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Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Nuevos desarrollos en t i l t l ímateriales y tecnologías
de envasado de alimentosde envasado de alimentos
Ramón Catalá, Pilar Hernández-Muñoz y Rafael GavaraInstituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos. CSICg q y g
Av. Agustín Escardino 7, 46980 Paterna, Valenciae-mail: [email protected]
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
VII Congreso Español de Ingeniería de Alimentos. Ciudad Real, 7-9 de noviembre de 2012
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Directrices de la innovación en la tecnología de envases para alimentos
ConvenienciaCalidad y seguridadseguridad
ConsumidorConsumidor
Sostenibilidad
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Calidad y seguridadCalidad y seguridad
Alimentos saludables y seguros Alimentos adaptados a las necesidades y expectativasAlimentos adaptados a las necesidades y expectativas nutricionales y sensoriales del consumidorEtiquetado con información nutricional adecuadaEtiquetado con información nutricional adecuadaAusencia de contaminación microbiológica y químicaInformación y control de la vida útilInformación y control de la vida útilFormas y diseños de los envases que identifiquen el producto. Diseños simples y ergonómicos, imitación de p oduc o se os s p es y e go ó cos, ac ó deproductos naturales
Inviolabilidad de los envases, sin posibilidad de apertura ocasional, a prueba de niñosa prueba de niños, ….
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ConvenienciaConveniencia
Alimentos preparados para su consumo directo o i l b d l t á id tsemielaborados para completar rápidamente su
preparación Formatos dirigido a sectores específicos (familiarFormatos dirigido a sectores específicos (familiar, institucional, monoparental, dosis individuales)Formatos “street foods”. Fáciles de llevar para comerFormatos street foods . Fáciles de llevar para comer en cualquier lugarSoluciones multifuncionales (responden a varios requisitos del mercado -compartimentos para ingredientes, complementos para el consumo-….)E í il bild d t t bilid dErgonomía, apilabildad, transportabilidad Facilidad de apertura, recerrabilidad
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
SostenibilidadSostenibilidad
Materiales procedentes de fuentes renovables
Reducción de materiales (materia prima energía agua )Reducción de materiales (materia prima, energía, agua..)
“tan poco como sea posible y tanto como sea necesario”
Reducción de la huella de carbono. E di ñ d Di ñ
y tanto como sea necesario
Ecodiseño de envases: Diseño con materiales sostenibles, mínimos desperdicios en la fabricación, posibilidad p , pde recuperación y reutilización (rellenado), diseños adaptados a las modernas técnicas de la logística y distribucióntécnicas de la logística y distribución, reducción de residuos domésticos ….
Recuperación y reciclado de materiales yRecuperación y reciclado de materiales y envases
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Líneas de innovación en los materiales y en los envases
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Líneas de innovación en los Líneas de innovación en los materiales de envasemateriales de envase
Mejoras en las tecnologías de obtención y en las características y propiedades de los materiales t di i l (h j l t l tó id i )tradicionales (hojalata, papel y cartón, vidrio..)
mejora de los procesos productivos convencionales, con reducción del consumo de materias primas y mayorreducción del consumo de materias primas y mayor automatización y productividad desarrollo de nuevos materiales con mejora de propiedades
ífiespecíficas, nuevas formas y diseños
Fácil apertura con lámina termosellada
Envase autoenfriable
Bandeja cartón-PETTapas de apertura fácil para vidrio
Botella de hojalata
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Líneas de innovación en los Líneas de innovación en los materiales de envasemateriales de envase
Mejoras en las tecnologías de obtención y en las características y propiedades de los materiales tradicionales (hojalata, papel y cartón, vidrio..)
