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Perché i biosensori sono cruciali per la rilevazione degli allergeni alimentari
Le allergie alimentari come problema di salute pubblica
Le allergie alimentari costituiscono un problema di salute pubblica a livello mondiale che colpisce fino a 17 milioni di europei. Il costo economico della gestione delle allergie alimentari è persino superiore a quello di altre malattie croniche, come il diabete. Non esistendo alcun trattamento per questa condizione, l’opzione raccomandata è eliminare dalla dieta l’alimento o gli ingredienti alimentari che possono provocare una situazione potenzialmente letale.
Di conseguenza, una corretta etichettatura degli alimenti svolge un ruolo cruciale nella sicurezza alimentare, consentendo ai consumatori allergici di evitare la loro esposizione all’allergene. In questo contesto, è in vigore nell’UE una legislazione che stabilisce un elenco di ingredienti con potenziali effetti allergenici che devono essere indicati sull’etichetta dei prodotti alimentari [1].
Limiti dell’etichettatura e allergeni nascosti
Il fatto che le normative siano focalizzate sull’indicazione degli ingredienti indipendentemente dalla quantità di allergene presente nell’alimento ha portato a una proliferazione di etichette precauzionali che indicano la dicitura “può contenere”, anche in casi in cui non sarebbe necessario, limitando inutilmente la dieta dei consumatori allergici. A ciò si aggiungono gli allergeni nascosti che possono comparire a causa della contaminazione crociata e contribuire ad aggravare ulteriormente il problema per consumatori e produttori. Infine, una conseguenza immediata di questi limiti normativi è la necessità di metodi analitici sensibili, specifici, rapidi e robusti per verificarne la conformità [2].
Limiti dei metodi analitici tradizionali
La maggior parte dei metodi attualmente utilizzati per l’analisi degli allergeni sono saggi immunologici, metodi basati sulla reazione a catena della polimerasi (PCR) o metodi basati sulla spettrometria di massa. Spesso la necessità di apparecchiature costose e la presenza di personale specializzato rappresentano un ostacolo al loro utilizzo routinario nell’industria alimentare. Un altro importante limite è la preparazione del campione, che è generalmente dispendiosa in termini di tempo e manodopera. Inoltre, quando un campione deve essere analizzato per la presenza di più allergeni, i tempi e i costi di analisi aumentano in modo significativo.
Lo sviluppo di dispositivi portatili, a basso costo e di facile utilizzo, potrebbe migliorare in modo significativo la qualità di vita delle persone allergiche e, al contempo, semplificare e rendere più efficienti le analisi per l’industria alimentare. In questo contesto, i biosensori rappresentano una soluzione emergente e altamente promettente, in grado di contribuire in maniera sostanziale al miglioramento della gestione degli allergeni nel settore alimentare.
Cosa sono i biosensori e come funzionano
Definizione e principi di funzionamento dei biosensori
I biosensori sono sensori chimici che utilizzano come elemento di riconoscimento una molecola biologica, sfruttando specifici meccanismi di bio-riconoscimento del target per la sua determinazione analitica. Le informazioni chimiche, che possono variare dalla concentrazione di uno specifico analita, all’analisi della composizione complessiva del campione, vengono convertite in una variazione misurabile di tipo elettrochimico, ottico, acustico o termico. Tale variazione viene successivamente trasformata in un segnale analitico che ci permette di valutarne la concentrazione. I biosensori possono essere classificati in base al meccanismo di riconoscimento del target, alla modalità di trasduzione del segnale o a una combinazione di entrambi [3].
Una classificazione fondata sull’elemento di bio-riconoscimento consente di distinguere tra biosensori enzimatici, i più comunemente impiegati, immunosensori, che utilizzano anticorpi come elementi di riconoscimento, biosensori basati su cellule intere, Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) e biosensori a base di acidi nucleici.
