د آية الخضرجي: أجهزة الاستشعار الحيوية في سلامة الأغذية ذات الأصل الحيواني

باحث  – معهد صحة الحيوان – مركز البحوث الزراعية- مصر       

تُعد المستشعرات الحيوية تقنية واعدة لتعزيز سلامة وجودة الأغذية ذات الأصل الحيواني بفضل قدرتها على الكشف السريع والدقيق عن الملوثات البيولوجية والكيميائية.

وتعتمد على دمج عنصر حيوي وآخر فيزيائي لإنتاج إشارة قابلة للقياس، وقد ساهمت تقنيات النانو والميكروفلويدكس في تحسين حساسيتها ودقتها. تُستخدم هذه المستشعرات للكشف عن مسببات الأمراض والسموم وبقايا المضادات الحيوية والهرمونات ومؤشرات التلف ومسببات الحساسية مع حساسية قياس تصل لمستويات جزء في البليون خلال زمن قياسي يتراوح من دقائق إلى ساعات.

تتميز الأغذية ذات الأصل الحيواني بقيمتها الغذائية العالية لكنها بطبيعتها عرضة للتلوث مما يجعلها سريعة التلف. والجدير بالذكر أن 600 مليون شخص في جميع أنحاء العالم يصابون كل عام بأمراض منقولة بالغذاء، وترتبط العديد من الحالات باللحوم والدواجن والمأكولات البحرية ومنتجات الألبان والبيض الملوثة.

تشمل المخاطر الشائعة مسببات الامراض المنقولة بالغذاء مثل السالمونيلا والليستيريا مونوسيتوجينيس والإشريشيا كولاى O157:H7 والكامبيلوباكتر والسموم البيولوجية الخاصة بالمأكولات البحرية والهيستامين في الأسماك.

تشمل المخاطر الكيميائية بقايا المضادات الحيوية (مثل الكلورامفينيكول الموجود في لحم البقر وكذلك المبيدات الحشرية والسموم (الأمينات الحيوية مثل الهيبوكسانثين في الأسماك الفاسدة والأفلاتوكسينات في منتجات الألبان). كما تعد المواد المسببة للحساسية (ألبومين البيض وكازين الحليب) وبقايا الهرمونات (عوامل الابتنائية، كلينبوتيرول) أهدافًا حاسمة أيضًا. تعقيد المصفوفات المشتقة من الحيوانات (الدهون، والبروتينات، والأيونات) يبطئ من عملية الكشف ويتطلب تكنووجيا حديثة ومتطورة تواكب التقدم في مجال البحث العلمي.

الإختبارات التقليدية (البكتريولوجية، الكروماتوغرافيا، ELISA) دقيقة ولكنها تستهلك الوقت اضافة الى التكلفة المرتفعة والبنية التحتية. في المقابل، توفر أجهزة الاستشعار الحيوية بدائل حساسة ومحددة وغالبًا ما تكون محمولة. كما يمكنها توفير مراقبة سريعة   في الموقع أو أثناء الإنتاج لسرعة الكشف ومنع وصول المنتجات الملوثة والتي تسبب ضرر على الصحة العامة لجموع المستهلكين.

على سبيل المثال، يمكن لأجهزة الاستشعار الحيوية الحديثة الكشف عن تلوث المنتج بالسالمونيلا في غضون دقائق بدلاً من أيام كما يمكنها مراقبة ظروف التخزين باستمرار (مثل الغازات الناتجة عن التلف) عبر التغليف الذكي. ويتيح التكامل مع الهواتف الذكية وإنترنت الأشياء وحتى تقنية البلوك تشين لإمكانية التتبع في الوقت الفعلي وتحليل البيانات في سلسلة الأغذية.