j d l d ti i lmejora de los procesos productivos convencionales, con reducción del consumo de materias primas y mayor automatización y productividad y y pdesarrollo de nuevos materiales con mejora de propiedades específicas, nuevas formas y diseños
Innovación y nuevos desarrollos en materialesInnovación y nuevos desarrollos en materiales plásticos
Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos
Innovación y nuevos desarrollos en Innovación y nuevos desarrollos en materiales plásticos y complejosmateriales plásticos y complejos
Mejoras en las tecnologías de fabricación y características de los polímeros convencionalescaracterísticas de los polímeros convencionales
Nuevos materiales • Polímeros de alta barrera, • Materiales con permeabilidad selectiva• Nanocompuestos (“nanocomposites”)• Biopolímeros • Polímeros activos
Nuevas tecnologías de fabricación de envases g(coinyección…..Nuevas formas y diseños
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Nuevos desarrollos en Nuevos desarrollos en materiales de alta barreramateriales de alta barrera
Nuevos polímeros (poliamidas aromáticas, polímeros de cristal líquido LCP poliaminoéteres policetonas alifáticas)cristal líquido -LCP-, poliaminoéteres, policetonas alifáticas),biopolímeros derivados de proteínas y mezclas…)
Complejos/mezclas con materiales no poliméricosComplejos/mezclas con materiales no poliméricos• Recubrimientos (AlOx, SiOx, recubrimientos orgánicos,
adhesivos, nanopartículas inorgánicas..), p g )
• Nanocomposites
Cuero PP/EVOH/PPTapa: PET-SiOxPET/MXD6/PET PET/PA/EVOH/CPP
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NanocompositesNanocomposites
• Dispersión de una carga inorgánica nanométrica (<100 nm) enuna matriz polimérica
• Se emplean básicamente arcillas de distinta naturaleza (montmorillonita, caolinita….), también nanotubos de carbón, nanoplacas de grafeno partículas orgánicasnanoplacas de grafeno, partículas orgánicas….
Bentonita sódica
• Mejora significativa de las propiedades mecánicas, térmicas y de barrera a gasesbarrera a gases
• Reducción de la velocidad de liberación de agentes activos presentes en el polímero
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EstructurasEstructuras nanocompuestasnanocompuestas::obtenciónobtención y y efectoefecto barrerabarrera
inmiscible intercalado exfoliado
Exfoliación, relación de aspecto, tortuosidad, reducción de la difusión
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Desarrollo de un Desarrollo de un nanocompositenanocomposite de de EVOH con bentonitaEVOH con bentonita
Desarrollo de un nanocomposite de EVOH-29 con un 2% nanopartículas de de bentonita
Proyección y binarización de la micrografia
Líneas de fl jo
Micrografía TEM
Líneas de flujo de un permeante
g
Ref: Cerisuelo JP et al., Modification induced by addition of a nanoclay in the functional and active properties of an EVOH film containing carvacrol for food packaging. J of Membrane Science (2012) ; http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.08.21
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Barrera a gases en películas de Barrera a gases en películas de nanocompositesnanocompositesde EVOH conteniendo 2% de bentonita de EVOH conteniendo 2% de bentonita
Permeabilidad a O2 y CO2 , evolución con la humedad
Permeabilidad O2 Permeabilidad CO2
Isotermas de sorción de agua a diferentes humedades
Ref: Cerisuelo JP et al., Modification induced by addition of a nanoclay in the functional and active properties of an EVOH film containing carvacrol for food packaging. J of Membrane Science (2012) ; http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.08.21
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Tendencias en el desarrollo de Tendencias en el desarrollo de nanocompositesnanocomposites
Mejora de propiedades mecánicas y barrera í áNanocomposites con nanopartículas orgánicas
Nanocomposites con biopolímeros (bionanocomposites)Nanocoposites activos antimicrobianos y antioxidantesNanocoposites activos antimicrobianos y antioxidantes
Desarrollo de Legislación específicaN h l i l ió ifi t i d l d it• No hay legislación especifica autorizando el uso de nanocompositespara alimentos
• Hay un escaso conocimiento sobre los posibles efectos de las ay u escaso co oc e to sob e os pos b es e ectos de asnanopartículas inorgánicas en el organismo humano (transporte a través de barreras biológicas, distribución en el cuerpo y posibles mecanismos de toxicidad )mecanismos de toxicidad..)
