La detección de contaminantes en los alimentos: cómo los (bio)sensores pueden mejorar la seguridad alimentaria.

La seguridad alimentaria se refiere a todos los peligros (por ejemplo, químicos, biológicos o físicos), ya sean crónicos o agudos, que pueden hacer que los alimentos sean potencialmente perjudiciales para la salud de los consumidores.

Las cadenas de producción de alimentos presentan múltiples posibilidades para que se produzca la contaminación de los alimentos. La producción, procesamiento, distribución y transporte de alimentos, así como su preparación, junto con la presión añadida de la globalización de los alimentos, contribuyen a más de 200 enfermedades y dolencias alimentarias distintas conocidas. El control riguroso de las cantidades de aditivos químicos en los alimentos y bebidas, las enfermedades alimentarias causadas por microorganismos y los productos químicos procedentes de alimentos o agua contaminados se han convertido en algo vital tanto para la industria alimentaria como para los consumidores. Este creciente interés ha promovido la urgencia de mejorar y aplicar sistemas de control de calidad analíticos de los alimentos en toda la cadena de producción de estos comestibles, no sólo al final del proceso, buscando sistemas con un rendimiento más robusto, rápido y fiable que se logran normalmente mediante la combinación de herramientas de tecnología de la información.
Un análisis rápido y exacto de los alimentos es esencial para detectar agentes que puedan causar riesgos graves para la salud, como patógenos, alérgenos, toxinas, pesticidas, aditivos químicos, residuos de antibióticos y metales pesados. Estos contaminantes biológicos y químicos pueden producirse en cualquier fase de la cadena de producción de alimentos y pueden estar asociados con varios factores clave, incluyendo cuestiones ambientales, como la presencia de contaminantes en el aire, el suelo y el agua; las características de las materias primas alimentarias, como la presencia natural de microorganismos o sustancias peligrosas, nocivas y tóxicas en las plantas y animales; o las tecnologías y los insumos utilizados en la producción, que pueden convertir las sustancias presentes en los alimentos en formas que presentan un potencial peligroso o transferir compuestos con ese potencial.

La mayoría de las veces, la contaminación se puede evitar o reducir adoptando prácticas agrícolas y de producción adecuadas. De hecho, el enfoque de las buenas prácticas de producción es minimizar este riesgo. Sin embargo, hay situaciones en las que la eliminación completa del contaminante es imposible, no factible o pequeñas cantidades de estos agentes pueden ser toleradas sin causar un daño considerable a la salud. En tales casos, se establecen límites máximos aceptables, que suelen variar según el tipo de alimento y la ingesta. Los límites deben basarse en principios analíticos y estar fundamentados en la protección de la salud humana. Los alimentos con niveles de contaminantes superiores a los recomendados en las regulaciones no pueden ser comercializados.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), reconocidas mundialmente por expertos y autoridades sanitarias extranjeras, han desarrollado evaluaciones de riesgos basadas en la ciencia para definir niveles seguros de exposición a contaminantes, que forman la base para el desarrollo de normas nacionales e internacionales de seguridad alimentaria para proteger la salud de los consumidores y garantizar prácticas comerciales justas aceptadas local e internacionalmente. Para ello, es vital adoptar métodos analíticos potentes con alta selectividad y sensibilidad para detectar contaminantes alimentarios con potencial para reducir los impactos adversos que la contaminación de los alimentos tiene sobre las personas.

Los métodos analíticos convencionales basados en técnicas como la cromatografía de gases (GC), la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), la espectrometría de masas (MS), el ensayo inmunoenzimático (ELISA), la espectroscopia Raman mejorada por superficie (SERS), la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-visible) o la espectroscopia de fluorescencia se han utilizado ampliamente para detectar contaminantes alimentarios. Sin embargo, estos métodos en general comparten varias limitaciones, como ser laboriosos, costosos, que requieren mucho tiempo, que requieren grandes volúmenes de muestra y que implican personal altamente capacitado. El costo adicional hace que estos métodos e instrumentos sean más adecuados en entornos académicos e industriales que en mediciones en campo.

Las técnicas cromatográficas se pueden utilizar como herramientas potentes para el análisis cuantitativo de contaminantes orgánicos de alimentos, como pesticidas, micotoxinas u otros compuestos de moléculas pequeñas que contaminan las fuentes de alimentos, dejando de lado bacterias, proteínas y otros contaminantes alimentarios más grandes. ELISA se considera el estándar de oro para la detección de moléculas pequeñas, proteínas y alimentos bacterianos, pero no puede detectar múltiples contaminantes al mismo tiempo. Además, el desarrollo de un nuevo ELISA y otros ensayos inmunológicos puede ser costoso y tardar meses debido al tiempo necesario para generar, sintetizar y purificar los antígenos y anticuerpos deseados para la detección específica.

Los múltiples contaminantes alimentarios se encuentran con frecuencia en una sola fuente de alimento, y a menudo se requiere un análisis quimiométrico adicional u otro procesamiento de datos para distinguir entre múltiples señales en objetivos o diferenciar el objetivo de una matriz. En este sentido, SERS es extremadamente útil para analizar patógenos y toxinas, pero a menudo requiere un análisis adicional, especialmente en matrices alimentarias complejas, donde los espectros pueden ser muy complicados, lo que lo hace menos deseable para aplicaciones del mundo real. La espectroscopia UV-visible es una técnica útil y efectiva para la detección de contaminantes alimentarios, pero puede fallar en términos de selectividad. De hecho, la presencia de una matriz alimentaria puede enmascarar el pico de absorción debido a otras moléculas pequeñas en solución que pueden absorber en la misma longitud de onda UV o visible o componentes de matriz más grandes que pueden dispersar de manera no específica la luz UV-visible.

