Инжиниринг пищевых и биологических процессов

Инженерия пищевых и биологических процессов — это дисциплина, занимающаяся применением принципов инженерии в области производства и распределения продуктов питания, а также биологии. Это широкая область, в которой работники выполняют самые разные роли: от проектирования оборудования для пищевой промышленности до генетической модификации организмов. ^[1]^[2] В некотором смысле это объединенная область, основанная на дисциплинах пищевой науки и биологической инженерии, направленная на улучшение запасов продовольствия на Земле .

Создание, обработка и хранение продуктов питания для поддержания населения мира требует обширных междисциплинарных знаний. существует множество биологической инженерии процессов Примечательно, что в пищевой инженерии , позволяющих манипулировать множеством организмов, участвующих в нашей сложной пищевой цепи. Безопасность пищевых продуктов , в частности, требует биологических исследований, чтобы понять, какие микроорганизмы задействованы и как они влияют на человека. Однако другие аспекты пищевой инженерии, такие как хранение и обработка продуктов питания, также требуют обширных биологических знаний как о продуктах питания, так и о населяющих их микроорганизмах. Эти знания в области пищевой микробиологии и биологии становятся биологической инженерией, когда создаются системы и процессы для поддержания желаемых свойств пищевых продуктов и микроорганизмов, обеспечивая при этом механизмы устранения неблагоприятных или опасных. ^[3]

Концепции

В области разработки пищевых и биологических процессов задействовано множество различных концепций. Ниже перечислены несколько основных из них.

Пищевая наука

Наука, лежащая в основе продуктов питания и их производства, предполагает изучение того, как ведут себя продукты питания и как их можно улучшить. Исследователи анализируют долговечность и состав (т. е. ингредиенты, витамины, минералы и т. д.) пищевых продуктов, а также способы обеспечения их безопасности. ^[4]

Генная инженерия

Современная технология пищевых и биологических процессов во многом зависит от применения генетических манипуляций. Понимая растения и животных на молекулярном уровне, ученые могут создавать их с конкретными целями. ^[2]

Среди наиболее заметных применений такой генной инженерии — создание растений, устойчивых к болезням или насекомым, например, модифицированных для производства Bacillus thuringiensis , бактерии, которая убивает определенные штаммы насекомых при употреблении в пищу. ^[5] Однако насекомые способны адаптироваться к штаммам Bacillus thuringiensis , что требует продолжения исследований для поддержания устойчивости к болезням.

Безопасность пищевых продуктов

Важной задачей в сфере безопасности пищевых продуктов является уничтожение микроорганизмов, вызывающих заболевания пищевого происхождения. Заболевания, передающиеся через пищу и воду, по-прежнему представляют серьезную проблему для здоровья: с 1971 года только в Соединенных Штатах ежегодно регистрируются сотни вспышек. ^[6] Риск этих заболеваний с годами возрос, главным образом из-за неправильного обращения с сырыми продуктами, плохих санитарных условий и плохих социально-экономических условий. Помимо заболеваний, вызванных прямым заражением возбудителями, некоторые болезни пищевого происхождения вызваны присутствием в пище токсинов, вырабатываемых микроорганизмами. Существует пять основных типов микробных возбудителей, загрязняющих пищу и воду: вирусы , бактерии , грибы , патогенные простейшие и гельминты . ^[7]

Некоторые бактерии, такие как E. coli , Clostridium botulinum и Salmonella enterica , хорошо известны и подлежат уничтожению с помощью различных промышленных процессов. Хотя бактерии часто оказываются в центре внимания процессов обеспечения безопасности пищевых продуктов, известно, что вирусы, простейшие и плесень также вызывают болезни пищевого происхождения и вызывают беспокойство при разработке процессов, обеспечивающих безопасность пищевых продуктов. Хотя целью безопасности пищевых продуктов является устранение вредных организмов из пищевых продуктов и предотвращение заболеваний пищевого происхождения, обнаружение таких организмов является еще одной важной функцией механизмов безопасности пищевых продуктов. ^[8]^[9]

Мониторинг и обнаружение

Целью большинства процессов мониторинга и обнаружения является быстрое обнаружение вредных микроорганизмов с минимальным перерывом в обработке пищевых продуктов. Примером механизма обнаружения, который в значительной степени зависит от биологических процессов, является использование хромогенных микробиологических сред.

