Development of non-contact pH-responsive PAN/Malva sylvestris nanofibrous sensors for intelligent food packaging and meat freshness monitoring
इस अध्ययन ने पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल और *Malva sylvestris* अर्क से निर्मित एक गैर-संपर्क, pH-उत्तरदायी नैनोफाइब्रस सेंसर विकसित किया है जो pH और TVB-N जैसे खराब होने के संकेतकों के साथ सह-संबंधित परिवर्तनीय रंग परिवर्तनों के माध्यम से मांस की ताजगी की प्रभावी ढंग से निगरानी करता है।
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खाद्य सुरक्षा अक्सर पैकेज पर छपी एक साधारण, मुद्रित तिथि पर निर्भर करती है, जो एक स्थिर वादा है और शायद ही कभी इस बात का ध्यान रखती है कि भोजन वास्तव में कैसे खराब होता है। जब मछली या मांस सड़ना शुरू होता है, तो यह मानवीय आंखों को बुरा दिखने या गंध आने से बहुत पहले ही अदृश्य रासायनिक परिवर्तनों से गुजरता है। इस क्षय का सबसे विश्वसनीय संकेतों में से एक अम्लता, या पीएच (pH) में बदलाव है, क्योंकि बैक्टीरिया प्रोटीन को तोड़ते हैं और क्षारीय गैसें छोड़ते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं कि कैसे इन अदृश्य परिवर्तनों को उपभोक्ताओं के लिए दृश्य बनाया जाए, जिससे एक "स्मार्ट" पैकेजिंग तैयार हो सके जो वास्तविक समय में ताजगी की निगरानी कर सके। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की थी जो इन सूक्ष्म रासायनिक परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील हो, पैकेज के भीतर के नम वातावरण में जीवित रहने के लिए पर्याप्त टिकाऊ हो, और इतनी सुरक्षित हो कि वह कभी स्वयं भोजन को स्पर्श न करे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सामान्य बगीचे के पौधे और सिंथेटिक रेशों के संयोजन का उपयोग करके इन बाधाओं को दूर करने वाला समाधान विकसित किया है। उन्होंने एक छोटा, गैर-संपर्क (non-contact) सेंसर बनाया है जिसे खाद्य पैकेज के अंदर लटकाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो मांस को छूने के बजाय हवा की निगरानी करता है। एक मजबूत प्लास्टिक पॉलीमर को सामान्य मालवा (mallow) के पौधे के अर्क के साथ बुनकर, उन्होंने एक नैनोफाइब्रस फिल्म बनाई जो नाटकीय रूप से रंग बदलती है जैसे ही इसके अंदर का भोजन खराब होने लगता है। यह प्रणाली क्षय की अदृश्य रसायन विज्ञान को देखने का एक तरीका प्रदान करती है, जो एक स्पष्ट दृश्य संकेत देती है जो उपभोक्ता को ठीक से बताता है कि कब कोई उत्पाद अपने सर्वोत्तम समय को पार कर चुका है।
शोधकर्ताओं ने शुरुआत एक सिंथेटिक पॉलीमर 'पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल' (polyacrylonitrile) को चुनने से की, जो अपनी मजबूती और अविश्वसनीय रूप से महीन धागे बनाने की क्षमता के लिए जाना जाता है। उन्होंने दोषों के बिना चिकने, समान रेशे बनाने के लिए इस सामग्री के तीन अलग-अलग सांद्रणों का परीक्षण किया। वे एक विशिष्ट सांद्रण पर टिके जो रेशों का एक सुसंगत जाल बनाता था, जो उनके सेंसर के मजबूत ढांचे के रूप में कार्य करेगा। इस ढांचे में, उन्होंने मालवा सिल्वेस्ट्रिस (Malva sylvestris) के सूखे फूलों के अर्क को समाहित किया, जो एंथोसायनिन नामक प्राकृतिक पिगमेंट से भरपूर पौधा है। ये पिगमेंट अपने परिवेश की अम्लता के आधार पर रंग बदलने के लिए प्रसिद्ध हैं, जो पीएच बढ़ने पर लाल से बैंगनी, हरे और पीले रंग में बदलते हैं।