• Todos los materiales deben ser comunicados a la EFSA para su autorización
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Materiales plásticos procedentes de Materiales plásticos procedentes de fuentes renovables. fuentes renovables. BioplásticosBioplásticos
Plásticos: Polímeros sintéticos procedentes del petróleo• Consumo de materias primas no renovables (petróleo y
energía)• Difícil reutilización y reciclado• Difícil reutilización y reciclado• Generación de residuos de difícil eliminación
BIOPLÁSTICOSBioplástico: Biopolímeros procedentes de fuentes renovables
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BioplásticosBioplásticos
L bi lá ti bi lí d i t lLos bioplásticos son biopolímeros de origen natural procedentes de fuentes renovables Deben presentar características de biodegradabilidad yDeben presentar características de biodegradabilidad y propiedades mecánicas apropiadas para la utilización como materiales de envase y embalajey j
Biopolímero y Biodegradable no son términos equivalentes
L bi lí d d bl t bié dLos biopolímeros son degradables, pero también pueden ser degradables algunos plásticos producidos a partir del petróleo y degradados por microorganismospetróleo y degradados por microorganismos
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Clasificación de los polímeros degradablesClasificación de los polímeros degradables
Polímeros biodegradablesbiodegradables
Polímeros Polímeros petroquímicosBiopolímeros
Extraídos de biomasa
Sintetizados a partir de monómeros de biomasa
Producidos por microorganismos
policaprolactona(PCL)
poliesteramida(PEA)
polihidroxialcanoatos (PHA)polisacáridos proteínas lípidos
copoliésteres(PBSA)
almidóncelulosas
gomas quitosanos ac. poliláctico (PLA)
é
gelatinacolágenocaseinagluten
í otros poliéstereszeína
REf: M.J.John, S.Thomas. Carbohydrate Polymers 71,343-364,2008
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Fuentes para la obtención de bioplásticosFuentes para la obtención de bioplásticos
Primera generación de bioplásticos: Bi lí di t t t íd d t i t l ( l idóBiopolímeros directamente extraídos de materias naturales (almidón, celulosa, zeína, gelatina, colágeno…)Biopolímeros producidos por microorganismos o bacterias modificados genéticamente (polihidroxialcanoatos PHA celulosa bacteriana)genéticamente (polihidroxialcanoatos –PHA-, celulosa bacteriana)Biopolímeros creados por síntesis química de monómeros obtenidos de fuentes renovables (derivados del ácido láctico –PLA-)
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Biopolímeros utilizados para envasesBiopolímeros utilizados para envases
Materiales implantados comerciales D i d d l lDerivados de celulosaDerivados de almidónDerivados de ácido poliláctico (PLA)Derivados de ácido poliláctico (PLA)Copoliésteres
Materiales emergentesPolihidroxialcanoatos (PHA)D i d d t íDerivados de proteínas
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Usos de los biopolímeros para envasesUsos de los biopolímeros para envases
BiopolímerosBiopolímeros
Recubrimientos comestibles Envasescomestibles
Consumo directoEnvasado con menores exigencias menores exigencias
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Fuentes para la obtención de bioplásticosFuentes para la obtención de bioplásticos
Primera generación de bioplásticos: Bi lí di t t t íd d t i t l ( l idóBiopolímeros directamente extraídos de materias naturales (almidón, celulosa, zeína, gelatina, colágeno…)Biopolímeros producidos por microorganismos o bacterias modificados genéticamente (polihidroxialcanoatos PHA celulosa bacteriana)genéticamente (polihidroxialcanoatos –PHA-, celulosa bacteriana)Biopolímeros creados por síntesis química de monómeros obtenidos de fuentes renovables (derivados del ácido láctico –PLA-)
Segunda generación de bioplásticos: Polímeros convencionales (PE, PET, PA…) obtenidos a partir de fuentes naturales (caña de azúcar, remolacha azucarera y subproductos.…)azucarera y subproductos.…)
Se está comercializando PE obtenido a partir de alcohol de la caña de azúcar, PET con polietilenglicol obtenido de caña de azúcar..
Tercera generación de bioplásticos: Polímeros convencionales y biopolímeros (PHA) obtenidos a partir de fuentes no alimentarias (algas, residuos de aceites industriales, desechos industriales…..)
Se está iniciando el desarrollo pero no se espera implantación industrial antes del 2016
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Producción Producción de bioplásticosde bioplásticos
Producción mundial en 2001: 1.161.200 tonProducción estimada para 2016: 5.800.000 ton
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Tendencias en el desarrollo de Tendencias en el desarrollo de bioplásticosbioplásticos
• Mejora de tecnologías de obtención y propiedades, y reducción de precios de biopolímeros de primera generación (PLA, PHA, derivadosprecios de biopolímeros de primera generación (PLA, PHA, derivados de almidón, celulosa, proteínas….)
