Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Пищевая и биологическая инженерия процессов - это дисциплина, связанная с применением принципов инженерии в области производства и распределения пищевых продуктов и биологии. Это обширная область, в которой работники выполняют самые разные роли, начиная от проектирования оборудования для пищевой промышленности и заканчивая генетической модификацией организмов. [1] [2] В некотором смысле это комбинированная область, основанная на науках о продуктах питания и биологической инженерии для улучшения снабжения Земли продовольствием.

Создание, обработка и хранение продуктов питания для поддержки населения мира требует обширных междисциплинарных знаний. Примечательно, что в пищевой инженерии существует множество процессов биологической инженерии, позволяющих управлять множеством организмов, вовлеченных в нашу сложную пищевую цепочку. В частности, безопасность пищевых продуктов требует биологических исследований, чтобы понять, какие микроорганизмы задействованы и как они влияют на людей. Однако другие аспекты пищевой инженерии, такие как хранение и переработка пищевых продуктов, также требуют обширных биологических знаний как о продуктах питания, так и о микроорганизмах, которые их населяют. Это пищевая микробиология и биологиязнание становится биологической инженерией, когда создаются системы и процессы для поддержания желаемых свойств пищевых продуктов и микроорганизмов, обеспечивая при этом механизмы для устранения неблагоприятных или опасных. [3]

Концепции [ править ]

В области пищевой и биологической инженерии задействовано множество различных концепций. Ниже перечислены несколько основных.

Пищевая наука [ править ]

Основная статья: пищевая наука

Наука, стоящая за продуктами питания и их производством, включает изучение того, как пища ведет себя и как ее можно улучшить. Исследователи анализируют продолжительность жизни и состав (например, ингредиенты, витамины, минералы и т. Д.) Пищевых продуктов, а также способы обеспечения безопасности пищевых продуктов. [4]

Генная инженерия # производство продуктов питания ... [ править ]


Основная статья: Генная инженерия

Современная пищевая и биологическая инженерия в значительной степени полагается на применение 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, таких как растения, модифицированные для продуцирования Bacillus thuringiensis , бактерии, которая убивает специфические для штамма разновидности 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 [ править ]

Этот рисунок иллюстрирует путь сохранения пищи, сопровождаемый молочнокислыми бактериями с участием низина , а также путь сохранения пищи, сопровождаемый солью. Кроме того, проиллюстрирован и описан барьерный эффект консервирования пищевых продуктов, например, путем добавления молочнокислых бактерий и соли в пищевой продукт.

Важной задачей в области безопасности пищевых продуктов является устранение микроорганизмов, вызывающих болезни пищевого происхождения. Болезни, передаваемые через пищевые продукты и воду, по-прежнему представляют серьезную проблему для здоровья: с 1971 года только в Соединенных Штатах ежегодно регистрируются сотни вспышек. [6] Риск этих заболеваний рос с годами, в основном из-за неправильного обращения с сырой пищей, плохой санитарии и плохих социально-экономических условий. Помимо болезней, вызванных прямым заражением патогенами, некоторые болезни пищевого происхождения вызываются присутствием в пище токсинов, вырабатываемых микроорганизмами. Существует пять основных типов микробных патогенов, загрязняющих пищу и воду: вирусы , бактерии , грибки , патогенные микроорганизмы.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 находятся в центре внимания процессов обеспечения безопасности пищевых продуктов, известно, что вирусы, простейшие и плесень вызывают заболевания пищевого происхождения и вызывают озабоченность при разработке процессов, обеспечивающих безопасность пищевых продуктов. Хотя целью безопасности пищевых продуктов является устранение вредных организмов из пищевых продуктов и предотвращение болезней пищевого происхождения, обнаружение указанных организмов является еще одной важной функцией механизмов безопасности пищевых продуктов. [8] [9]

Мониторинг и обнаружение [ править ]

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

Хромогенные микробиологические среды [ править ]

В хромогенных микробиологических средах используются цветные ферменты для обнаружения определенных бактерий. При обычном культивировании бактерий позволяют бактериям расти на среде, поддерживающей многие штаммы. Так как бактерии сложно изолировать, могут образовываться многие культуры различных бактерий. Чтобы идентифицировать конкретную культуру бактерий, ученые должны идентифицировать ее, используя только ее физические характеристики. Затем могут быть выполнены дополнительные тесты для подтверждения присутствия бактерий, такие как серологические тесты, которые обнаруживают антитела, образующиеся в организмах в ответ на инфекцию. [10]Напротив, хромогенные микробиологические среды используют определенные ферменты, вырабатывающие окраску, которые нацелены на метаболизм определенным штаммом бактерий. Таким образом, если данные культуры присутствуют, среда будет соответственно окрашиваться, поскольку бактерии метаболизируют цветообразующий фермент. Это значительно облегчает идентификацию определенных культур бактерий и может устранить необходимость в дальнейших исследованиях. Чтобы предотвратить неправильную идентификацию бактерий, хромогенные пластины обычно содержат дополнительные ферменты, которые будут обрабатываться другими бактериями. Теперь, когда нецелевые бактерии взаимодействуют с дополнительными ферментами, они будут выделять цвета, которые отличают их от целевых бактерий. [10] [11]