Хромогенные микробиологические среды

В хромогенных микробиологических средах используются окрашенные ферменты для обнаружения присутствия определенных бактерий. При обычном культивировании бактерий бактериям позволяют расти на среде, поддерживающей множество штаммов. Поскольку бактерии трудно изолировать, возможно образование множества культур различных бактерий. Чтобы идентифицировать конкретную культуру бактерий, ученые должны идентифицировать ее, используя только ее физические характеристики. Затем можно провести дальнейшие тесты для подтверждения присутствия бактерий, например серологические тесты, которые обнаруживают антитела, образующиеся в организмах в ответ на инфекцию. ^[10] Напротив, в хромогенных микробиологических средах используются особые окрашивающие ферменты, которые подвергаются метаболизму определенным штаммом бактерий. Таким образом, если присутствуют данные культуры, среда будет окрашена соответствующим образом, поскольку бактерии метаболизируют окрашивающий фермент. Это значительно облегчает идентификацию определенных культур бактерий и может исключить необходимость дальнейшего тестирования. Чтобы предотвратить ошибочную идентификацию бактерий, хромогенные пластинки обычно содержат дополнительные ферменты, которые будут обрабатываться другими бактериями. Теперь, когда нецелевые бактерии взаимодействуют с дополнительными ферментами, они будут производить цвета, которые отличают их от целевых бактерий. ^[10]^[11]

Механизмы

Безопасность пищевых продуктов практикуется на протяжении тысячелетий, но с развитием индустриального сельского хозяйства спрос на безопасность пищевых продуктов неуклонно растет, что побуждает к расширению исследований способов достижения большей безопасности пищевых продуктов. Основным механизмом, который будет обсуждаться в этой статье, является нагревание пищевых продуктов для уничтожения микроорганизмов, поскольку этот метод имеет тысячелетнюю историю и до сих пор широко используется. Однако были созданы более поздние механизмы, такие как применение ультрафиолетового света, высокого давления, электрического поля, холодной плазмы, использования озона и облучения пищевых продуктов. ^[12]

Обогрев

В отчете, предоставленном Управлению по контролю за продуктами и лекарствами Института пищевых технологов, подробно обсуждается термическая обработка продуктов питания. ^[12] Заметным шагом в развитии применения тепла в пищевой промышленности является пастеризация , разработанная Луи Пастером в девятнадцатом веке. Пастеризация используется для уничтожения микроорганизмов, которые могут представлять опасность для потребителей или сокращать срок годности пищевых продуктов. В первую очередь пастеризация применяется к жидким пищевым продуктам, но регулярно применяется к фруктовым сокам, пиву, молоку и мороженому. Температура, применяемая во время пастеризации, варьируется от примерно 60 °C для уничтожения бактерий до примерно 80 °C для уничтожения дрожжей. Большинство процессов пастеризации в последнее время были оптимизированы и теперь включают несколько этапов нагревания при различных температурах и минимизируют время, необходимое для этого процесса. ^[13]

Более суровый механизм подогрева пищи — термическая стерилизация . Хотя пастеризация уничтожает большинство бактерий и дрожжей, растущих в пищевых продуктах, цель стерилизации — убить почти все жизнеспособные организмы, обнаруженные в пищевых продуктах, включая дрожжи, плесень, бактерии и спорообразующие организмы. При правильном выполнении этот процесс значительно продлит срок годности пищевых продуктов и позволит хранить их при комнатной температуре. Как подробно описано в «Справочнике по консервированию пищевых продуктов», термическая стерилизация обычно включает четыре этапа. Сначала пищевые продукты нагревают до температуры от 110 до 125 °C, и продуктам дается время, чтобы тепло полностью прошло через материал. После этого температуру необходимо поддерживать достаточно долго, чтобы убить микроорганизмы, прежде чем пищевой продукт будет охлажден, чтобы предотвратить его приготовление. На практике, хотя полная стерильность пищевых продуктов может быть достигнута, интенсивное и продолжительное нагревание, необходимое для достижения этой цели, может снизить пищевую ценность пищевых продуктов, поэтому выполняется только частичная стерилизация. ^[14]