Aptasensori: biosensori a base di aptameri per la food safety
Gli aptasensori sono biosensori che utilizzano aptameri come elementi di riconoscimento biologico. Gli aptameri sono brevi sequenze a singolo filamento di DNA o RNA in grado di assumere una conformazione tridimensionale che ne permette l’interazione con il target. Infatti, queste catene nucleotidiche legano la molecola bersaglio grazie ad interazioni che dipendono dalla specifica conformazione della catena e dalla natura della sostanza target. Sono molecole di riconoscimento molto versatili che trovano una vasta gamma di applicazioni.
Diversi aptasensori, principalmente a trasduzione elettrochimica, sono stati sviluppati per rilevare sostanze come antimicrobici, allergeni alimentari, micotossine, Bisfenolo A e pesticidi [4]. Generalmente gli aptameri vengono fissati su elettrodi conduttori, tipicamente di oro o carbonio, e il legame tra aptamero e bersaglio viene tradotto in un segnale elettrico. I metodi elettrochimici più comununemente impiegati includono voltammetria ciclica, voltammetria ad impulsi differenziali, amperometria, spettroscopia di impedenza elettrochimica e potenziometria.
Trasduzione elettrochimica negli aptasensori per la food safety
Il riconoscimento del target può essere tradotto in segnale elettrochimico attraverso diverse strategie: utilizzo di specie elettrochimiche che si legano allo scheletro dell’aptamero; aptameri marcati con specie elettroattive che cambiano posizione al legame col target, modificando il segnale; specie elettrochimiche libere in soluzione che vedono modificata la loro diffusione verso l’elettrodo; marcatori enzimatici, simili ai test ELISA, dove la quantità di target si riflette sull’attività enzimatica.
In sintesi, gli aptasensori combinano alta specificità, sensibilità e la possibilità di misurazioni rapide e portatili, rendendoli strumenti promettenti per monitoraggi ambientali e alimentari.
Biosensori in ambito alimentare: vantaggi e criticità
Rispetto alle tecniche di rilevamento convenzionali, i biosensori rappresentano un approccio innovativo ed efficace. Essi consentono infatti analisi altamente sensibili e selettive, semplici da eseguire e adatte all’uso direttamente sul posto, senza la necessità di laboratori complessi.
In linea teorica, il funzionamento di un biosensore si articola in diverse fasi: preparazione del campione, riconoscimento dell’analita, conversione del segnale (trasduzione) e successiva elaborazione e analisi dei dati (Fig. 1). Negli ultimi anni, i continui progressi nel campo della scienza dei materiali e delle nanotecnologie hanno contribuito in modo significativo a migliorare le prestazioni dei biosensori, rendendoli sempre più sensibili, rapidi e affidabili.
In particolare, per consentire analisi direttamente sul campo, sono stati sviluppati nuovi dispositivi portatili, come i test a flusso laterale (LFA) e i dispositivi microfluidici, che permettono una rilevazione degli allergeni alimentari pratica e affidabile. Inoltre, per favorire l’automazione, questi sistemi sono stati integrati con smartphone e dispositivi analitici portatili, dando origine a piattaforme intelligenti e automatizzate per la rilevazione degli allergeni alimentari direttamente in situ.
Caso applicativo: rilevazione degli allergeni alimentari
Gli allergeni alimentari rappresentano sostanze capaci di scatenare reazioni immunitarie indesiderate in soggetti sensibili, e tra essi i cosiddetti “Big Eight”, latte, uova, arachidi, frutta a guscio, pesce, crostacei, soia e grano, sono responsabili della maggior parte delle allergie alimentari in tutto il mondo. La loro rilevazione accurata negli alimenti è fondamentale per la sicurezza dei consumatori.