Механизмы [ править ]

Безопасность пищевых продуктов практикуется на протяжении тысяч лет, но с развитием в значительной степени промышленного сельского хозяйства спрос на безопасность пищевых продуктов неуклонно растет, что побуждает к дальнейшим исследованиям способов достижения большей безопасности пищевых продуктов. Основным механизмом, который будет обсуждаться в этой статье, является нагрев пищевых продуктов для уничтожения микроорганизмов, поскольку он имеет тысячелетнюю историю и до сих пор широко используется. Однако были созданы более новые механизмы, такие как применение ультрафиолетового света, высокого давления, электрического поля, холодной плазмы, использование озона и облучение пищевых продуктов. [12]

Отопление [ править ]

В докладе уделяется контролю за продуктами и лекарствами в Институте пищевых технологий тщательно обсуждает тепловую обработку пищевых продуктов. [12] Заметным шагом в развитии применения тепла в пищевой промышленности является пастеризация., разработанный Луи Пастером в девятнадцатом веке. Пастеризация используется для уничтожения микроорганизмов, которые могут представлять опасность для потребителей или сокращать срок хранения пищевых продуктов. В первую очередь пастеризация применяется для жидких пищевых продуктов, а для фруктовых соков, пива, молока и мороженого регулярно применяется пастеризация. Тепло, применяемое во время пастеризации, варьируется от примерно 60 ° C для уничтожения бактерий до примерно 80 ° C для уничтожения дрожжей. Большинство процессов пастеризации были недавно оптимизированы, чтобы включать несколько этапов нагрева при различных температурах и минимизировать время, необходимое для этого процесса. [13]

Базовый чертеж аммиачного компрессора. Аммиачные компрессоры используются на многих заводах для охлаждения пищевых продуктов.

Более строгий механизм нагрева пищи - термическая стерилизация.. В то время как пастеризация уничтожает большинство бактерий и дрожжей, растущих в пищевых продуктах, цель стерилизации состоит в том, чтобы убить почти все жизнеспособные организмы, содержащиеся 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 нагреваются до температуры 110-125 ° C, и продуктам дается время, чтобы тепло полностью прошло через материал. После этого температура должна поддерживаться достаточно долго, чтобы убить микроорганизмы, прежде чем пищевой продукт охладится, чтобы предотвратить приготовление пищи. На практике, хотя полная стерильность пищевых продуктов может быть достигнута,интенсивный и продолжительный нагрев, необходимый для этого, может снизить питательную ценность пищевых продуктов, поэтому выполняется только частичная стерилизация.[14]

Низкотемпературный процесс [ править ]

Низкотемпературная обработка также играет важную роль в производстве и хранении пищевых продуктов. Во время этого процесса микроорганизмы и ферменты подвергаются воздействию низких температур. В отличие от нагрева, охлаждение не разрушает ферменты и микроорганизмы, а просто снижает их активность, что эффективно, пока поддерживается температура. При повышении температуры активность соответственно возрастет. Отсюда следует, что, в отличие от нагрева, эффект консервации холодом непостоянен; отсюда важность поддержания холодовой цепи на протяжении всего срока годности пищевого продукта. (Глава 16, стр. 396) [15]

Важно отметить, что существует два различных низкотемпературных процесса: охлаждение и замораживание. Охлаждение - это применение температуры в диапазоне 0-8 ° C, в то время как замораживание обычно ниже 18 ° C. Охлаждение замедляет порчу продуктов и снижает риск роста бактерий, однако не улучшает качество продукта.

Облучение [ править ]

Облучение пищевых продуктов - еще один заметный процесс биологической инженерии, направленный на обеспечение безопасности пищевых продуктов. Исследования возможности использования ионизирующего излучения для консервирования продуктов питания начались в 1940-х годах как продолжение исследований воздействия радиации на живые клетки. [15] FDA одобрило использование ионизирующего излучения в пищевых продуктах в 1990 году. Это излучение удаляет электроны из атомов, и эти электроны продолжают повреждать 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 на собранных урожаях, поскольку радиация задерживает развитие насекомых на различных стадиях и повреждает их способность к размножению. [16]

Хранение и консервация продуктов [ править ]

Мясо, обработанное газом; метод, используемый для упаковки в модифицированной атмосфере.

