Пищевая инженерия

Пищевая инженерия — это научная, академическая и профессиональная область, которая интерпретирует и применяет принципы инженерии, науки и математики к производству и операциям с продуктами питания, включая обработку, производство, обработку, хранение, консервацию, контроль, упаковку и распределение продуктов питания. Учитывая ее зависимость от пищевой науки и более широких инженерных дисциплин, таких как электротехника, механика, гражданское, химическое, промышленное и сельскохозяйственное машиностроение, пищевая инженерия считается междисциплинарной и узкой областью.

Из-за сложной природы пищевых материалов пищевая инженерия также объединяет изучение более конкретных химических и физических концепций, таких как биохимия, микробиология, пищевая химия, термодинамика, явления переноса, реология и теплопередача. Пищевые инженеры применяют эти знания для экономически эффективного проектирования, производства и коммерциализации устойчивых, безопасных, питательных, здоровых, привлекательных, доступных и высококачественных ингредиентов и продуктов питания, а также для разработки пищевых систем, машин и приборов.

История

Пищевая инженерия

Хотя пищевая инженерия является относительно новой и развивающейся областью исследований, она основана на давно устоявшихся концепциях и видах деятельности. Традиционным направлением пищевой инженерии было сохранение, которое включало стабилизацию и стерилизацию продуктов питания, предотвращение порчи и сохранение питательных веществ в продуктах питания в течение длительных периодов времени. Более конкретные традиционные виды деятельности включают обезвоживание и концентрацию продуктов питания, защитную упаковку, консервирование и сублимацию. Развитие пищевых технологий во многом было обусловлено и подстегнуто войнами и длительными путешествиями, включая космические миссии, где для выживания были необходимы долгосрочные и питательные продукты. Другие древние виды деятельности включают процессы измельчения, хранения и ферментации. Хотя несколько традиционных видов деятельности по-прежнему вызывают беспокойство и составляют основу современных технологий и инноваций, в последнее время фокус пищевой инженерии сместился на качество продуктов питания, безопасность, вкус, здоровье и устойчивость.

Применение и практика

Образование и обучение

Ниже приведены некоторые из приложений и методов, используемых в пищевой инженерии для производства безопасной, здоровой, вкусной и экологически чистой пищи:

Охлаждение и заморозка

Приложения Nuvola

Основная цель охлаждения и/или заморозки пищевых продуктов — сохранение качества и безопасности пищевых материалов. Охлаждение и заморозка способствуют сохранению скоропортящихся продуктов и сохранению некоторых факторов качества продуктов, таких как внешний вид, текстура, вкус, аромат и питательная ценность. Заморозка продуктов замедляет рост бактерий, которые могут потенциально нанести вред потребителям.

Испарение

Автоматизация производства Робототехника Укладка хлеба на поддоны

Выпаривание используется для предварительной концентрации, увеличения содержания твердых веществ, изменения цвета и уменьшения содержания воды в пищевых продуктах и ​​жидких продуктах. Этот процесс чаще всего наблюдается при обработке молока, производных крахмала, кофе, фруктовых соков, овощных паст и концентратов, приправ, соусов, сахара и пищевого масла. Выпаривание также используется в процессах дегидратации пищевых продуктов. Целью дегидратации является предотвращение роста плесени в пищевых продуктах, которая образуется только при наличии влаги. Этот процесс может применяться, например, к овощам, фруктам, мясу и рыбе.

Упаковка

ПроизводствоCookies

Технологии упаковки пищевых продуктов используются для продления срока годности продуктов, стабилизации продуктов питания (сохранения вкуса, внешнего вида и качества) и поддержания чистоты, защищенности и привлекательности продуктов для потребителя. Этого можно достичь, например, упаковывая продукты питания в банки и банки. Поскольку производство продуктов питания создает большое количество отходов, многие компании переходят на экологически чистую упаковку, чтобы сохранить окружающую среду и привлечь внимание экологически сознательных потребителей. Некоторые типы экологически чистой упаковки включают пластик, изготовленный из кукурузы или картофеля, биокомпостируемый пластик и бумажные изделия, которые распадаются, а также переработанное содержимое. Несмотря на то, что переход на экологически чистую упаковку оказывает положительное влияние на окружающую среду, многие компании находят другие преимущества, такие как сокращение избыточного упаковочного материала, помощь в привлечении и удержании клиентов и демонстрация того, что компании заботятся об окружающей среде.

