Пищевая инженерия — это научная, академическая и профессиональная область, которая интерпретирует и применяет принципы инженерии, науки и математики к производству и операциям пищевых продуктов, включая обработку, производство, обработку, хранение, консервацию, контроль, упаковку и распространение пищевых продуктов. [1] [2] Учитывая зависимость от пищевой науки и более широких инженерных дисциплин, таких как электрическое, механическое, гражданское, химическое, промышленное и сельскохозяйственное машиностроение, пищевая инженерия считается междисциплинарной и узкой областью. [1]
Из-за сложной природы пищевых материалов пищевая инженерия также сочетает в себе изучение более конкретных химических и физических концепций, таких как биохимия, микробиология, пищевая химия, термодинамика, явления переноса, реология и теплопередача. [2] 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 и оборудования. и приборы. [3] [4]
Хотя пищевая инженерия является относительно новой и развивающейся областью исследований, она основана на давно устоявшихся концепциях и видах деятельности. [1] Традиционным направлением пищевой инженерии была консервация, которая включала стабилизацию и стерилизацию пищевых продуктов, предотвращение порчи и сохранение питательных веществ в пище в течение длительных периодов времени. [5] Более конкретные традиционные виды деятельности включают обезвоживание и концентрирование пищевых продуктов, защитную упаковку, консервирование и сушку сублимацией. На развитие пищевых технологий большое влияние и стимулирование оказали войны и длительные путешествия, включая космические миссии, где длительные и питательные продукты были необходимы для выживания. [2] Другие древние виды деятельности включают процессы измельчения, хранения и ферментации. [2] Хотя некоторые традиционные виды деятельности по-прежнему вызывают беспокойство и составляют основу сегодняшних технологий и инноваций, фокус пищевой инженерии в последнее время сместился на качество, безопасность, вкус, здоровье и устойчивость продуктов питания. [2] [5]
Ниже приведены некоторые применения и методы, используемые в пищевой промышленности для производства безопасных, здоровых, вкусных и экологически чистых продуктов питания :
Основной целью охлаждения и/или замораживания пищевых продуктов является сохранение качества и безопасности пищевых материалов. Охлаждение и замораживание способствуют сохранению скоропортящихся продуктов, а также сохранению некоторых факторов качества пищевых продуктов, таких как внешний вид, текстура, вкус, аромат и питательная ценность. Замораживание продуктов питания замедляет рост бактерий, которые потенциально могут нанести вред потребителям. [5]
Выпаривание используется для предварительного концентрирования, увеличения содержания твердых веществ, изменения цвета и снижения содержания воды в пищевых и жидких продуктах. [6] Этот процесс чаще всего наблюдается при переработке молока, производных крахмала, кофе, фруктовых соков, овощных паст и концентратов, приправ, соусов, сахара и пищевого масла. Испарение также используется в процессах обезвоживания пищевых продуктов. Цель обезвоживания — предотвратить рост плесени в продуктах питания, которая образуется только при наличии влаги. [5] Этот процесс можно применить, например, к овощам, фруктам, мясу и рыбе. [5]
Технологии упаковки пищевых продуктов используются для продления срока хранения продуктов, стабилизации продуктов питания (сохранения вкуса, внешнего вида и качества), а также для поддержания продуктов питания чистыми, защищенными и привлекательными для потребителя. Этого можно добиться, например, упаковывая продукты питания в консервные банки. [5] 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 виды экологически чистой упаковки включают пластик, изготовленный из кукурузы или картофеля, биоразлагаемый пластик и разлагающиеся бумажные изделия, а также переработанное содержимое. Несмотря на то, что переход на экологически чистую упаковку оказывает положительное влияние на окружающую среду, многие компании находят и другие преимущества, такие как сокращение лишнего упаковочного материала, помощь в привлечении и удержании клиентов и демонстрация заботы компаний об окружающей среде. [7]
Для повышения устойчивости пищевой промышленности необходимы энергоэффективность и рекуперация отходящего тепла. Замена традиционных энергоемких пищевых процессов новыми технологиями, такими как термодинамические циклы и процессы нетеплового нагрева, предоставляет еще один потенциал для снижения потребления энергии, снижения производственных затрат и повышения устойчивости производства продуктов питания. [8]
Теплопередача важна при переработке почти каждого коммерческого пищевого продукта и важна для сохранения гигиенических, питательных и сенсорных качеств пищи. Методы теплопередачи включают индукцию, конвекцию и излучение. [ нужна цитация ] Эти методы используются для создания изменений в физических свойствах пищевых продуктов при замораживании, запекании или жарке продуктов во фритюре, а также при применении к пище омического нагрева или инфракрасного излучения. [ нужна цитация ] Эти инструменты позволяют инженерам пищевой промышленности внедрять инновации в создании и преобразовании пищевых продуктов.