Низкотемпературный процесс

Низкотемпературная обработка также играет важную роль в обработке и хранении пищевых продуктов. Во время этого процесса микроорганизмы и ферменты подвергаются воздействию низких температур. В отличие от нагревания, охлаждение не уничтожает ферменты и микроорганизмы, а просто снижает их активность, что эффективно до тех пор, пока поддерживается температура. При повышении температуры активность соответственно снова повысится. Отсюда следует, что, в отличие от нагревания, эффект сохранения холодом не является постоянным; отсюда важность поддержания холодовой цепи на протяжении всего срока годности пищевого продукта. ^[15]

Важно отметить, что существует два различных низкотемпературных процесса: охлаждение и замораживание. Охлаждение – это применение температур в диапазоне 0–8 °С, тогда как замораживание обычно ниже 18 °С. Охлаждение замедляет порчу продуктов питания и снижает риск роста бактерий, однако не улучшает качество продукта.

Облучение

Облучение пищевых продуктов — еще один примечательный процесс биологической инженерии, позволяющий добиться безопасности пищевых продуктов. Исследования потенциального использования ионизирующего облучения для консервирования пищевых продуктов начались в 1940-х годах как продолжение исследований воздействия радиации на живые клетки. ^[15] FDA одобрило использование ионизирующего излучения для обработки пищевых продуктов в 1990 году. Это излучение удаляет электроны из атомов, и эти электроны повреждают ДНК микроорганизмов, живущих в пище, убивая микроорганизмы. Облучение можно использовать для пастеризации пищевых продуктов, таких как морепродукты, птица и красное мясо, что делает эти пищевые продукты более безопасными для потребителей. ^[8] Некоторое облучение также используется для задержки процессов созревания плодов, что может убить микроорганизмы, ускоряющие созревание и порчу продуктов. Низкие дозы радиации также можно использовать для уничтожения насекомых, живущих в убранных урожаях, поскольку радиация задерживает развитие насекомых на различных стадиях и нарушает их способность к размножению. ^[16]

Хранение и консервация продуктов питания

Хранение и консервация продуктов питания являются ключевым компонентом процессов пищевой инженерии и в значительной степени зависят от биологической инженерии для понимания задействованных организмов и управления ими. Обратите внимание, что вышеуказанные процессы обеспечения безопасности пищевых продуктов, такие как пастеризация и стерилизация, уничтожают микроорганизмы, которые также способствуют порче пищевых продуктов, но не обязательно представляют риск для людей. Понимание этих процессов, их эффектов и микроорганизмов, участвующих в различных технологиях обработки пищевых продуктов, является очень важной задачей биологической инженерии в пищевой инженерии. Необходимо создавать фабрики и процессы, обеспечивающие эффективную и действенную переработку пищевых продуктов, что опять-таки во многом зависит от опыта биологической инженерии.

Производить

Сохранение и обработка свежих продуктов ставит множество задач биологической инженерии. Понимание биологии особенно важно при переработке продуктов, поскольку большинство фруктов и овощей являются живыми организмами с момента сбора урожая до момента потребления. Перед сбором урожая понимание онтогенеза растений , или происхождения и развития, а также манипулирование этими процессами развития являются ключевыми компонентами процесса промышленного сельского хозяйства. Понимание циклов развития растений определяет, как и когда собирают растения, влияет на условия хранения и способствует созданию процессов вмешательства. Даже после сбора фрукты и овощи подвергаются биологическим процессам дыхания, транспирации и созревания. Необходимо обеспечить контроль над этими естественными растительными процессами, чтобы предотвратить порчу пищевых продуктов, прорастание или рост продуктов во время хранения, а также снижение качества или желательности, например, из-за увядания или потери желаемой текстуры. ^[17]

Технология

При хранении и консервировании пищевых продуктов широко используются технологии модифицированной атмосферы и контролируемой атмосферы для хранения и упаковки нескольких видов пищевых продуктов. Они предлагают ряд преимуществ, таких как задержка созревания и старения садоводческих товаров, контроль некоторых биологических процессов, таких как прогоркание, насекомые, бактерии и гниение, среди других. ^[18] Хранение в контролируемой атмосфере (CA) относится к атмосфере, которая отличается от обычного воздуха и постоянно строго контролируется. ^[18] Этот тип хранилища регулирует уровни CO ₂ и O ₂ в герметичных хранилищах контейнеров. Хранение в модифицированной атмосфере (МА) относится к любой атмосфере, отличной от обычного воздуха, обычно получаемой путем смешивания CO ₂ , O ₂ и N _{2 .}

Управление отходами

Другой процесс биологической инженерии в пищевой инженерии включает переработку сельскохозяйственных отходов. Хотя это может больше относиться к области экологической инженерии , понимание того, как организмы в окружающей среде будут реагировать на отходы, важно для оценки воздействия процессов и сравнения стратегий переработки отходов. Также важно понять, какие организмы участвуют в разложении отходов и побочные продукты, которые будут образовываться в результате их деятельности.

