S.M.A.R.T 360

Finanziato dall'Unione Europea - NextGenerationEU a valere sul Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) – Missione 4 Istruzione e ricerca – Componente 2 Dalla ricerca all’impresa - Investimento 1.1, Avviso Prin 2022 indetto con DD N. 104 del 2/2/2022, dal titolo "360°shelf-life: application of green, smart sensors to visual monitoring food quality and reduce food waste-S.M.A.R.T 360", codice proposta 2022XSFEY4 - CUP J53D23010550006.

Il progetto mira allo sviluppo di sensori intelligenti ed ecocompatibili per il monitoraggio visivo della qualità degli alimenti, con l’obiettivo di ridurre gli sprechi, in particolare nei prodotti altamente deperibili.

Saranno progettati e testati array di sensori colorimetrici applicati a diverse categorie alimentari, analizzate lungo tutto il periodo di conservazione in termini di carica microbica, composti volatili, colore e struttura, per correlare i cambiamenti dei sensori con le variazioni qualitative degli alimenti.

Risultati attesi

Il progetto porterà allo sviluppo di prototipi di sensori affidabili per il monitoraggio in tempo reale della qualità degli alimenti.

I risultati attesi includono una migliore gestione della conservazione, la riduzione degli sprechi alimentari e l’introduzione di soluzioni sostenibili per il controllo della qualità lungo la filiera.

Risultati raggiunti

Il progetto ha raggiunto con successo i principali obiettivi grazie a un approccio multidisciplinare coordinato. Sono stati sviluppati e ottimizzati sensori colorimetrici sostenibili utilizzando film biodegradabili a base di amido, glicerolo e carbossimetilcellulosa come supporto e coloranti sensibili al pH come elementi di rilevazione. Sono state valutate diverse formulazioni e concentrazioni degli indicatori al fine di ottenere unità sensoriali stabili, riproducibili e in grado di rispondere efficacemente alle variazioni associate al deterioramento degli alimenti. Le configurazioni più promettenti sono state successivamente testate su alimenti reali durante la conservazione refrigerata.

È stata effettuata un'approfondita caratterizzazione delle matrici alimentari selezionate. Stracchino, hamburger di pollo e salmone sono stati monitorati durante la shelf life sia in condizioni ottimali di refrigerazione sia in condizioni di abuso termico simulato. Le analisi microbiologiche hanno consentito di seguire l'evoluzione dei principali microrganismi responsabili del deterioramento, tra cui batteri aerobi totali, batteri lattici, Enterobacteriaceae, coliformi, Pseudomonas spp., lieviti e muffe. Parallelamente sono state condotte analisi chimico-fisiche comprendenti colore, consistenza, proprietà reologiche, capacità di ritenzione idrica, perdita di peso e mobilità protonica mediante risonanza magnetica nucleare a basso campo (LF-NMR), in funzione della specifica matrice alimentare. I composti organici volatili sono stati analizzati mediante SPME-GC-MS e i dati ottenuti sono stati elaborati attraverso strumenti statistici multivariati, tra cui Analisi delle Componenti Principali (PCA) e mappe di calore.

L'integrazione dei dati microbiologici, chimici e chimico-fisici ha permesso di identificare i principali marcatori del deterioramento associati alla perdita di qualità durante la conservazione refrigerata. Nei prodotti lattiero-caseari, l'aumento di metaboliti volatili quali etanolo, 3-metil-1-butanolo, alcol feniletilico, acido acetico e acido 3-metilbutanoico è risultato strettamente correlato al deterioramento del prodotto, in accordo con l'evoluzione della popolazione microbica e con le modificazioni chimico-fisiche osservate durante la shelf life. Nei prodotti a base di carne e pesce sono stati rilevati incrementi di chetoni, alcoli, acidi organici, esteri e aldeidi, confermando la progressione dei processi microbiologici e biochimici responsabili del deterioramento.