Система управления безопасностью пищевых продуктов (FSMS) — это «систематический подход к контролю угроз безопасности пищевых продуктов в рамках бизнеса, чтобы гарантировать, что пищевой продукт безопасен для потребления». [9] В некоторых странах FSMS является юридическим требованием, которое обязывает все предприятия по производству продуктов питания использовать и поддерживать FSMS, основанную на принципах анализа рисков в критических контрольных точках (HACCP). [9] HACCP — это система управления, которая обеспечивает безопасность пищевых продуктов посредством анализа и контроля биологических, химических и физических опасностей на всех этапах цепочки поставок пищевых продуктов. [10] Стандарт ISO 22000 определяет требования к FSMS. [11]
Следующие технологии, которые продолжают развиваться, внесли свой вклад в инновации и развитие методов пищевой инженерии:
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 пищевых слоев с помощью компьютерного оборудования. Процесс 3D-печати медленный, но со временем он совершенствуется с целью сокращения затрат и времени обработки. Вот некоторые из успешных продуктов питания, напечатанных с помощью 3D-технологий: шоколад, сыр, глазурь для тортов, индейка, пицца, сельдерей и другие. Эта технология постоянно совершенствуется и потенциально может обеспечить экономически эффективные, энергоэффективные продукты питания, отвечающие пищевой стабильности, безопасности и разнообразию. [12]
Биосенсоры можно использовать для контроля качества в лабораториях и на разных этапах обработки пищевых продуктов. Биосенсорная технология — это один из способов, с помощью которого фермеры и производители пищевых продуктов адаптируются к растущему во всем мире спросу на продукты питания, сохраняя при этом производство и качество продуктов питания на высоком уровне. Более того, поскольку миллионы людей страдают от болезней пищевого происхождения, вызванных бактериями и вирусами, биосенсоры становятся важным инструментом обеспечения безопасности пищевых продуктов. Они помогают отслеживать и анализировать качество продуктов питания на нескольких этапах цепочки поставок: в пищевой промышленности, доставке и коммерциализации. Биосенсоры также могут помочь в обнаружении генетически модифицированных организмов (ГМО) и регулирования продуктов с ГМО. С развитием таких технологий, как нанотехнологии, качество и возможности использования биосенсоров постоянно улучшаются. [12]
Когда условия хранения молока контролируются, оно имеет очень хороший вкус. Однако окисленный вкус представляет собой проблему, которая отрицательно влияет на вкус и безопасность молока. Для предотвращения роста болезнетворных бактерий и продления срока хранения молока были разработаны процессы пастеризации. Молоко, приготовленное в микроволновой печи, было изучено и разработано для предотвращения окисления по сравнению с традиционными методами пастеризации молока, и был сделан вывод, что молоко имеет лучшее качество, когда оно пастеризовано в микроволновой печи. [12]
В 1950-х годах пищевая инженерия возникла как академическая дисциплина, [2] когда несколько университетов США включили пищевую науку и пищевую технологию в свои учебные программы, и появились важные работы по пищевой инженерии. [2] 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 часть более широких программ по пищевой науке, пищевой технологии, биотехнологии или сельскохозяйственной и химической инженерии. [13] В других случаях учебные заведения предлагают образование в области пищевой инженерии через концентрации, специализации или несовершеннолетние. Кандидаты в области пищевых инженеров проходят междисциплинарную подготовку в таких областях, как математика, химия, биохимия, физика, микробиология, питание и право.
Пищевая инженерия по-прежнему растет и развивается как область обучения, а академические программы продолжают развиваться. Будущие программы пищевой инженерии могут быть изменены 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 изменения в цепочке создания стоимости, ископаемое сырье. цены на топливо и устойчивость. [13] Для решения этих проблем, которые требуют разработки новых продуктов, услуг и процессов, академические программы включают инновационные и практические формы обучения. [13] Например, некоторые университеты внедряют инновационные лаборатории, исследовательские программы и проекты с участием пищевых компаний и производителей оборудования. [1] [13] Кроме того, появляются соревнования по пищевой инженерии и соревнования по другим научным дисциплинам. [13]
В связи с растущим спросом на безопасные, экологически чистые и здоровые продукты питания, а также на экологически чистые процессы и упаковку, существует большой рынок труда для потенциальных сотрудников пищевой промышленности. Пищевые инженеры обычно работают в пищевой промышленности, научных кругах, государственных учреждениях, исследовательских центрах, консалтинговых фирмах, фармацевтических компаниях, медицинских фирмах и предпринимательских проектах. [2] [12] Должностные инструкции включают, помимо прочего, инженера-пищевика, микробиолога пищевой промышленности, биоинженерию/биотехнологию, питание, отслеживание, безопасность пищевых продуктов и управление качеством. [3]
Пищевая инженерия оказывает негативное воздействие на окружающую среду, такое как выбросы большого количества отходов и загрязнение воды и воздуха, которые инженеры пищевой промышленности должны учитывать при 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 создать устойчивую цепочку поставок продуктов питания. Пищевые инженеры должны пересмотреть существующие методы и технологии, чтобы сосредоточиться на повышении производительности и эффективности при одновременном сокращении потребления воды и энергии и уменьшении количества образующихся отходов. [5]
Несмотря на то, что запасы 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. [5] Для достижения продовольственной безопасности инженеры-пищевики должны решать проблему нехватки земли и воды , чтобы обеспечить достаточный рост и продовольствие для недоедающих людей. [5] 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; обычно это связано с уничтожением лесов и эксплуатацией пахотных земель. [14] Инженеры-пищевики сталкиваются с проблемой поиска устойчивых способов производства, способных адаптироваться к растущему населению.
Пищевые инженеры должны адаптировать пищевые технологии и операции к недавней потребительской тенденции к потреблению здоровой и питательной пищи. Чтобы обеспечить продукты с этими качествами и на благо здоровья человека, инженеры-пищевики должны работать совместно с профессионалами в других областях, таких как медицина, биохимия, химия и потребительство. [5] Необходимо разработать новые технологии и методы для увеличения производства продуктов питания, которые оказывают положительное влияние на здоровье человека.