• Desarrollo materiales con propiedades “a la carta” con mezclas de bi lí t t i l d d blbiopolímeros y con otros materiales degradables
• Fuerte crecimiento comercial de los polímeros convencionales (PE, PET, PA e iniciando PP) procedentes de fuentes renovables , e c a do ) p ocede tes de ue tes e o ab es
• Desarrollo de nuevos biopolímeros (polifuranoato de etileno -PEF-como alternativa al PET…)
• Desarrollo comercial de los polímeros convencionales y biopolímeros obtenidos a partir de fuentes no alimentarias (polímeros de tercera generación)g )
• Desarrollo de bionanocomposites (nanocomposites con bioplímeroscomo material base)
• Material base para el desarrollo de materiales activos antioxidantes y antimicrobianos
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Polímeros activosPolímeros activos
Polímeros activos: Polímeros que incorporan deliberadamente componentes que transmitan sustanciasdeliberadamente componentes que transmitan sustancias a los alimentos envasados o al entorno de éstos o que absorban sustancias de los alimentos envasados o del entorno de éstos
Polímeros que retienen/eliminan componentes del alimentoOxígeno, dióxido de carbono, humedad, etileno, aromas, componentes indeseables –olores, colesterol-,……..p , ,
Polímeros que aportan componentes beneficiosos al alimentoAntioxidantes, aromas, conservantes químicos, CO2, antimicrobianos, componentes funcionales,……..
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Líneas de innovación en las Líneas de innovación en las tecnologías de envasado de alimentostecnologías de envasado de alimentosMejora y extensión del uso de técnicas actuales y desarrollo
de nuevas técnicas de conservación y envasado de alimentos:
nuevos tratamientos térmicos y tecnologías de envasado asépticotratamientos no térmicos. Altas presiones………envasado en atmósferas modificadasirradiacióntratamientos combinados
Desarrollo y extensión del uso de sistemas de envasado activo e inteligente
Nuevos desarrollos en las líneas de envasado: sistemas de dosificación y llenado, control electrónico, robotización, flexibilidad, modularidad,………
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Tecnologías de envasado activo Tecnologías de envasado activo
+
Tecnologías de envasado activoAumentar la seguridad
Mantener la calidad
g
Alargar la vida útil
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Formación del envase activoFormación del envase activo
Presente en el interior del envase junto con el producto envasado, aunque separadocon el producto envasado, aunque separado del mismo (El elemento activo se presenta generalmente en pequeñas bolsas o etiquetas de material permeable, que se introducen en el envase)que se introducen en el envase)
• Presencia de elementos extraños en el interior del envase: posible rechazo por el consumidorSustancia
activa p p• Mayor complejidad en la tecnología de envasado• Posible toxicidad por contaminación circunstancial
activa
Formando parte del material de envase
Creciente interés en la utilización de matrices poliméricas con biopolímeros o polímeros degradables y agentes activos naturales
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Tecnologías de envases activosTecnologías de envases activosSistemas que retienen/eliminan componentes del alimento
• Oxígeno, • HumedadHumedad• CO2• Etileno• AromasAromas• Sustancias indeseables…….
Sistemas que aportan componentes beneficiosos al alimento• Antioxidantes• Aromas• Conservantes químicos, q ,• CO2• Antimicrobianos• Componentes funcionales……..p
Otros sistemas activos• Susceptores de microondasp• Envases autocalentables y autoenfriables• Materiales con permeabilidad selectiva……..
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Envases activos antimicrobianosEnvases activos antimicrobianos
El desarrollo de microorganismos es la principal causa de deterioro de gran número de alimentoscausa de deterioro de gran número de alimentos
Creciente demanda de alimentos frescos o con tratamientos mínimos, que no siempre pueden garantizar su seguridadmínimos, que no siempre pueden garantizar su seguridad
La aplicación directa de agentes antimicrobianos sobre la superficie (por pulverización ó inmersión) no siempre es f S á d d f ó l l f d defectiva. Su rápida difusión al interior limita su efectividad
sobre la microbiota superficial
E d ti ti i bi
Alternativa:
Envasado activo antimicrobiano
El envasado antimicrobiano consigue mejorar la calidad y vida g j yútil de los alimentos controlando la presencia y crecimiento de microorganismos alterantes y patógenos
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Características de los sistemas activos antimicrobiano
Materiales que liberan sustancias antimicrobianas incorporadasV látil (SO Cl O t l i lil 2 látilVolátiles (SO2, Cl2O, etanol, imazalil, 2-nonanonao volátilesNo volátiles (Bacteriocinas -nisina, lacticina, pediocina...-Isocianatode alilo, benzoato, sorbato …
Materiales con sustancia antimicrobianas inmobilizadas en la superficie (sales de Ag en zeolitas…)Materiales antimicrobianos (quitosano alginatos poliamidasMateriales antimicrobianos (quitosano, alginatos, poliamidas irradiadas...)