أنواع أجهزة الاستشعار الحيوية وآلية العمل

تصنف أجهزة الاستشعار الحيوية حسب عنصر التعرف الحيوي وآلية نقل الإشارة. تشمل المستقبلات الحيوية الشائعة: الإنزيمات (مثل الإنزيمات النازعة للهيدروجين والأوكسيديزا، والأجسام المضادة/الجلوبولين المناعي والأحماض النووية (مجسات الحمض النووي، والأبتامرات) بالاضافة الى الخلايا الكاملة أو العضيات والبدائل الاصطناعية (البصمات الجزيئية البوليمرية (Molecularly Imprinted Polymers; MIPs)).  يرتبط كل مستقبل بيولوجي بشكل نوعي وانتقائي مع المادة المستهدفة (مثل المستضدات أو جزيئات DNA) ويولد مع محول إشارة تتناسب طرديا مع تركيز المادة المستهدفة بالعينة.

اعتمادًا على نوعية محول الطاقة، غالبًا ما تُصنف المستشعرات الحيوية على أنها كهروكيميائية (أمبيرومترية، فولتية، مقاومة)، أو بصرية (لونية، فلورية، رنين البلازمون السطحي، تداخلية) ومستشعرات حساسة للكتلة (QCM، الكابولي)، بالاضافة الى المستشعرات الحرارية والمغناطيسية. تقيس المستشعرات الكهروكيميائية تغيرات التيار أو الجهد الناتجة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال (مثل H₂O₂) حيث تُترجم هذه التغيرات إلى إشارة كهربائية تتناسب مع تركيز المادة المحللة.

تكتشف المستشعرات الضوئية التغيرات في الضوء (الامتصاص، الاضاءة الفلورونسية، معامل الانكسار) عند ارتباط المادة المراد تحليلها. تراقب مستشعرات الرنين البلازموني السطحي تغيرات معامل الانكسار عندما ترتبط المواد المراد تحليلها بمستقبل مثبت على السطح. تقيس المستشعرات الحرارية التغيرات الحرارية الناتجة عن التفاعلات الكيميائية الحيوية.

المواد المستهدفة وأنواع العينات

تم تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية للأغذية ذات الأصل الحيواني من أجل مجموعة واسعة من المواد المستهدفة. وتشمل هذه المواد:

• مسببات الأمراض: تعد البكتيريا مثل سلالات السالمونيلا (Salmonella spp.) والليستيريا المونوسيتوجينيس (Listeria monocytogenes) والإشريشيا كولاي (E. coli O157:H7) والكامبيلو باكتر (Campylobacter) من أكثرها شيوعًا. الفيروسات ) نوروفيروس، التهاب الكبد (A في المحار والدواجن هي أهداف ناشئة.
• السموم والملوثات: يشمل هذا السموم الميكروبية (مثل سموم الشيغا، البوتولينوم توكسين) والسموم الفطرية (الأفلاتوكسين B₁ في الحليب وOTA في منتجات الألبان)  والسموم البيولوجية البحرية (الساكسيتوكسين في المحار والهيستامين في الأسماك الفاسدة). تندرج هنا أيضًا المخاطر الكيميائية مثل بقايا المبيدات الحشرية أو المعادن الثقيلة (Hg، Cd). يمكن أن تصل مستويات الكشف (LODs) إلى مستويات نانوغرام/مل (جزء في المليار أو جزء في التريليون) بالنسبة للسموم القوية.
• علامات التلف: مركبات تشير إلى نمو ميكروبي أو تحلل. ومن الأمثلة الشائعة الأمينات الحيوية (مثل الهستامين في الأسماك) ومركبات النيتروجين المتطايرة (TVB-N، الأمونيا). وغالبًا ما يتم استهداف هذه العوامل لمراقبة الطزاجة.
• المواد المسببة للحساسية: بروتينات البيض (أوفالبومين، أوفوموكويد)، وبروتينات الألبان (الكازين، β-لاكتوغلوبولين) هي المواد المسببة للحساسية الرئيسية في الأغذية الحيوانية. حيث حققت الأجهزة القائمة على الأبتامير وأجهزة الاستشعار المناعية حدود الكشف (LOD) في نطاق منخفض يبلغ ميكروغرام/كيلوغرام لمسببات الحساسية في بياض البيض.
• المتبقيات الضارة (المضادات الحيوية، الهرمونات، محفزات النمو): تتم مراقبة الأدوية البيطرية (التتراسيكلين، السلفوناميدات، الكلورامفينيكول، البيتا لاكتامات) ونظائر الهرمونات (مثل الزيرانول، كلينبوتيرول). غالبًا ما تقع الحدود القصوى المسموح بها (MRLs) التنظيمية في نطاق( ppb (µg/kg المنخفض.. لذا تهدف أجهزة الاستشعار إلى تحقيق حساسية مماثلة.
• مؤشرات التغذية والجودة: قد تستخدم المستشعرات في تقديربعض معايير جودة الغذاء (مثل الجلوكوز، اللاكتات، محتوى الدهون، مؤشرات الطراوة.