Para superar las desventajas de las técnicas analíticas tradicionales relacionadas con el alto costo, la falta de portabilidad y ofrecer una evaluación en tiempo real a lo largo de la cadena de producción de alimentos, se consideran estrategias confiables la adopción de sensores y biosensores. Estos dispositivos pueden medir rápidamente la presencia de contaminantes tóxicos en los alimentos para que se puedan tomar medidas de remediación. De hecho, los sensores ofrecen una posible alternativa al permitir la detección de muestras de alimentos para cualquier contaminante potencial antes de que se complete el proceso de producción. Estos sistemas pueden ofrecer la posibilidad de monitoreo rápido en el lugar y en tiempo real. En la actualidad, se presentan sensores electroquímicos y biosensores como posibilidades para superar los desafíos de otras técnicas analíticas, principalmente cuando se integran con herramientas de tecnología de la información con el objetivo de mejorar el desempeño de los métodos. Los métodos analíticos que utilizan sensores electroquímicos han logrado una prominencia en el análisis de seguridad alimentaria como alternativa a técnicas más tradicionales como la cromatografía y la espectrometría de masas. Las ventajas más destacadas de los (bio)sensores electroquímicos son la sensibilidad, los bajos límites de detección, el gran rango dinámico, la selectividad, la linealidad, el tiempo de respuesta rápido, la no/necesidad de preparación de la muestra simplificada y la estabilidad.

De lo contrario, muchos autores consideran que los (bio)sensores electroquímicos no son ideales para el reconocimiento de seguridad alimentaria en el lugar en comparación con los sensores ópticos, principalmente porque las estrategias electroquímicas presentan mayor complejidad al requerir herramientas especiales para leer los resultados. A pesar de esta consideración, los (bio)sensores electroquímicos han demostrado un límite de detección más bajo (LoD) para la detección de varios contaminantes alimentarios que los sensores ópticos. Actualmente, hay una posible dirección para la integración de estrategias electroquímicas que involucran el uso de bioreceptores, nanopartículas metálicas, nanomateriales a base de carbono y/o estructuras orgánicas-metal (MOFs) con dispositivos electroquímicos de detección más simples, como dispositivos analíticos en papel. Por último, se deben abordar los desafíos sostenibles en el campo del análisis de seguridad alimentaria, como minimizar o eliminar la preparación de muestras y obtener alta exactitud y reproducibilidad del método para facilitar la transición de los (bio)sensores desarrollados desde el laboratorio hasta su comercialización. Los biosensores con anticuerpos o aptámeros como bioreceptores restringen los biosensores a una corta vida útil y una baja estabilidad. Buscando superar las limitaciones del uso de biosensores, los investigadores han estado buscando alternativas innovadoras, como el uso del aprendizaje automático (ML) para analizar e incluso predecir datos de detección. Dada la cantidad de datos grandes requeridos para las aplicaciones de ML, el desempeño analítico del sensor es de gran importancia, y sus diseños deben considerar medidas con repetibilidad y larga vida útil, aunque esto también depende del objetivo que se está analizando y del material funcional del sistema del sensor. En los (bio)sensores, la presencia de interferencias afecta el desempeño del sensor, y ML ayuda a eliminar señales obtenidas de los contaminantes para obtener alta sensibilidad.

Veamos algunos ejemplos:

1. Biosensor electroquímico basado en nanohilos de oro: Este tipo de biosensor se utiliza para detectar compuestos tóxicos en los alimentos. El nanohilo de oro se utiliza como electrodo y se recubre con una capa de enzima para detectar el compuesto objetivo.

2. Biosensor óptico basado en nanopartículas de plata: Este tipo de biosensor se utiliza para detectar patógenos en los alimentos. Las nanopartículas de plata se unen a las bacterias objetivo y producen un cambio de color que se puede medir con un espectrofotómetro.

3. Biosensor basado en aptámeros: Los aptámeros son oligonucleótidos de cadena sencilla que pueden unirse específicamente a moléculas objetivo. Este tipo de biosensor se utiliza para detectar compuestos tóxicos y pesticidas en los alimentos. Los aptámeros se utilizan como bioreceptores y se unen selectivamente al compuesto objetivo, lo que produce una señal medible.

En resumen, la seguridad alimentaria es crucial para proteger la salud de los consumidores y garantizar prácticas comerciales justas aceptadas local e internacionalmente. La producción y distribución de alimentos presenta múltiples posibilidades para que se produzca la contaminación de los alimentos. Es vital adoptar métodos analíticos potentes con alta selectividad y sensibilidad para detectar contaminantes alimentarios con potencial para reducir los impactos adversos que la contaminación de los alimentos tiene sobre las personas. Los biosensores ofrecen una posible alternativa al permitir la detección de muestras de alimentos para cualquier contaminante potencial antes de que se complete el proceso de producción, y se están desarrollando nuevos biosensores basados en tecnologías emergentes como la nanotecnología y el aprendizaje automático para mejorar la eficacia y la precisión de los métodos de análisis de seguridad alimentaria.

Adaptado de:

Capítulo 7: Electrochemical sensors coupled with machine learning for food safety and quality inspection.

Del libro: "Food Quality Analysis: Applications of Analytical Methods Coupled With Artificial Intelligence" de Shukla, Ashutosh Kumar, Academic Press, 2022