nal
rera fu
ncion
lm Activo
AlimentoAlimentoFilm Activo Alimento Film Activo
Bar Fil
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Desarrollo de un sistema activo antimicrobiano con LAE en EVOH (1)
Matriz polimérica: EVOH 29 ; EVOH 44Agente antimicrobiano: LAE (Monohidrocloruro de éster etílico de N-g (lauroil-L-arginina al 5 y 10%Preparación de las películas: Extensión evaporación (casting)
Películas de EVOH con 5% de LAE
Películas de 15-20μm, incoloras, transparentes y flexibles
REFERENCIA: Galve C.: Desarrollo y caracterización de EVOH con LAE como material activo antimicrobiano para el envasado de alimentos. TFC Universidad Politécnica de Valencia. Pendiente de presentación
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Desarrollo de un sistema activo antimicrobiano con LAE en EVOH (2)
Evaluación de la actividad antimicrobiana
Ensayos de difusión en agar 0% % 0%Ensayos de difusión en agar. Halo de inhibición producido por las películas de EVOH 29 con 0 5 y 10 % de LAE frente
0% LAE 5% LAE 10% LAE
con 0, 5 y 10 % de LAE frente a L. innocua.
Ensayos en medio líquido.Efecto antimicrobiano (UFC/mL) a 37ºC de las películas de EVOH 2937ºC de las películas de EVOH 29 con 5 y 10% de LAE en medio líquido inoculado con L .inocua o E. coli
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Desarrollo de un sistema activo antimicrobiano con LAE en EVOH (3)( )
Aplicación práctica de las películas de EVOH con LAE en caldo de pollo preparado inoculado con L. innocua y E. coli
Inhibición del crecimiento de E. coli en un caldo de pollo preparado inoculado, en presencia de películas de EVOH 29 y 44 con 0, 5 y 10% de LAE, durante 10 días de almacenamiento a 4ºC
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Envases inteligentesEnvases inteligentes
Envase inteligente: Envase capaz de efectuar una función inteligente (detectar mostraruna función inteligente (detectar, mostrar, comunicar,…) para facilitar una decisión que
it t d l id útil t lpermita extender la vida útil, aumentar la seguridad, mejorar la calidad, proporcionar i f ió i d ibl blinformación y avisar de posibles problemas.
El envase inteligente implica al sistema completoEl envase inteligente implica al sistema completo envase/producto/ entorno. El envase inteligente analiza el sistema procesa la información y laanaliza el sistema, procesa la información y la presenta. El envase activo realiza la acción.
Ambas funciones no son excluyentes
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Sistemas inteligentesSistemas inteligentes
Etiquetas o rótulos que facilitan la información y i ió t l d i i d dcomunicación para tomar las decisiones adecuadas
par mantener la calidad, seguridad y vida útil
Sistemas portadores de datos:» Códigos de barras» Identificación por radio frecuencia» Códigos QR
Indicadores incidencias en el envasado:» Indicadores tiempo/temperatura» Indicadores modificación de la atmósfera
de envasado. Sensores de gases» Indicadores de frescura. Biosensores
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Etiquetado inteligenteEtiquetado inteligente
Códigos QR Cód gos Q
Etiqueta t ó i
Etiqueta RFID
termocrómicaInforma de la
temperatura l dalcanzada
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Indicadores Indicadores de incidencias en el envasadode incidencias en el envasado
I di d lt ió d dI di d d i Indicador alteración de pescado(Cox Technologies, USA)
Indicador de tiempo –temperatura (Fresh Check® Indicator,Temptimecorp,USA)
Indicador de estado de madurez (RipeSenseTM,,Nueva Zelanda)
I di d d i ió l O
Indicador de frescura de carnes (SensorQ (Food Quality Sensor
I t ti l FQSI USA) Indicador de exposición al O2 (Ageless Eye. (Keepsafe Systems, Canadá)
International –FQSI-, USA)
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BiosensoresBiosensores
Mecanismo analítico compacto que detecta y transmite información referente a reacciones bioquímicas que tienen lugar en el producto envasado.Generalmente consta de dos componentes primarios: un bi t l i d litbioreceptor que reconoce la presencia de un analitodeterminado y un transductor que lo convierte en una señal cuantificable.
- El bioreceptor puede ser un material orgánico o biológico (enzima, hormona, microorganismo, antígeno, ácido nucleico….), específico de la reacción a controlarespecífico de la reacción a controlar.- El transductor puede actuar con señales electroquímicas, ópticas, acústica, dependiendo del parámetro a medir
Perspectivas: indicadores de fin de vida útilPerspectivas: indicadores de fin de vida útil