos primario o secundario, aunque no de forma muy específica y con limitaciones de permeabilidad (8); organelas encargadas de la producción energética e implicadas en el metabolismo de xenobióticos específicos, convirtiéndose en indicadores ambientales de contaminación por agentes como pesticidas y contaminantes industriales (9), y elementos de reconocimiento como tejidos para control de calidad mediante la determinación de productos de descomposición (10), entre otros.

Sensores de bioafinidad y sus principales sistemas de reconocimiento

Presentan una gran ventaja en cuanto a sus aplicaciones para la detección de residuos de pesticidas, agentes microbianos y alérgenos en alimentos. Se caracterizan por su capacidad para formar com-
plejos entre el analito de interés y el receptor, sin llevar a transformaciones químicas, pero generando excelentes mecanismos de respuesta, aunque con grandes exigencias analíticas para determinar su magnitud (11). Dichas interacciones generan respuestas que demandan sistemas de alta sensibilidad y precisión, cuantificándose a través del seguimiento cinético del proceso en presencia de inhibidores competitivos, marcaje isotópico, comportamiento óptico del proceso o variaciones gravimétricas. Entre los receptores de bioafinidad se destacan las lectinas, las cuales son proteínas de reconocimiento del glucocáliz, que exhiben efectos tóxicos para la salud (12), y polímeros de impresión molecular-MIPs, los cuales son moléculas de síntesis con propiedades biomiméticas sobre mecanismos de señalización celular asociados a mecanismos competitivos (13). A los anteriores sistemas se suman los anticuerpos, moléculas de naturaleza proteica selectiva, cuyo mecanismo se fundamenta en la reacción antígeno-anticuerpo, aplicable a la determinación de enterotoxinas (14); secuencias monocatenarias de ácido nucleico similares a las abzima, de alta afinidad e incorporables a cromatografía (15); proteínas periféricas e integrales que generan canales, activación enzimática, gradientes eléctricos que permiten el f lujo de moléculas y la intervención de mensajeros celulares, herramienta importante en la detección de residuos de antiobíoticos β-lactámicos en productos lácteos (16); sondas de ácidos nucleicos utilizadas en procesos de hibridación in-situ acoplados a transductores ópticos, gravimétricos o electroquímicos para la detección de organismos genéticamente modif icados en alimentos (17); células completas como esporas cuya viabilidad puede ser vulnerada ante metabolitos secundarios, xenobióticos o condiciones de proceso (18) y los ácidos nucleicos peptídicos-PNAs, los cuales son moléculas sintéticas, sin pentosa, sin grupo fosfato y en su reemplazo hay una molécula de N-2-aminoetilglicina, permitiendo mimetizar los ácidos nucleicos, de importancia en citogenética (19).

Sistema de transducción

La naturaleza de la interacción entre el elemento
de reconocimiento y el analito constituye el factor
determinante para la selección del sistema de transducción, sin el cual no es posible obtener, amplificar, registrar, sistematizar, almacenar e interpretar las señales producto de la interacción entre estos. Entre los sistemas de transducción más referenciados están los siguientes:

Transductores ópticos

Entre estos se destacan los sensores de fibra óptica u optodo, caracterizados por tener inmovilizado en sus extremos el elemento de reconocimiento y el elemento de detección, asi mismo la presencia de marcadores que permitan detectar cambios entre el analito y el elemento de reconocimiento y difundirlos a través de la fibra. Un caso particular lo constituye su uso para la determinación del tiempo de corte del coágulo de la leche en la fabricación de queso de cabra (20). Al igual que los transductores de fibra óptica, los de onda evanescente-EW requieren marcaje y se fundamentan en la ref lexión interna total de f luorescencia por la absorción y emisión de fotones. La concentración del analito de interés se relaciona con los cambios en las características de luz propagada a través de la guía de ondas, que ha podido usarse para sensibilizar la concentración de micotoxinas en cereales (21). Los interferómetros Mach-Zender fundamentados en los anteriores y en cuyo caso la concentración del analito depende del cambio del campo evanescente producido por la interacción entre el analito y el elemento de reconocimiento, han tenido poca aplicación en el sector agroalimentario. Los transductores de resonancia de plasmones superf iciales-SPR, en los cuales los electrones de conducción de un metal oscilan simultáneamente; los plasmones son oscilaciones colectivas de los electrones de conducción de un metal (oro o plata) ante la exposición a un haz de luz polarizada y la medición del ángulo de resonancia, el cual da información acerca de la concentración real del analito. Contrario a los interferómetros los SPR son de gran utilidad en investigación de productos y procesos alimentarios. Un caso particular lo constituye la investigación de pesticidas organofosforados en matrices líquidas con patrón inverso en el comportamiento de la longitud de onda SPR y la sensibilidad con respecto a la concentración del pesticida estudiado (22).