Чтобы обсудить прямое применение биологической инженерии, методы переработки биологических отходов используются для переработки органических отходов и иногда для создания полезных побочных продуктов. Существует два основных процесса переработки органического вещества с помощью микробов: аэробные процессы и анаэробные процессы. Эти процессы преобразуют органическое вещество в клеточную массу посредством процессов синтеза микроорганизмов. Аэробные процессы происходят в присутствии кислорода, в качестве исходных веществ используют органические вещества и производят воду, углекислый газ, нитраты и новую клеточную массу. Анаэробные процессы происходят при отсутствии кислорода и производят меньше клеточной массы, чем аэробные процессы. Дополнительным преимуществом анаэробных процессов является то, что они также производят метан, который можно сжигать в качестве источника топлива. Проектирование как аэробных, так и анаэробных заводов по переработке биологических отходов требует тщательного контроля температуры, влажности, концентрации кислорода и образующихся отходов. Понимание всех аспектов системы и того, как они взаимодействуют друг с другом, важно для разработки эффективных заводов по переработке отходов и относится к сфере биологической инженерии. ^[8]

См. также

Ссылки

^ «Станьте инженером пищевого производства: дорожная карта образования и карьеры» . Study.com . Проверено 2 апреля 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Биологическая инженерия | Кафедра биологической и экологической инженерии» . bee.cals.cornell.edu . Архивировано из оригинала 20 апреля 2018 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
^ «Биологическая инженерия | Кафедра биологической и экологической инженерии» . bee.cals.cornell.edu . Архивировано из оригинала 20 апреля 2018 г. Проверено 19 апреля 2018 г.
^ «Учёные-пищевики и технологи» . www.bls.gov . Проверено 03 апреля 2018 г.
^ «Устойчивые к насекомым культуры с помощью генной инженерии» . www.aces.uiuc.edu . Проверено 03 апреля 2018 г.
^ «Вспышки болезней пищевого и водного происхождения — США, 1971–2012 гг.» . www.cdc.gov . Проверено 18 апреля 2018 г.
^ «Молекулярные методы в пищевой биологии: безопасность, биотехнология, подлинность и отслеживаемость» . Wiley.com . 12 марта 2018 г. Проверено 1 апреля 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Рамасвами, Рагхупати; Ан, Джухи; Баласубраманиам, В.М.; Саона, Луис Родригес; Юсеф, Ахмед Э. (январь 2013 г.). «Инженерия пищевой безопасности». Справочник по машиностроению сельскохозяйственного, молочного и пищевого оборудования (второе изд.). Эльзевир. стр. 43–66. дои : 10.1016/B978-0-12-385881-8.00003-3 . ISBN 9780123858818 .
^ Институт пищевых технологий (IFT). «Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий пищевой промышленности» (PDF) . FDA/ИФТ . Проверено 30 марта 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Перри, доктор юридических наук; Фрейдьер, AM (2007). «Применение хромогенных сред в клинической микробиологии». Журнал прикладной микробиологии . 103 (6): 2046–2055. дои : 10.1111/j.1365-2672.2007.03442.x . ПМИД 18045388 .
^ Восу, Масуд (2010). «Статья о хромогенных средах» (PDF) . Новости Конды .
^ Jump up to: ^а ^б Институт пищевых технологий (2 июня 2000 г.). «Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий пищевой промышленности» (PDF) . FDA .
^ Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 571–574. ISBN 978-1-57444-606-7 .
^ Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 586–587. ISBN 978-1-57444-606-7 .
^ Jump up to: ^а ^б Берк, Зеки (2009). «Порча и сохранение пищевых продуктов». Инженерия и технология пищевых процессов . стр. 351–354. дои : 10.1016/B978-0-12-373660-4.00016-8 . ISBN 9780123736604 .
^ Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. п. 763. ИСБН 978-1-57444-606-7 .
^ Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 19–23. ISBN 978-1-57444-606-7 .
^ Jump up to: ^а ^б «Модифицированная и контролируемая атмосфера для хранения, транспортировки и упаковки садоводческой продукции» . ЦРК Пресс . Проверено 1 апреля 2018 г.

