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

A qualidade da água e a segurança alimentar dependem frequentemente de um único composto químico invisível: a amônia. Encontrada em tudo, desde o escoamento agrícola até o ar acima de carne em decomposição, este composto é um poluente potente que pode prejudicar ecossistemas e sinalizar que os alimentos não são mais seguros para o consumo. Detectá-la geralmente requer equipamentos laboratoriais caros ou produtos químicos tóxicos que geram seu próprio resíduo. Os cientistas há muito buscam uma alternativa mais simples, recorrendo aos próprios pigmentos de mudança de cor da natureza. Esses pigmentos, conhecidos como antocianinas, são os mesmos compostos que conferem tons vívidos aos mirtilos, ao repolho roxo e às batatas doces roxas. Eles atuam como indicadores naturais de pH, mudando de cor quando encontram ambientes ácidos ou alcalinos. Como a amônia torna a água mais alcalina, esses pigmentos podem, teoricamente, servir como um sistema de alerta visual, mudando de vermelho para azul ou castanho à medida que os níveis de amônia aumentam. No entanto, esses pigmentos delicados são frágeis; eles degradam-se rapidamente quando expostos à luz ou ao ar, tornando difícil o seu uso num sensor prático e durável.

Uma equipa de investigadores da Universidade De La Salle, nas Filipinas, estabeleceu o objetivo de resolver este problema através da criação de um sensor poroso e robusto que pudesse manter estes pigmentos frágeis no lugar. Eles escolheram uma fonte específica para o seu pigmento: as cascas do ube, ou inhame roxo, um cultivo básico nas Filipinas que gera um volume significativo de resíduos durante o processamento. Em vez de descartarem estas cascas, a equipa extraiu as antocianinas e as incorporou numa nova espécie de matriz de gel. Esta matriz era uma mistura de dois polímeros naturais: a goma gellan, que proporciona força estrutural, e a carboximetilcelulose, um derivado da celulose que ajuda o material a absorver água. Para unir estes dois ingredientes, os investigadores utilizaram cloreto de cálcio, um sal comum que atua como uma ponte entre as cadeias poliméricas, criando uma rede estável.

Os investigadores enfrentaram um equilíbrio delicado. Precisavam de um material que fosse forte o suficiente para manter a sua forma, mas poroso o suficiente para permitir que a água e o gás amoníaco fluíssem facilmente. Se o material fosse demasiado denso, a amônia não conseguiria atingir os pigmentos no interior; se fosse demasiado frouxo, o sensor desmoronar-se-ia. Para encontrar a receita perfeita, testaram várias combinações dos dois polímeros e diferentes concentrações do sal de cálcio. Descobriram que uma mistura específica, contendo o dobro de carboximetilcelulose em relação à goma gellan e tratada com uma baixa concentração de cloreto de cálcio, criou a estrutura mais eficaz. Esta mistura específica absorveu a maior quantidade de água, inchando para quase trinta e quatro vezes o seu peso seco, o que indicava uma estrutura interna altamente aberta e acessível. Esta alta capacidade de inchamento era crucial porque permitia que a amônia se difundisse rapidamente para o interior do sensor, desencadeando uma mudança de cor.

Uma vez identificada a matriz ideal, a equipa encapsulou o extrato de casca de ube dentro dela. Em seguida, testaram quão bem este novo sensor reagia à amônia. Expuseram o material a várias concentrações de gás amoníaco, variando de nenhuma até níveis muito elevados, e observaram a mudança de cor ao longo do tempo. Os resultados foram claros: à medida que a concentração de amônia aumentava, o sensor escurecia, mudando do seu tom avermelhado original para um tom castanho mais profundo. Esta mudança ocorria porque a amônia, que é alcalina, reagia com as antocianinas, alterando a sua estrutura química e a forma como refletiam a luz. Os investigadores descobriram que o sensor funcionava melhor quando lhe era dado um tempo e meio de reação, ponto em que a relação entre a mudança de cor e a concentração de amônia era a mais previsível e fiável.

Além da sua capacidade de detetar amônia, o novo sensor provou ser mecanicamente sólido. Os testes mostraram que a adição do pigmento não enfraqueceu o material, e o produto final manteve uma resistência à tração semelhante à da matriz sem o pigmento. Imagens microscópicas detalhadas revelaram que o material possuía uma estrutura porosa em forma de folhas, confirmando que o processo de liofilização tinha criado os canais necessários para a movimentação de água e gás. A análise química confirmou que os pigmentos estavam fisicamente presos dentro da rede polimérica através de ligações naturais, e não quimicamente alterados, o que significa que o sensor preservou as propriedades naturais do extrato de ube.

Este trabalho demonstra uma forma prática de transformar resíduos agrícolas numa ferramenta funcional para a monitorização da segurança alimentar e ambiental. Ao utilizar as cascas do inhame roxo e uma mistura de polímeros naturais simples, os investigadores criaram um sensor que é simultaneamente sustentável e eficaz. Oferece uma alternativa potencial aos métodos de deteção complexos e caros, proporcionando uma forma visual e de baixo custo para monitorizar os níveis de amônia. O estudo sugere que tais materiais podem ser desenvolvidos adicionalmente para aplicações no mundo real, transformando um subproduto comum do processamento alimentar num guardião para a água limpa e alimentos seguros.