مقاييس أداء أجهزة الاستشعار الحيوية

تشمل مؤشرات الأداء الرئيسية لأجهزة الاستشعار الحيوية والحد الأدنى للقياس (LOD)، ووقت الاستجابة، ومدة الصلاحية. غالبًا ما تشير الحساسية إلى ميل منحنى المعايرة (الإشارة مقابل المادة المراد تحليلها)، في حين أن حد الكشف (LOD) هو أدنى تركيز يمكن تمييزه. تحقق العديد من أجهزة الاستشعار الحيوية الغذائية حدود الكشف (LOD) في مستعمرة واحدة من النموات البكتيرية (1 CFU/ml) للبكتيريا الممرضة أو (1 ppb (µg/L)) للمواد الكيميائية.

يختلف زمن الاستجابة في أجهزة الاستشعار الحيوية حسب النوع؛ فالأجهزة البصرية والكهروكيميائية تعطي نتائج سريعة خلال دقائق، بينما تقنيات تضخيم الأحماض النووية تحتاج وقتًا أطول قد يصل إلى ساعات. وغالبًا ما توفر أجهزة نقاط الرعاية نتائج خلال أقل من 30 دقيقة. كما تختلف مدة الثبات حسب عنصر التعرف الحيوي، إذ تكون المستشعرات الإنزيمية والمناعية أقل استقرارًا وتتطلب تبريدًا، بينما تتميز المستشعرات الاصطناعية مثل الأبتامرات وMIPs بثبات أعلى وقد تدوم لفترات طويلة. يتم تقييم الدقة والتكرار ومقارنتها بالطرق القياسية، وفقًا لمعايير ISO والاتحاد الأوروبي والايزو بحيث تحقق حساسية ودقة متقاربتين أو توافقًا مرتفعًا. تعد معايرة الجهاز (على سبيل المثال باستخدام معايير معروفة) أمرًا بالغ الأهمية، حيث يمكن أن تتسبب أنواع الأغذية (الدهون والبروتينات والأصباغ) في حدوث تداخل في الإشارة.

 الاتجاهات المستقبلية

يشير مستقبل أجهزة الاستشعار الحيوية إلى تطور كبير مدفوع بتقنيات النانو والمواد المتقدمة لزيادة الحساسية والاعتمادية، مع ظهور أجهزة مرنة وقابلة للارتداء أو الاستخدام مرة واحدة. كما ستتيح الأنظمة الذكية والذكاء الاصطناعي تحليل البيانات المعقدة والتنبؤ بالتلوث ومدة الصلاحية، في حين يتوقع دمج هذه التقنيات تدريجيًا ضمن الأطر التنظيمية الرسمية بعد استيفاء متطلبات التحقق والمعايير القياسية.

في الختام، تمثل أجهزة الاستشعار الحيوية أداة متقدمة وفعّالة لتعزيز سلامة وجودة الأغذية ذات الأصل الحيواني بفضل قدرتها على الكشف السريع والدقيق عن الملوثات. ورغم التحديات التقنية فإن التطورات في التكنولوجيا النانوية والذكاء الاصطناعي والتغليف الذكي تدعم تحسين أدائها وتوسيع تطبيقاتها. ومن المتوقع أن يسهم تبني هذه التقنيات في تحقيق رقابة غذائية أكثر كفاءة واستدامة وحماية أفضل للصحة العامة.