Дальнейшее чтение

Густаво В. Барбоса-Кановас, Лилиана Аламилла-Бельтран, Эфрен Парада-Ариас, Хорхе Велти-Чанес (2015) Водный стресс в биологических, химических, фармацевтических и пищевых системах . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer Нью-Йорк: Выходные данные: Springer. ISBN 978-1-4939-2578-0
Джамуна Асватанарайн и Рай, В. Равишанкар (2015). Микробиологическая безопасность пищевых продуктов и методы их сохранения. Бока-Ратон: CRC Press Taylor & Francisco Group. ISBN 9781138033801

[1] «Станьте инженером пищевого производства: дорожная карта образования и карьеры» . Study.com . Проверено 2 апреля 2018 г.

[:02-2] Jump up to: ^а ^б «Биологическая инженерия | Кафедра биологической и экологической инженерии» . bee.cals.cornell.edu . Архивировано из оригинала 20 апреля 2018 г. Проверено 03 апреля 2018 г.

[3] «Биологическая инженерия | Кафедра биологической и экологической инженерии» . bee.cals.cornell.edu . Архивировано из оригинала 20 апреля 2018 г. Проверено 19 апреля 2018 г.

[4] «Учёные-пищевики и технологи» . www.bls.gov . Проверено 03 апреля 2018 г.

[5] «Устойчивые к насекомым культуры с помощью генной инженерии» . www.aces.uiuc.edu . Проверено 03 апреля 2018 г.

[6] «Вспышки болезней пищевого и водного происхождения — США, 1971–2012 гг.» . www.cdc.gov . Проверено 18 апреля 2018 г.

[7] «Молекулярные методы в пищевой биологии: безопасность, биотехнология, подлинность и отслеживаемость» . Wiley.com . 12 марта 2018 г. Проверено 1 апреля 2018 г.

[Ramaswamy-8] Jump up to: ^а ^б ^с Рамасвами, Рагхупати; Ан, Джухи; Баласубраманиам, В.М.; Саона, Луис Родригес; Юсеф, Ахмед Э. (январь 2013 г.). «Инженерия пищевой безопасности». Справочник по машиностроению сельскохозяйственного, молочного и пищевого оборудования (второе изд.). Эльзевир. стр. 43–66. дои : 10.1016/B978-0-12-385881-8.00003-3 . ISBN 9780123858818 .

[9] Институт пищевых технологий (IFT). «Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий пищевой промышленности» (PDF) . FDA/ИФТ . Проверено 30 марта 2018 г.

[:2-10] Jump up to: ^а ^б Перри, доктор юридических наук; Фрейдьер, AM (2007). «Применение хромогенных сред в клинической микробиологии». Журнал прикладной микробиологии . 103 (6): 2046–2055. дои : 10.1111/j.1365-2672.2007.03442.x . ПМИД 18045388 .

[11] Восу, Масуд (2010). «Статья о хромогенных средах» (PDF) . Новости Конды .

[:3-12] Jump up to: ^а ^б Институт пищевых технологий (2 июня 2000 г.). «Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий пищевой промышленности» (PDF) . FDA .

[13] Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 571–574. ISBN 978-1-57444-606-7 .

[14] Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 586–587. ISBN 978-1-57444-606-7 .

[:0-15] Jump up to: ^а ^б Берк, Зеки (2009). «Порча и сохранение пищевых продуктов». Инженерия и технология пищевых процессов . стр. 351–354. дои : 10.1016/B978-0-12-373660-4.00016-8 . ISBN 9780123736604 .

[16] Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. п. 763. ИСБН 978-1-57444-606-7 .

[17] Рахман, М. Шафиур (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание (PDF) . ЦРК Пресс. стр. 19–23. ISBN 978-1-57444-606-7 .

[:1-18] Jump up to: ^а ^б «Модифицированная и контролируемая атмосфера для хранения, транспортировки и упаковки садоводческой продукции» . ЦРК Пресс . Проверено 1 апреля 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]