Les normes de sécurité et de qualité des aliments n'ont jamais été aussi élevées en Allemagne et dans l'ensemble de l'Union européenne. Cela est particulièrement vrai dans l'industrie laitière. Pourtant, malgré des normes aussi élevées, traces d'impuretés, les pesticides et les antibiotiques peuvent se retrouver dans le lait, avec des conséquences parfois graves pour la santé des consommateurs. Dans le projet financé par l'UE MOLOKO, Les chercheurs de Fraunhofer se sont associés à des partenaires pour développer un nouveau capteur optoplasmonique conçu pour fournir des analyse sur site des paramètres de sécurité et de qualité du lait. Ce système d'alerte précoce apportera à l'industrie des économies substantielles de temps et d'argent ainsi qu'une réduction drastique du gaspillage de produit, contribuant ainsi à améliorer les performances tout au long de la chaîne d'approvisionnement.

La sécurité alimentaire est un facteur critique dans l'industrie alimentaire, notamment dans le secteur laitier. Ici, les infections du pis peuvent entraîner la pénétration d'organismes nuisibles dans le lait, et les substances chimiques telles que les antibiotiques ou les pesticides peuvent contaminer le produit via le fourrage ou en raison d'un contrôle inadéquat des équipements et des installations de stockage. Afin d'éviter que du lait frelaté n'entre dans la chaîne alimentaire, des contrôles sont effectués tout au long du processus de production et de la chaîne d'approvisionnement. Pourtant, ces tests standards sont coûteux et prennent du temps. Des échantillons sont prélevés dans des camions-citernes contenant un mélange de produits collectés dans un certain nombre de fermes laitières, puis analysés en laboratoire. Si le lait s'avère contaminé, tout le chargement doit être détruit, avec des pertes élevées pour l'ensemble des éleveurs et laiteries concernés. S'il existait un test permettant aux agriculteurs de contrôler leur propre lait avant qu'il ne soit collecté par le camion-citerne, un tel gaspillage pourrait être évité.

Le contrôle qualité fournit des résultats en cinq minutes

Dans le projet MOLOKO (Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of contaminants in milk), 12 partenaires de sept pays, dont une laiterie, ont mis au point un test rapide et peu coûteux pour identifier les facteurs de qualité du lait. Dans un test d'environ cinq minutes, un nouveau capteur optoplasmonique analyse le produit pour un total de six substances, fournissant ainsi un contrôle supplémentaire et un système d'alerte précoce au sein de la chaîne d'approvisionnement, bien avant que le lait ne soit pompé dans la citerne. Le capteur est fonctionnalisé avec des récepteurs d'anticorps spécifiques qui servent d'indicateurs de divers paramètres de qualité et de sécurité du lait. Il permet ainsi aux exploitations laitières d'effectuer de manière automatisée, analyses quantitatives sur site.

Architecture de capteur intégrée unique

L'ensemble du système se compose d'une puce microfluidique réutilisable, des transistors organiques électroluminescents (OLET) ou des diodes (OLED), un capteur comprenant des photodétecteurs organiques (OPD), un réseau plasmonique nanostructuré et les anticorps spécifiques. Le photodétecteur organique est en cours de développement à l'Institut Fraunhofer d'électronique organique, Faisceau d'électrons et technologie plasma FEP, et la puce microfluidique de l'Institut Fraunhofer pour les nanosystèmes électroniques ENAS. L'OLET, pendant ce temps, est développé par le CNR-ISMN à Bologne, et le réseau photonique de la société Plasmore Srl à Pavie, les deux en Italie. Le coordinateur du projet est le CNR-ISMN.

"La particularité de notre puce est qu'elle peut être réutilisée, " explique Andreas Morschhauser, chercheur à Fraunhofer ENAS. "Les molécules cibles sont extraites des anticorps immobilisés par un tampon de régénération. Cela signifie que les anticorps peuvent être réutilisés pour d'autres tests." En réalité, la durée de vie estimée de la puce est de 100 cycles de test. A chaque épreuve, un total de six paramètres relatifs aux contaminants et aux protéines sont mesurés. Dans ce but, Morschhauser et ses collègues ont développé un système micro-fluidique sous la forme d'un système automatisé, cartouche miniaturisée remplaçable. En plus de fournir des informations sur la sécurité et la qualité du lait, les paramètres mesurés renseignent également les agriculteurs sur la santé et l'état de chaque vache. Cela les aide à détecter les infections à un stade précoce et à commencer le traitement immédiatement. Un traitement rapide peut conduire à une administration plus judicieuse des antibiotiques et donc à une réduction de leur utilisation.

Un réseau nanostructuré pour la résonance plasmonique de surface

Mais comment fonctionne le test ? Dr Michael Törker, chercheur au Fraunhofer FEP, explique :« La lumière émise par le transistor tombe sur une grille recouverte d'anticorps spécifiques aux différentes substances testées. Lorsque le lait est projeté sur la grille, toutes les molécules cibles dans le lait se lient ensuite aux anticorps. Cela modifie l'indice de réfraction au voisinage immédiat du réseau, qui à son tour modifie la façon dont cette lumière est réfléchie. La lumière réfléchie est enregistrée par le photodétecteur, qui mesure les changements minimes de l'indice de réfraction." Ce phénomène de base, qui se produit sur des nanoréseaux spécialement structurés, est connue sous le nom de résonance plasmonique de surface. Il fournit des lectures rapides et très sensibles.

L'objectif est d'utiliser ce biocapteur à différents points de la chaîne de valeur, à la fois comme appareil de laboratoire et directement installé dans l'équipement laitier. De plus, il conviendra également pour tester la qualité de liquides autres que le lait, comme de la bière ou de l'eau. Le seul ajustement requis est une modification des molécules de capture immobilisées et du tampon de réaction requis. Il s'agirait simplement de remplacer les molécules de capture par des molécules convenablement modifiées pour l'objectif en question.