Энергия для пищевой промышленности

Для повышения устойчивости пищевой промышленности необходимы энергоэффективность и рекуперация отработанного тепла. Замена традиционных энергоемких пищевых процессов новыми технологиями, такими как термодинамические циклы и нетермические процессы нагрева, обеспечивает еще один потенциал для снижения потребления энергии, снижения производственных затрат и повышения устойчивости в производстве продуктов питания.

Теплопередача в пищевой промышленности

Теплопередача важна при обработке практически всех коммерческих пищевых продуктов и важна для сохранения гигиенических, питательных и сенсорных качеств продуктов. Методы теплопередачи включают индукцию, конвекцию и излучение. Эти методы используются для создания изменений физических свойств продуктов при замораживании, выпечке или жарке во фритюре, а также при применении омического нагрева или инфракрасного излучения к продуктам питания. Эти инструменты позволяют инженерам пищевой промышленности вводить новшества в создание и преобразование пищевых продуктов.

Системы управления безопасностью пищевых продуктов (FSMS)

Система управления безопасностью пищевых продуктов (FSMS) — это «систематический подход к контролю опасностей, связанных с безопасностью пищевых продуктов, в рамках бизнеса с целью обеспечения безопасности пищевых продуктов для потребления». В некоторых странах FSMS является юридическим требованием, которое обязывает все предприятия по производству пищевых продуктов использовать и поддерживать FSMS, основанную на принципах анализа рисков и критических контрольных точек (HACCP). HACCP — это система управления, которая решает проблему безопасности пищевых продуктов посредством анализа и контроля биологических, химических и физических опасностей на всех этапах цепочки поставок пищевых продуктов. Стандарт ISO 22000 определяет требования к FSMS.

Новые технологии

Следующие технологии, которые продолжают развиваться, внесли свой вклад в инновации и совершенствование методов пищевой инженерии:

Трехмерная печать еды

Трехмерная (3D) печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс использования цифровых файлов для создания трехмерных объектов. В пищевой промышленности 3D-печать продуктов питания используется для обработки слоев продуктов питания с использованием компьютерного оборудования. Процесс 3D-печати медленный, но со временем совершенствуется с целью снижения затрат и времени обработки. Некоторые из успешных продуктов питания, которые были напечатаны с помощью 3D-технологии, включают: шоколад, сыр, глазурь для тортов, индейку, пиццу, сельдерей и другие. Эта технология постоянно совершенствуется и имеет потенциал для предоставления экономически эффективной, энергоэффективной пищи, которая соответствует пищевой стабильности, безопасности и разнообразию.

Биосенсоры

Биосенсоры могут использоваться для контроля качества в лабораториях и на различных этапах обработки пищевых продуктов. Биосенсоры — это один из способов, с помощью которого фермеры и переработчики пищевых продуктов адаптировались к мировому росту спроса на продукты питания, сохраняя при этом высокое качество и производство продуктов питания. Кроме того, поскольку миллионы людей страдают от пищевых заболеваний, вызываемых бактериями и вирусами, биосенсоры становятся важным инструментом для обеспечения безопасности продуктов питания. Они помогают отслеживать и анализировать качество продуктов питания на нескольких этапах цепочки поставок: при обработке продуктов питания, доставке и коммерциализации. Биосенсоры также могут помочь в обнаружении генетически модифицированных организмов (ГМО), чтобы помочь регулировать продукты ГМО. С развитием технологий, таких как нанотехнологии, качество и применение биосенсоров постоянно улучшаются.

Пастеризация молока с помощью микроволн

Когда условия хранения молока контролируются, молоко, как правило, имеет очень хороший вкус. Однако окисленный привкус является проблемой, которая отрицательно влияет на вкус и безопасность молока. Чтобы предотвратить рост патогенных бактерий и продлить срок хранения молока, были разработаны процессы пастеризации. Было изучено и разработано микроволновое молоко для предотвращения окисления по сравнению с традиционными методами пастеризации молока, и был сделан вывод, что молоко имеет лучшее качество, если оно прошло микроволновую пастеризацию молока.