Transductores electroquímicos

Caracterizados por su capacidad de convertir la señal obtenida en una señal eléctrica, son utilizados en sistemas de reconocimiento biocatalíticos. Los biosensores mas comúnmente utilizados son los de tipo impedimétrico, conductimétrico, potenciométrico y amperométrico. Entre las aplicaciones mas recientes se destacan la utilización de los biosensores amperométricos para el monitoreo de la fermentación maloláctica, determinante de las características de acidez en vinos (23) y monitoreo de concentraciones de glucosa y etanol en procesos de fermentación (24); monitoreo mediante biosensores impedimétricos de concentraciones de α-solanina y α-chaconina, presentes en papa y tomate (25); detección de carbofuran y carbaril en aguas utilizando biosensores conductimétricos e inmovilización enzimática en sílica gel (26), y biosensores potenciométricos para la determinación de butiricolinesterasa, como sensor para glicósidos, organofosforados, carbamatos y metales pesados en papa (27).

Son producto de la combinación entre sistemas de transducción óptico y electroquímico. Son sensores químicos constituidos por un electrolito, un aislante y un semiconductor de silicio, sensibles a cambios de pH y multianálisis. Estos sistemas tienen gran aplicación en estudios de genotoxicidad (28) y recientemente se ha publicado una aplicación sobre un sensor artificial de olor y sabor (29).

Transductores nanomecánicos

Son de gran impacto y proyección en estudios de genotoxicidad. Constituidos por una microplaca de silicio donde se inmoviliza el elemento de reconocimiento biológico (anticuerpos): la determinación se efectúa por medio del cambio en la tensión superficial entre los dos componentes. Uno de los trabajos de mayor impacto en esta tecnología fue el desarrollado para la determinación del pesticida DDT a concentraciones inferiores a las nanomolares (30).

Trasductores piezoeléctricos

Conocidos también con el nombre de sistemas de transducción másicos, gravimétricos o acústicos, constituyen un material piezoeléctrico (cristales), caracterizado por entrar en resonancia ante la exposición a un campo electromagnético y soportar el elemento de reconocimiento (proteínas), son versátiles y su uso en el sector alimenticio ha permitido hacer seguimiento de propiedades reológicas como la textura mediante la detección de vibraciones por fractura de las muestras de interés (31). Su funcionamiento se rige por la detección de cambios másicos del complejo antígeno-anticuerpo, con frecuencias de oscilación de tipo: paquete de onda acústica-BAW, en los cuales la resonancia cubre toda la masa del cristal y de onda acústica de superficie-SAW, donde la resonancia solo ocupa la superficie del cristal (32).

Trasductores termométricos

De gran robustez en reacciones enzimáticas y proceso exotérmicos, en las cuales la transferencia de calor se puede relacionar con la concentración del analito de interés, ha permito determinar valores pk para sustancias a muy baja concentración (33)

USOS FRECUENTES DE LA TECNOLOGÍA DE BIOSENSORES EN LA CADENA PRODUCTIVA DE LOS ALIMENTOS

Composición, alérgenos y antinutrientes.

En las tablas 1 y 2 aparecen los constituyentes típicos de la composición de alimentos procesados y compuestos funcionales. Los nutrientes primarios, en general, constituyen el cuerpo del alimento; sin embargo, en algunos casos se hace necesario en la formulación incluir otro tipo de sustancias que ayuden a mejorar propiedades, que cumplan efecto fortificante o enriquecedor, o que fundamentalmente ayuden a mejorar la vida media del producto. Entre los aditivos mas utilizados se destacan los antioxidantes, los acidulantes, los secuestrantes, los agentes quelantes, los estabilizadores de espuma, los colorantes, los saborizantes, y los antimicrobianos, entre otros. La determinación de la composición de un alimento constituye un indicador de sus propiedades nutracéuticas o de su funcionalidad, convirtiéndose no solo en indicador de la calidad nutricional sino también en una herramienta para determinar adulteraciones y procesos de deterioro.

