Llengües (bio)electròniques aplicades a l'anàlisi i caracterització de begudes

Abstract

En els darrers anys, s’ha observat una creixent demanda de nous mètodes analítics capaços d’oferir el màxim de informació analítica amb el mínim “esforç” possible, els quals són necessaris per tal d’assolir els nous reptes en camps tals com el monitoratge ambiental, la seguretat alimentària i la salut pública. En aquest sentit, la indústria està molt interessada en el desenvolupament de mètodes ràpids i de baix cost que puguin ser utilitzats de forma rutinària com a cribratge (screening analysis) per tal de detectar qualsevol adulteració o contaminació del producte ja sigui durant la seva elaboració o per comprovar que compleixen els estàndards de control de qualitat. En aquest sentit, les línies clàssiques de investigació en el camp dels sensors químics s’han centrat en el desenvolupament de dispositius cada vegada més selectius envers espècies determinades, i al mateix temps amb una major sensibilitat i menor límit de detecció. Malauradament, es disposa de molts pocs sensors químics que operin de forma òptima i sense cap interferència o efecte matriu en les condicions requerides en els casos de mostres reals. Precisament, la dificultat per obtenir sensors amb una selectivitat i sensibilitat apropiada per qualsevol analit, ha estat la que ha donat pas a l’aparició de noves estratègies com és el cas de les llengües electròniques per tal de donar resposta a aquests problemes. Aquests sistemes analítics consisteixen en la imitació del sentit de gust dels mamífers, on uns pocs receptors són capaços de respondre a una gran varietat de substàncies, un principi que juntament amb una etapa complexa de tractament de la informació anàloga a la que té lloc en el cervell, permet la quantificació o classificació d’un gran nombre de substàncies. Aquests sistemes biomimètics, en oposició als sistemes clàssics, estan basats en la combinació de matrius de sensors amb una baixa selectivitat i/o una resposta creuada per tal d’obtenir un valor afegit en la generació de la informació analítica. Un dels darrers avanços en el disseny de llengües electròniques ha estat la incorporació de biosensors per tal de fer front a nous camps d’aplicació o millorar els ja existents. Aquests sistemes, coneguts com a llengües bioelectròniques, només es distingeixen dels convencionals en la incorporació d’un o més biosensors en la matriu de sensors que formarà la llengua electrònica, normalment compartint el mateix principi de detecció per tal de facilitar la compatibilitat entre ells. En aquest marc, el present treball pretén demostrar l’aplicabilitat d’aquests sistemes en l’anàlisi i caracterització de begudes, en el sector vinícola i de les begudes alcohòliques, tant per l’extracció de informació qualitativa i identificació de classes com per la quantificació de paràmetres d’interès analític, responent en ambdós casos a les necessitats corresponents en cada sector. Concretament, s’ha estudiat l’aplicació d’aquestes eines en el cava, el brandi, la cervesa i el vi; quatre dels sectors més importants en quant a begudes alcohòliques en el nostre país. A més, donada la importància que han assolit els compostos fenòlics en els darrers anys degut a la seva activitat antioxidant, beneficiosa per a la salut, s’ha abordat la quantificació d’aquests tant a nivell global com la discriminació individual; abordant la seva detecció a partir d’una llengua electrònica clàssica i d’una llengua bioelectrònica, comparant així els beneficis derivats de la incorporació de biosensors en la matriu de la llengua. Per últim, donada la dificultat que genera el tractament de les dades generades amb aquests sistemes, especialment en el cas dels sensors voltamperomètrics, també s’ha treballat en el desenvolupament i aplicació de noves estratègies de processament per tal de reduir-ne la complexitat i millorar els resultats obtinguts; comparant a més les diferents estratègies proposades entre elles.

Over the last years, there has been an increasing demand of new analytical methods with the high sensitivity and selectivity, and fast response needed to meet new challenges in environmental monitoring, food safety and public health. In this fashion, industry is increasingly focused on fast-response and low-cost methods, as those based on chemical sensors, that may be used for screening or detecting any adulteration or contamination of the products, either during or after its production, or to assess they guarantee quality control standards. In this sense, classical research lines in the field of chemical sensors have focused on the development of ever more selective devices towards a particular species, and sensitive to lower concentrations at the same time. Unfortunately, there are few optimally operating chemical sensors that function without any interference or matrix effect in the required conditions when dealing with real samples analysis. Precisely, the difficulty to obtain sensors with appropriate selectivity and sensitivity for a given analyte has led to the appearance of new strategies such as electronic tongues in order to tackle these problems. These analytical systems are inspired by the sensory ability of taste in mammals, where a few receptors can respond to a large variety of substances. This principle is coupled with complex data treatment analogous to the applied in the brain, which allows to quantify or to classify a large amount of substances. These biomimetic systems, opposed to conventional approaches, are directed towards the combination of low selectivity sensors array response (or cross response features) in order to obtain some added value in the generation of analytical information. One of the recent advances in the design of electronic tongues has been the incorporation of biosensors, in order to tackle new application fields or to improve existing ones. These bioelectronic tongues, as they have been named, are only distinguished from conventional ones in the incorporation of one or several biosensors into the sensor array, normally sharing the same transduction principle to facilitate compatibility. In this context, the work presented herein aims to demonstrate the applicability of these systems towards the analysis and characterization of beverages, specifically towards wine and alcoholic beverages, either for the extraction of qualitative information and its classification or the quantification of analytical parameters of interest, responding in both cases to the needs of each sector. Concretely, its application towards cava wine, brandy, beer and wine has been studied; the most important sectors in terms of alcoholic beverages in our country. Additionally, given the importance that phenolic compounds have achieved in the recent years due to its antioxidant activity, with huge health benefits, the quantification of these compounds has been addressed from both points of view: its global content and the individual discrimination; tackling it using either a classical electronic tongue and a bioelectronic tongue, comparing the benefits of the incorporation of biosensors in the e-tongue array. Lastly, given the difficulties derived in the treatment of the data generated with such systems, specially in the case of voltammetric sensors, much attention has been paid to the development and application of novel processing strategies in order to reduce its complexity and improve the obtained results; besides comparing the different proposed strategies between each other.