In letteratura sono stati sviluppati diversi biosensori per la rilevazione di allergeni alimentari, per esempio, sensori per la determinazione del glutine basati su aptameri e nanoparticelle d’oro e sensori paper-based combinando aptameri e anticorpi [5,6]. Questi dispositivi sono progettati per essere rapidi, sensibili e utilizzabili direttamente sul campo per rilevare basse concentrazioni di glutine in alimenti come birra gluten-free. Per la β‑lattoglobulina, allergene principale del latte vaccino, troviamo diversi biosensori elettrochimici basati sull’impiego di aptameri, tra di essi un aptasensore portatile basato su elettrochemiluminescenza (ECL) in cui un aptamero specifico si lega alla β‑lattoglobulina e un segnale di luce viene generato in proporzione alla quantità di proteina presente nel campione potenzialmente utilizzabile in formulati dove potrebbero essere presenti tracce oppure all’interno di prodotti dichiarati vegan [7].
Integrazione dei biosensori nell’industria alimentare
I biosensori per allergeni possono trovare applicazione pratica in diversi ambiti dell’industria alimentare. Nel controllo delle materie prime, verificando rapidamente la loro presenza prima dell’avvio della produzione, per rilevare la contaminazione crociata tra ingredienti o linee di lavorazione, contribuendo a prevenire contaminazioni accidentali di prodotti destinati a consumatori allergici. Alcuni biosensori sono concepiti per un controllo in linea di processo, integrandosi direttamente nelle fasi di produzione e fornendo letture quasi in tempo reale, senza dover prelevare campioni da inviare a laboratorio.
Conclusioni
Il mercato globale dei biosensori è in forte espansione e potrebbe raddoppiare entro il 2032. I progressi tecnologici hanno portato allo sviluppo di dispositivi portatili per la rilevazione degli allergeni alimentari, ma restano criticità legate alla complessità della preparazione del campione e alla difficoltà di analizzare più allergeni simultaneamente.
L’integrazione di piattaforme microfluidiche, intelligenza artificiale e nuovi nanomateriali può migliorare sensibilità, automazione e accuratezza. Inoltre, la miniaturizzazione e il collegamento con dispositivi come smartphone rendono i biosensori più accessibili, favorendone la diffusione e rafforzando le strategie di sicurezza alimentare.
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[1] European Parliament and Council. Regulation (EU) No 1169/2011 (Annex II).
[2] Crevel, R.W.R.; Ballmer-Weber, B.K.; Holzhauser, T.; Hourihane, J.O’B.; Knulst, A.C.; Mackie, A.R.; Timmermans, F.; Taylor, S.L. Title not specified. Allergy, 2008.
[3] Thévenot, D.R.; Toth, K.; Durst, R.A.; Wilson, G.S. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Biosensors and Bioelectronics, 2001.
[4] Shang, W.; Zhou, P.; Liu, M.; Lv, G.; Sun, M.; Li, Y.; Meng, X. Advances in Electrochemical Aptasensors for Targeted Detection in Biomedicine, Food Safety, and Environmental Monitoring. Chemosensors, 2026.
[5] Svigelj, R.; Dossi, N.; Pizzolato, S.; Toniolo, R.; Miranda-Castro, R.; de-Los-Santos-Álvarez, N.; Lobo-Castañón, M.J. Truncated aptamers as selective receptors in a gluten sensor supporting direct measurement in a deep eutectic solvent. Biosensors and Bioelectronics, 2020.
[6] Svigelj, R.; Zuliani, I.; Grazioli, C.; Dossi, N.; Toniolo, R. An effective label-free electrochemical aptasensor based on gold nanoparticles for gluten detection. Nanomaterials, 2022.
[7] Svigelj, R.; Zuliani, I.; Dossi, N.; Toniolo, R. A portable electrochemiluminescence aptasensor for β-lactoglobulin detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2022.
Rossella Svigelj
Rossella Svigelj è ricercatrice presso l’Università degli Studi di Udine. Laureata in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche all’Università di Trieste, ha conseguito il dottorato di ricerca in Alimenti e Salute Umana a Udine, consolidando un profilo scientifico interdisciplinare tra chimica, biotecnologie e scienze alimentari. La sua attività di ricerca è focalizzata sullo sviluppo di biosensori innovativi per la rilevazione rapida e selettiva di allergeni e contaminanti emergenti negli alimenti, con l’obiettivo di contribuire al miglioramento della sicurezza e della qualità nel settore agroalimentare.
