Наблюдението на растителния хормон етилен може да разкрие кога плодовете и зеленчуците са на път да се развалят

Докато цветята цъфтят и плодовете узряват, те отделят безцветен, миришещ газ, наречен етилен. Химиците от Масачузетския технологичен институт вече са създали малък сензор, който може да открива този газ в концентрации до 15 части на милиард, което според тях може да бъде полезно за предотвратяване на разваляне на храните.

Сензорът, който е направен от полупроводникови цилиндри, наречени въглеродни нанотръби, може да се използва за наблюдение на плодове и зеленчуци, докато те се транспортират и съхраняват, което помага за намаляване на разхищаването на храна, казва Тимъти Суагър, професор по химия в Масачузетскиq технологичен институт Джон МакАртър.

„Има постоянна нужда от по-добро управление на храните и намаляване на хранителните отпадъци“, казва Суагър. „Хората, които транспортират плодове наоколо, биха искали да знаят как се справят по време на транзита и дали трябва да вземат мерки, за да задържат етилена, докато го транспортират.“

В допълнение към естествената си роля на растителен хормон, етиленът е и най-широко произвежданото органично съединение в света и се използва за производство на продукти като пластмаси и облекло. Детектор за етилен също може да бъде полезен за наблюдение на този вид промишлено производство на етилен, казват изследователите.

Зрели или не

Етиленът се произвежда от повечето растения, които го използват като хормон за стимулиране на растежа, узряването и други ключови етапи от жизнения си цикъл. Например, бананите произвеждат все по-големи количества етилен, докато узреят и станат кафяви, а цветята го произвеждат, когато се подготвят да цъфтят. Продуктите и цветята под стрес могат да свръхпродуцират етилен, което ги кара да узреят или да изсъхнат преждевременно. Смята се, че всяка година американските супермаркети губят около 12% от плодовете и зеленчуците си, за да се развалят, според американското министерство на земеделието.

През 2012 г. лабораторията на Суагър разработи етиленов сензор, съдържащ масиви от десетки хиляди въглеродни нанотръби. Тези въглеродни цилиндри позволяват на електроните да текат по тях, но изследователите са добавили медни атоми, които забавят електронния поток. Когато присъства етилен, той се свързва с медните атоми и забавя електроните още повече. Измерването на това забавяне може да разкрие колко етилен присъства. Този сензор обаче може да открива само нивата на етилен до 500 части на милиард и тъй като сензорите съдържат мед, те вероятно ще бъдат корозирали от кислород и ще спрат да работят.

„Все още няма добър търговски сензор за етилен“, казва Суагър. „За да управляват всякакъв вид продукти, които се съхраняват дългосрочно, като ябълки или картофи, хората биха искали да могат да измерват етилена му, за да определят дали е в режим на стазис или узрява.“

Swager и Fong създават нов вид етиленов сензор, който също се основава на въглеродни нанотръби, но работи по съвсем различен механизъм, известен като окисляване на Уакер. Вместо да включат метал като мед, който се свързва директно с етилен, те използваха метален катализатор, наречен паладий, който добавя кислород към етилена по време на процес, наречен окисление.

Тъй като паладиевият катализатор извършва това окисление, катализаторът временно получава електрони. След това паладий предава тези допълнителни електрони на въглеродни нанотръби, което ги прави по-проводими. Измервайки получената промяна в текущия поток, изследователите могат да открият наличието на етилен.

Сензорът реагира на етилен в рамките на няколко секунди след излагане и след като газът изчезне, сензорът се връща към основната си проводимост в рамките на няколко минути.

„Превключвате между две различни състояния на метала и след като етиленът вече го няма, той преминава от това преходно, богато на електрони състояние в първоначалното си състояние“, казва Фонг.

„Пренасочването на каталитичната система за окисляване на Wacker за откриване на етилен беше изключително умна и фундаментално интердисциплинарна идея“, казва Захари Уикенс, асистент по химия в Университета на Уисконсин, който не участва в изследването. „Изследователският екип се възползва от последните модификации на окисляването на Уакер, за да осигури здрава каталитична система, и я включи в устройство на основата на въглеродни нанотръби, за да осигури забележително селективен и прост етиленов сензор.

В разцвет

За да тестват възможностите на сензора, изследователите са депозирали въглеродните нанотръби и други компоненти на сензора върху стъклено стъкло. След това са го използвали за наблюдение на производството на етилен в два вида цветя - карамфили и лилав лизиантус. Те измерват производството на етилен в продължение на пет дни, което им позволява да проследят връзката между нивата на етилен и цъфтежа на растенията.

При изследванията си върху карамфилите изследователите установяват, че има бърз скок в концентрацията на етилен през първия ден от експеримента и цветята цъфтят малко след това, всичко в рамките на ден-два.

Лилавите цветя на лизиантусa показват по-постепенно увеличение на етилена, което започва през първия ден и продължава до четвъртия ден, когато започва да намалява. Съответно цъфтежът на цветята се разпространява в продължение на няколко дни, а някои все още не са цъфнали до края на експеримента.

Изследователите също така проучиха дали пакетите с растителна храна, които се доставят с цветята, имат някакъв ефект върху производството на етилен. Те открили, че растенията, на които е дадена храната, показват леко забавяне в производството и цъфтежа на етилена, но ефектът не е значителен (само няколко часа).

Екипът на Масачузетския технологичен институт подаде заявка за патент за новия сензор. Изследването е финансирано от Националната научна фондация, Програмата за технология за качество на околната среда на Инженерния център за армейски инженери на САЩ, Канадският съвет за природни науки и инженерни изследвания и Фондация за научни изследвания в Сао Пауло.

Източник: New sensor could help prevent food waste | MIT News | Massachusetts Institute of Technology