Образование и обучение

В 1950-х годах пищевая инженерия стала академической дисциплиной, когда несколько университетов США включили пищевую науку и пищевую технологию в свои учебные программы, и появились важные работы по пищевой инженерии. Сегодня учебные заведения по всему миру предлагают степени бакалавра, магистра и доктора в области пищевой инженерии. Однако из-за уникального характера пищевой инженерии ее обучение чаще предлагается как раздел более широких программ по пищевой науке, пищевой технологии, биотехнологии или сельскохозяйственной и химической инженерии. В других случаях учреждения предлагают образование в области пищевой инженерии через концентрации, специализации или второстепенные предметы. Кандидаты на пищевую инженерию получают многопрофильную подготовку в таких областях, как математика, химия, биохимия, физика, микробиология, питание и право.

Пищевая инженерия все еще растет и развивается как область изучения, и академические программы продолжают развиваться. Будущие программы по пищевой инженерии могут измениться из-за текущих проблем в пищевой промышленности, включая биоэкономику, продовольственную безопасность, рост населения, безопасность пищевых продуктов, изменение пищевого поведения, глобализацию, изменение климата, стоимость энергии и изменение в цепочке создания стоимости, цены на ископаемое топливо и устойчивость. Для решения этих проблем, которые требуют разработки новых продуктов, услуг и процессов, академические программы включают инновационные и практические формы обучения. Например, некоторые университеты принимают инновационные лаборатории, исследовательские программы и проекты с пищевыми компаниями и производителями оборудования. Кроме того, появляются конкурсы по пищевой инженерии и конкурсы из других научных дисциплин.

С ростом спроса на безопасную, устойчивую и здоровую пищу, а также на экологически чистые процессы и упаковку, существует большой рынок труда для потенциальных сотрудников в области пищевой инженерии. Пищевые инженеры обычно работают в пищевой промышленности, академических кругах, государственных учреждениях, исследовательских центрах, консалтинговых фирмах, фармацевтических компаниях, фирмах здравоохранения и предпринимательских проектах. Описания работы включают, помимо прочего, пищевого инженера, пищевого микробиолога, биоинженерию/биотехнологию, питание, прослеживаемость, безопасность пищевых продуктов и управление качеством.

Вызовы

Устойчивость

Пищевая инженерия оказывает негативное воздействие на окружающую среду, например, выброс большого количества отходов и загрязнение воды и воздуха, что должно быть учтено инженерами пищевой промышленности в будущем развитии операций по производству и переработке продуктов питания. Ученые и инженеры экспериментируют разными способами, чтобы создать улучшенные процессы, которые уменьшают загрязнение, но их необходимо продолжать совершенствовать, чтобы достичь устойчивой цепочки поставок продуктов питания. Инженеры пищевой промышленности должны пересмотреть текущие практики и технологии, чтобы сосредоточиться на повышении производительности и эффективности при одновременном снижении потребления воды и энергии и уменьшении количества производимых отходов.

Рост населения

Несмотря на то, что поставки продовольствия ежегодно увеличиваются, также наблюдается рост числа голодающих. Ожидается, что к 2050 году население мира достигнет 9-10 миллиардов человек, и проблема недоедания остается приоритетной. Для достижения продовольственной безопасности инженеры по продуктам питания должны решать проблему нехватки земли и воды, чтобы обеспечить достаточный рост и продовольствие для недоедающих людей. Кроме того, производство продуктов питания зависит от земельных и водных ресурсов, которые испытывают стресс по мере увеличения численности населения. Растет давление на земельные ресурсы, вызванное ростом населения, что приводит к расширению пахотных земель; это обычно включает в себя уничтожение лесов и эксплуатацию пахотных земель. Инженеры по продуктам питания сталкиваются с проблемой поиска устойчивых способов производства, чтобы адаптироваться к растущему населению.

Здоровье человека

Инженеры по пищевым продуктам должны адаптировать пищевые технологии и операции к недавней потребительской тенденции потребления здоровой и питательной пищи. Чтобы обеспечить продукты питания этими качествами и на благо здоровья человека, инженеры по пищевым продуктам должны работать в сотрудничестве с профессионалами в других областях, таких как медицина, биохимия, химия и потребительство. Необходимо разрабатывать новые технологии и практики для увеличения производства продуктов питания, которые оказывают положительное влияние на здоровье человека.