Evaluar la composición de un alimento, y en especial de aquellos de origen vegetal o animal, permite su nivel de frescura, ya que los macronutrientes, en general, inician procesos de transformación postcosecha, previo sacrificio, procesos de almacenamiento o cuando son sometidos a choques térmicos. Las exposiciones a la luz y las altas temperaturas propician procesos catalíticos que conducen a la generación de sustancias que imparten cambios en la textura, el color, el olor y el sabor. Un caso particular, y muy ilustrativo, es el de los olores originados en las frutas cuando hay sobremadurez, debido a la liberación de algunos ácidos grasos y niveles de azúcares que pueden llegar hasta el rechazo del producto por parte del consumidor.

En la composición de múltiples alimentos e insumos alimenticios no procesados, pueden encontrarse sustancias que inciden negativamente en la biodisponibilidad de muchos micronutrientes. Estas moléculas, denominadas factores antinutricionales, constituyen un blanco analítico de gran importancia en el análisis de alimentos, y en los diseñados para niños, las dietas hospitalarias y la atención gerontológica. Por el contrario, existen alimentos que poseen sustancias capaces de desencadenar reacciones alérgicas en personas hipersensibles, comprometiendo incluso la vida (Véase tabla 3). Garantizar la composición precisa y exacta de un alimento es una demanda de calidad de vida.

Tabla 1. Biosensores utilizados para determinar composición alimentaria.

Residualidad de pesticidas

Tabla 2. Biosensores utilizados para la determinación de componentes funcionales en alimentos.

Tabla 3. Ejemplo de biosensores utilizados para determinar alérgenos.

Tabla 4. Biosensores utilizados en la investigación de residualidad de pesticidas

Productos veterinarios

Dentro de los productos veterinarios de mayor impacto, están los antibióticos, utilizadas no solo con fines terapéuticos, sin que en algunos casos para promover el crecimiento y el peso de los animales. Su mayor utilidad se da en la industria avícola y en la bovina, aunque se extiende a la producción de carne, leche, y otros insumos para la industria de alimentos. Por su naturaleza química, compuestos como los antibióticos tienen la capacidad de acumularse en el músculo y depositarse en la leche, con las consiguientes implicaciones de resistencia a éstos y problemas de salud pública.

En la tabla 5 se muestran algunos ejemplos, en donde se puede apreciar que los biosensores de bioaf inidad, combinados con transductores ópticos, son de gran versatilidad y utilidad en este campo.

Tabla 5. Ejemplos de biosensores utilizados para determinar antibióticos.

Toxinas bacterianas y microorganismos

El aseguramiento de la calidad microbiológica de alimentos es un factor determinante dentro de los parámetros de seguridad alimentaria debido a las características de humedad y de nutrientes que poseen los alimentos y los piensos para animales, los cuales se convierten en el sitio ideal para el desarrollo y reproducción de bacterias, hongos, levaduras y protozoarios. Existen microorganismos con potencial patógeno directo, mientras que otros utilizan el alimento como nicho y generan toxinas para el sistema nervioso central de los humanos, con la capacidad de desencadenar un amplio número de intoxicaciones alimentarias.

Los biosensores utilizados para el análisis directo de microorganismos patógenos en alimentos son de tipo inmunológico con transductores ópticos, piezoeléctricos, impedancia o bioluminiscentes, a la vez que también se han construido biosensores que permiten hacer determinaciones indirectas de microorganismos mediante técnicas de marcaje isotópico y de fluorescencia (Véase tabla 6).

Un tópico de gran importancia en la tecnología de biosensores aplicada al control de calidad de alimentos, lo constituye su gran utilidad dentro del control de procesos en las diferentes líneas de producción en planta. Existen biosensores que permiten detectar en tiempo real, dentro de la cadena de producción, cambios en parámetros como el pH, la presión, la temperatura, la generación de sustancias volátiles, lasconcentraciones de oxígeno y dióxido de carbono, cinéticas y procesos de monitorización de procesos de márgenes de seguridad muy estrechos. Al lado de los sistemas de análisis de peligros y control de puntos críticos, los biosensores permiten tomar la decisión en el momento oportuno, trazando y monitoreando procesos.

Otras aplicaciones

La combinación de biosensores con secuencias de DNA y diferentes tipos de transductores, como los piezoeléctricos, constituye una potente herramienta para el análisis de organismos genéticamente modificados (64-65), los cuales tienen control riguroso en bloques económicos como la Unión Europea. Lo anterior se complementa con las técnicas de biología molecular, con lo cual se han obtenido grandes resultados en el análisis de virus y priones.

Tabla 6. Biosensores con aplicación en control microbiológico y toxicológico de alimentos.

CONCLUSIONES

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Recibido: Septiembre 3 de 2008.
Aceptado: Noviembre 4 de 2008.

* Autor a quien debe dirigir la correspondencia: cjimenez@farmacia.udea.edu.co