Il sistema sensoriale sviluppato ha mostrato le migliori prestazioni nelle matrici lattiero-casearie. Nel caso dello stracchino, il sensore ha evidenziato variazioni cromatiche ben distinguibili che riflettevano l'avanzamento del deterioramento e risultavano coerenti con l'evoluzione dei composti volatili, delle popolazioni microbiche e degli indicatori di qualità. La risposta più affidabile è stata ottenuta con la formulazione caratterizzata dalla maggiore concentrazione di indicatore, che ha consentito variazioni di colore facilmente percepibili anche a occhio nudo. In condizioni di abuso termico, il cambiamento di colore si è manifestato più precocemente rispetto alla conservazione ottimale, rispecchiando l'accelerazione dei processi di deterioramento. Questi risultati confermano il potenziale del sistema sviluppato come strumento pratico per il monitoraggio della qualità e per il supporto alla previsione della shelf life dei prodotti lattiero-caseari.

L'applicazione dei sensori ai prodotti carnei e ittici ha invece evidenziato alcuni limiti. Sebbene le analisi microbiologiche, chimiche e chimico-fisiche abbiano descritto chiaramente l'evoluzione del deterioramento, non sono state osservate variazioni cromatiche significative dei sensori durante la conservazione refrigerata. Tale comportamento è stato attribuito principalmente alla diversa composizione della fase gassosa sviluppata da queste matrici alimentari e alla limitata stabilità del supporto biodegradabile nelle condizioni acide necessarie per il corretto funzionamento di alcuni indicatori. Questi risultati hanno fornito importanti indicazioni per il futuro sviluppo di materiali sensoriali più idonei, suggerendo l'impiego di supporti alternativi o di sensori basati su inchiostri stampabili per applicazioni su carne e pesce.

È stato inoltre valutato il potenziale del sistema per la rilevazione precoce del deterioramento microbiologico. I principali microrganismi naturalmente presenti negli alimenti studiati sono stati isolati e identificati mediante tecniche genetiche. Poiché i risultati più promettenti erano stati ottenuti nello stracchino, gli approfondimenti si sono concentrati sui microrganismi isolati da questa matrice, tra cui Lacticaseibacillus casei, Lactobacillus delbrueckii, Pseudomonas spp., Kluyvera cryocrescens, Kluyvera intermedia e Leclercia adecarboxylata. Esperimenti di crescita controllata in latte scremato sterile hanno dimostrato che alcuni ceppi, in particolare Pseudomonas spp., erano in grado di indurre modificazioni cromatiche nelle unità sensoriali. L'analisi dei composti volatili prodotti dai diversi microrganismi ha inoltre permesso di correlare la risposta del sensore ai processi metabolici microbici e alla produzione di specifici metaboliti associati al deterioramento, confermando il potenziale del sistema come indicatore precoce della contaminazione microbiologica in condizioni controllate.

Il progetto ha prodotto numerosi risultati scientifici e attività di disseminazione rivolte sia alla comunità accademica sia ai portatori di interesse. I risultati sono stati diffusi attraverso pubblicazioni scientifiche, comunicazioni orali e poster presentati in congressi nazionali e internazionali. Le attività divulgative hanno coinvolto anche imprese, operatori del settore e cittadini, attraverso la partecipazione a eventi quali CIBUS e la Notte Europea dei Ricercatori. Il progetto ha inoltre favorito il rafforzamento della collaborazione interdisciplinare tra i partner coinvolti e ha prodotto nuove conoscenze utili allo sviluppo di sistemi di confezionamento intelligenti, sostenibili e orientati al consumatore.

Nel complesso, il progetto ha dimostrato la fattibilità dello sviluppo di sensori colorimetrici biodegradabili per applicazioni di packaging intelligente, in particolare per prodotti lattiero-caseari e altre matrici alimentari caratterizzate da profili volatili idonei al monitoraggio del deterioramento. I risultati ottenuti contribuiscono allo sviluppo di strategie innovative e sostenibili per il controllo della qualità degli alimenti, favoriscono decisioni di acquisto e consumo più consapevoli da parte dei consumatori e possono contribuire alla riduzione degli sprechi alimentari, in linea con gli obiettivi europei di economia circolare, sostenibilità ambientale e sistemi alimentari responsabili.

Dettagli del progetto

• Programma di finanziamento: PRIN 2022
• D.D. del MUR : 104 del 02/02/2022
• Codice progetto MUR: 2022XSFEY4
• CUP: J53D23010550006
• Contributo al DISTAL: € 66.286,00
• Durata: 12/10/2023 - 28/02/2026
• Coordinatore: Università degli Studi di Parma
• Ruolo DISTAL: RL
• Responsabile Scientifico: Lorenzo Siroli