Nuevas tecnologías en lenguas electrónicas para evaluar la calidad de productos lácteos

Abstract

This doctoral thesis focuses on the development of bioelectronic and electronic tongues based on advanced electrochemical sensors and biosensors, with the goal of improving quality control systems for dairy industry applications. These devices enable the detection of key compounds in liquid dairy products, overcoming the limitations of conventional methods by employing innovative technologies such as nanomaterials and enzymatic bioreceptors. The sensors were designed to optimize critical analytical parameters such as sensitivity, selectivity, and reproducibility, and were integrated into sensor networks to form electronic and bioelectronic tongues. The research centers on creating systems capable of analyzing milk samples, identifying adulterations, and assessing product quality through mathematical models that correlate with traditional techniques. The preparation, characterization, and evaluation of these sensors, as well as their implementation in quality control systems, are detailed in the scientific articles that form the core of this thesis. The studies conducted encompass various areas of research, including the design and development of advanced electrochemical sensors based on techniques such as potentiometry, voltammetry and impedance spectroscopy, as well as the integration of nanomaterials to enhance their electrocatalytic properties. Enzymatic biosensors capable of detecting multiple compounds present in milk, such as sugars and organic acids, were also implemented, with their response being optimized through chemical modification of the electrodes. Additionally, this work includes the development of a methodology for analyzing liquid milk samples, focusing on the detection of adulterations and the evaluation of the quality and integrity of the samples. Furthermore, advanced multivariate statistical methods were employed to process data obtained from the electronic tongues and to develop classification and prediction models. This doctoral thesis is structured in six different chapters. Chapter 1 outlines the current challenges in the dairy industry, along with the motivation and objectives of the research. The second chapter reviews the state of the art, highlighting the most advanced technologies in electronic tongues, electrochemical sensors, and biosensors, as well as their application in the food industry. Third chapter presents the research findings through five scientific articles, which describe advancements in the detection of adulterations, the classification of dairy samples, and the optimization of sensors. The fourth chapter offers the general conclusions and future perspectives of the work, emphasizing the contributions to the thesis to technological advancements in the dairy industry. Finally, the fifth and sixth chapters are dedicated to the bibliography and appendices, which include the publications, conferences, and research stays completed during the development of this thesis. The results of this doctoral thesis have allowed the development of new technologies based on electronic and bioelectronic tongues for quality control in the dairy industry. These systems provide an effective alternative to conventional methods, allowing for fast and accurate analysis of dairy products, with direct applications in improving the sector competitiveness and sustainability. The implementation of these technologies in smart production platforms promises to revolutionize quality control, ensuring the authenticity of products in real-time and contributing to the digital transformation of the industry within the framework of Industry 4.0.

La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de lenguas electrónicas y bioelectrónicas basadas en sensores y biosensores electroquímicos avanzados, con el objetivo para su aplicación ende mejorar el control de calidad de productos de la industria láctea. Estos dispositivos permiten mejorar la detección de compuestos clave en productos lácteos líquidos, superando las limitaciones de los métodos convencionales mediante el uso de tecnologías innovadoras, como nanomateriales y biorreceptores enzimáticos. Los sensores fueron diseñados para optimizar parámetros analíticos críticos, como la sensibilidad, selectividad y reproducibilidad, integrándose en redes de sensores que conforman lenguas electrónicas y bioelectrónicas sin olvidar otros parámetros clave como portabilidad y capacidad de actuar en las líneas de producción. La investigación se enfoca en la creación de sistemas capaces de analizar muestras de leche, identificar adulteraciones y evaluar la calidad de los productos mediante modelos matemáticos que correlacionan con técnicas tradicionales. La preparación, caracterización y evaluación de estos sensores, así como su implementación en sistemas de control de calidad, se detallan en los artículos científicos que conforman esta tesis. Los estudios realizados abarcan diversas líneas de trabajo, incluyendo el diseño y desarrollo de sensores electroquímicos avanzados basados en técnicas voltamétricas, potenciométricas e impedimétricas, así como la integración de nanomateriales para mejorar sus propiedades electrocatalíticas. También se han desarrollado biosensores enzimáticos capaces de detectar múltiples compuestos presentes en la leche, como azúcares y ácidos orgánicos, optimizando su respuesta a través de la modificación química de los electrodos. Estos trabajos también incluyen el desarrollo de una metodología para el análisis de muestras de leche líquida, con énfasis en la detección de adulteraciones y la evaluación de la calidad e integridad de las muestras. Asimismo, se utilizaron métodos estadísticos multivariantes avanzados para procesar los datos obtenidos a partir de las lenguas electrónicas y se desarrollaron modelos de clasificación y predicción. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El primer capítulo expone la problemática actual en la industria láctea, junto con la motivación y los objetivos de la investigación. El segundo revisa el estado del arte, destacando las tecnologías más avanzadas en lenguas electrónicas, sensores electroquímicos y biosensores, y su aplicación en la industria alimentaria. El tercer capítulo presenta los resultados de la investigación a través de cinco artículos científicos, donde se describen los avances en la detección de adulteraciones, la clasificación de muestras lácteas y la optimización de sensores. El cuarto capítulo ofrece las conclusiones generales y perspectivas futuras del trabajo, subrayando las contribuciones de la tesis al avance tecnológico en la industria láctea. Finalmente, el quinto y sexto capítulos están dedicados a la bibliografía y anexos, que incluyen las publicaciones, congresos y estancias realizadas durante el desarrollo de la tesis. Los resultados de esta tesis doctoral han permitido el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en lenguas electrónicas y bioelectrónicas para el control de calidad en la industria láctea. Estos sistemas ofrecen una alternativa eficaz a los métodos convencionales, proporcionando análisis rápidos y precisos de productos lácteos, con aplicaciones directas en la mejora de la competitividad y sostenibilidad del sector. La implementación de estas tecnologías en plataformas de producción inteligentes promete revolucionar el control de calidad, asegurando la autenticidad de los productos en tiempo real y contribuyendo a la transformación digital de la industria en el marco de la Industria 4.0.