यह परीक्षण करने के लिए कि ये सामग्रियां एक साथ कितनी अच्छी तरह काम करती हैं, टीम ने पौधे के अर्क को पॉलीमर समाधान में तीन अलग-अलग स्तरों पर मिलाया। उन्होंने पाया कि बहुत कम अर्क डालने से पर्याप्त रंग नहीं मिला, जबकि बहुत अधिक अर्क डालने से रेशे खुरदरे और गांठदार हो गए। सबसे सटीक मिश्रण वह था जिसमें वजन के अनुसार बीस प्रतिशत अर्क शामिल था। इस विशिष्ट मिश्रण ने ऐसे रेशे बनाए जो न केवल मजबूत और स्थिर थे, बल्कि जिनमें पौधों के पिगमेंट के साथ अंतःक्रिया करने की अनूठी क्षमता भी थी। प्लास्टिक और पौधे के अर्क के रासायनिक समूहों ने एक-दूसरे के साथ मजबूत बंधन बनाए, जिससे एक सुसंगत सामग्री बनी जो पानी को कम अवशोषित करती है और गर्मी के प्रति अधिक प्रतिरोधी है। यह संरचनात्मक अखंडता महत्वपूर्ण थी, क्योंकि सेंसर को रेफ्रिजेरेटेड पैकेज के भीतर नमी वाले, गर्म वातावरण में बरकरार रहना था।
परिणामस्वरूप बना सेंसर रेशों की एक पतली, गैर-बुनी हुई चटाई थी जो कपड़े के एक नाजुक टुकड़े जैसी दिखती थी। विभिन्न अम्लता स्तरों के संपर्क में आने पर, सामग्री एक जीवंत और प्रतिवर्ती (reversible) रंग परिवर्तन प्रदर्शित करती थी। अत्यधिक अम्लीय स्तर पर, सेंसर गुलाबी दिखाई देता था। जैसे ही वातावरण तटस्थ (neutral) हुआ, यह गहरा बैंगनी हो गया। यदि स्थितियाँ क्षारीय (alkaline) हो गईं, तो रंग बदलकर हरा और अंततः पीला हो गया। रंगों की इस विस्तृत श्रृंखला का अर्थ था कि सेंसर हवा के सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकता था, जिससे यह क्षय के शुरुआती चरणों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हो गया। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सेंसर को भोजन को छुए बिना पैकेज के अंदर रखा जा सकता है, जो केवल हवा में तैरने वाली गैसों पर निर्भर करता है ताकि रंग परिवर्तन को सक्रिय किया जा सके।
इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में सिद्ध करने के लिए, टीम ने फ्रिज में रखे ताजे मछली के फिलेट्स के साथ सेंसर का परीक्षण किया। उन्होंने सेंसर का एक छोटा चौकोर टुकड़ा कंटेनर के अंदरूनी ढक्कन पर रखा, यह सुनिश्चित करते हुए कि वह मछली को बिना स्पर्श किए उसके ठीक ऊपर रहे। सोलह दिनों की अवधि में, उन्होंने मछली के सड़ने के संकेतों की निगरानी की, वाष्पशील नाइट्रोजन यौगिकों के स्तर और मांस की अम्लता को मापा। जैसे ही मछली खराब होने लगी, बैक्टीरिया ने पैकेज के भीतर की हवा के पीएच को बढ़ा देने वाली क्षारीय गैसें छोड़ीं। सेंसर ने तुरंत प्रतिक्रिया दी। पहले कुछ दिनों के लिए, मछली ताजी रही और सेंसर का रंग हल्का रहा। बारहवें दिन तक, जब मछली सड़ने के चेतावनी चरण में प्रवेश कर गई, तो सेंसर हल्के पीले रंग में बदल गया। सोलहवें दिन तक, जब मछली स्पष्ट रूप से खराब हो चुकी थी और सुरक्षा सीमाओं से बाहर हो गई थी, तब सेंसर स्पष्ट रूप से पीले-हरे रंग का हो गया।
सेंसर के दृश्य परिवर्तन रासायनिक डेटा के साथ पूरी तरह मेल खाते थे, जो उच्च सटीकता के साथ सड़ने के संकेतकों में वृद्धि को ट्रैक करते थे। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि यह सरल, गैर-संपर्क उपकरण ताजी मछली, खराब होने वाली मछली और पूरी तरह से खराब हो चुकी मछली के बीच अंतर कर सकता था। सामग्री परीक्षण के दौरान स्थिर रही, जिसमें नमी वाले वातावरण में घुलने या खराब होने के कोई लक्षण नहीं दिखे। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह PAN और मालवा अर्क का संयोजन खाद्य पैकेजिंग के भविष्य के लिए एक सुरक्षित, संवेदनशील और विश्वसनीय उपकरण बनाता है। यह उपभोक्ताओं को केवल एक मुद्रित तिथि के बजाय अपनी आंखों पर भरोसा करने का एक तरीका प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि खाद्य सुरक्षा अब केवल एक अनुमान नहीं बल्कि एक दृश्य तथ्य है।
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