Fabrication of a colorimetric ammonia nitrogen indicator using ube peel-derived anthocyanins in a gellan gum/carboxymethyl cellulose matrix

La qualità dell'acqua e la sicurezza alimentare dipendono spesso da un unico, invisibile composto chimico: l'ammoniaca. Presente in tutto, dal deflusso agricolo all'aria sopra la carne che si deteriora, questo composto è un potente inquinante che può danneggiare gli ecosistemi e segnalare che il cibo non è più sicuro da mangiare. Rilevarlo richiede solitamente costose apparecchiature di laboratorio o sostanze chimiche tossiche che generano i propri rifiuti. Gli scienziati cercano da tempo un'alternativa più semplice, rivolgendosi ai pigmenti naturali che cambiano colore. Questi pigmenti, noti come antocianine, sono gli stessi composti che conferiscono ai mirtilli, al cavolo rosso e alle patate dolci viola le loro vivaci tonalità. Essi agiscono come indicatori naturali del pH, cambiando colore quando incontrano ambienti acidi o alcalini. Poiché l'ammoniaca rende l'acqua più alcalina, questi pigmenti possono teoricamente servire come sistema di allarme visivo, passando dal rosso al blu o al marrone all'aumentare dei livelli di ammoniaca. Tuttavia, questi delicati pigmenti sono fragili; si degradano rapidamente se esposti alla luce o all'aria, rendendoli difficili da utilizzare in un sensore pratico e durevole.

Un team di ricercatori della De La Salle University nelle Filippine si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema creando un sensore poroso e robusto che potesse mantenere in posizione questi fragili pigmenti. Hanno scelto una fonte specifica per il loro pigmento: le bucce dell'ube, o igname viola, un raccolto fondamentale nelle Filippine che genera una quantità significativa di scarti durante la lavorazione. Invece di scartare queste bucce, il team ha estratto le antocianine e le ha incorporate in una nuova matrice di gel. Questa matrice è una miscela di due polimeri naturali: la gomma gellana, che fornisce forza strutturale, e la carbossimetilcellulosa, un derivato della cellulosa che aiuta il materiale ad assorbire l'acqua. Per legare insieme questi due ingredienti, i ricercatori hanno utilizzato il cloruro di calcio, un sale comune che funge da ponte tra le catene polimeriche, creando una rete stabile.

I ricercatori si sono trovati di fronte a un equilibrio delicato. Avevano bisogno di un materiale abbastanza resistente da mantenere la propria forma, ma abbastanza poroso da permettere all'acqua e al gas ammoniaca di fluire facilmente. Se il materiale fosse stato troppo denso, l'ammoniaca non avrebbe potuto raggiungere i pigmenti all'interno; se fosse stato troppo rado, il sensore si sarebbe disintegrato. Per trovare la ricetta perfetta, hanno testato varie combinazioni dei due polimeri e diverse concentrazioni del sale di calcio. Hanno scoperto che una miscela specifica, contenente il doppio della carbossimetilcellulosa rispetto alla gomma gellana e trattata con una bassa concentrazione di cloruro di calcio, creava la struttura più efficace. Questa specifica miscela assorbiva la maggior quantità d'acqua, gonfiandosi fino a quasi trentantaquattro volte il suo peso a secco, il che indicava una struttura interna altamente aperta e accessibile. Questa elevata capacità di rigonfiamento era cruciale perché permetteva all'ammoniaca di diffondersi rapidamente nel sensore, innescando un cambiamento di colore.

Una volta identificata la matrice ottimale, il team ha incapsulato l'estratto di buccia di ube all'interno di essa. Hanno poi testato quanto bene questo nuovo sensore reagisse all'ammoniaca. Hanno esposto il materiale a concentrazioni variabili di gas ammoniaco, da nessuna a livelli molto elevati, e hanno osservato lo spostamento del colore nel tempo. I risultati erano chiari: all'aumentare della concentrazione di ammoniaca, il sensore si scuriva, passando dalla sua tonalità rossastra originale a una tonalità più profonda, brunastra. Questo cambiamento avveniva perché l'ammoniaca, essendo alcalina, reagiva con le antocianine, alterando la loro struttura chimica e il modo in cui riflettevano la luce. I ricercatori hanno scoperto che il sensore funzionava meglio dopo un tempo di reazione di un'ora e mezza, punto in cui la relazione tra il cambiamento di colore e la concentrazione di ammoniaca era la più prevedibile e affidabile.

Oltre alla sua capacità di rilevare l'ammoniaca, il nuovo sensore si è dimostrato meccanicamente solido. I test hanno mostrato che l'aggiunta del pigmento non indeboliva il materiale e il prodotto finale manteneva una resistenza alla trazione simile a quella della matrice senza il pigmento. Immagini microscopiche dettagliate hanno rivelato che il materiale possedeva una struttura porosa a fogli, confermando che il processo di liofilizzazione aveva creato i canali necessari affinché l'acqua e il gas potessero muoversi attraverso di esso. L'analisi chimica ha confermato che i pigmenti erano intrappolati fisicamente all'interno della rete polimerica attraverso legami naturali, piuttosto che essere stati alterati chimicamente, il che significa che il sensore conservava le proprietà naturali dell'estratto di ube.

Questo lavoro dimostra un modo pratico per trasformare i rifiuti agricoli in uno strumento funzionale per il monitoraggio della sicurezza alimentare e ambientale. Utilizzando le bucce dell'igname viola e una miscela di semplici polimeri naturali, i ricercatori hanno creato un sensore che è al contempo sostenibile ed efficace. Esso offre un'alternativa potenziale ai metodi di rilevamento complessi e costosi, fornendo un modo visivo e a basso costo per monitorare i livelli di ammoniaca. Lo studio suggerisce che tali materiali potrebbero essere ulteriormente sviluppati per applicazioni nel mondo reale, trasformando un comune sottoprodotto della lavorazione alimentare in un guardiano per l'acqua pulita e il cibo sicuro.