Хранение и консервация пищевых продуктов является ключевым компонентом процессов пищевой инженерии и в значительной степени опирается на биологическую инженерию для понимания вовлеченных организмов и управления ими. Обратите внимание, что указанные выше 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, задействованных в различных технологиях обработки пищевых продуктов, является очень важной задачей биологической инженерии в рамках пищевой инженерии. Заводы и процессы должны быть созданы, чтобы гарантировать, что пищевые продукты могут быть обработаны эффективным и действенным образом, что опять же в значительной степени зависит от опыта в области биотехнологии.

Произвести [ править ]

Сохранение и переработка свежих продуктов ставит множество задач биологической инженерии. Понимание биологии особенно важно при переработке продуктов, потому что большинство фруктов и овощей являются живыми организмами с момента сбора урожая до момента потребления. Перед сбором урожая, понимание онтогенеза растений, или происхождение и развитие, и манипулирование этими процессами развития являются ключевыми компонентами процесса промышленного сельского хозяйства. Понимание циклов развития растений определяет, как и когда собирают растения, влияет на среду хранения и способствует созданию процессов вмешательства. Даже после сбора урожая фрукты и овощи подвергаются биологическим процессам дыхания, транспирации и созревания. Необходимо контролировать эти естественные процессы в растениях, 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 [ править ]

Что касается хранения и консервации пищевых продуктов, технологии модифицированной атмосферы и контролируемой атмосферы широко используются для хранения и упаковки нескольких типов пищевых продуктов. Они предлагают несколько преимуществ, таких как задержка созревания и старения садовых продуктов, контроль некоторых биологических процессов, таких как прогорклость, насекомые, бактерии и гниение, среди прочего. [18] Хранение в контролируемой атмосфере (CA) относится к атмосфере, которая отличается от нормального воздуха и постоянно строго контролируется. [18] Этот тип хранилища регулирует уровни CO 2 и O 2 в герметичных хранилищах контейнеров. Измененная атмосфера(MA) хранение относится к любой атмосфере, отличной от обычного воздуха, обычно создаваемой путем смешивания CO 2 , O 2 и N 2.

Управление отходами [ править ]

Другой процесс биологической инженерии в пищевой инженерии включает переработку сельскохозяйственных отходов. Хотя это может больше относиться к сфере 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 понимать, какие организмы участвуют в разложении отходов и побочные продукты, которые будут образовываться в результате их деятельности.

Чтобы обсудить прямое применение биологической инженерии, методы обработки биологических отходов используются для обработки органических отходов и иногда для создания полезных побочных продуктов. Существует два основных процесса, посредством которых органическое вещество обрабатывается микробами: аэробные процессы и анаэробные процессы. Эти процессы превращают органическое вещество в клеточную массу посредством процессов синтеза микроорганизмов. Аэробные процессы протекают в присутствии кислорода, используют органические вещества в качестве входных данных и производят воду, углекислый газ, нитраты и новую клеточную массу. Анаэробные процессы происходят в отсутствие кислорода и производят меньшую клеточную массу, чем аэробные процессы. Дополнительным преимуществом анаэробных процессов является то, что они также генерируют метан, который можно сжигать в качестве источника топлива.Проектирование заводов по переработке аэробных и анаэробных биологических отходов требует тщательного контроля температуры, влажности, концентрации кислорода и соответствующих отходов. Понимание всех аспектов системы и того, как они взаимодействуют друг с другом, важно для разработки эффективных заводов по управлению отходами и относится к сфере биологической инженерии.[8]

См. Также [ править ]

  • биологическая инженерия
  • наука о еде
  • Генетически модифицированный организм
  • Генетически модифицированная пища
  • Генетически модифицированные культуры

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Стать инженером пищевой промышленности: Дорожная карта образования и карьеры» . Study.com . Проверено 2 апреля 2018 .
  2. ^ a b «Биологическая инженерия | Департамент биологической и экологической инженерии» . bee.cals.cornell.edu . Проверено 3 апреля 2018 .
  3. ^ "Биологическая инженерия | Отдел биологической и экологической инженерии" . bee.cals.cornell.edu . Проверено 19 апреля 2018 .
  4. ^ "Пищевые ученые и технологи" . www.bls.gov . Проверено 3 апреля 2018 .
  5. ^ "Устойчивые к насекомым культуры посредством генной инженерии" . www.aces.uiuc.edu . Проверено 3 апреля 2018 .
  6. ^ «Вспышки болезней пищевого и водного происхождения - США, 1971–2012» . www.cdc.gov . Проверено 18 апреля 2018 .
  7. ^ «Молекулярные методы в пищевой биологии: безопасность, биотехнология, подлинность и прослеживаемость» . Wiley.com . 2018-03-12 . Проверено 1 апреля 2018 .
  8. ^ a b c Рамасвами, Рагхупати; Ан, Джухи; Balasubramaniam, VM; Саона, Луис Родригес; Юсеф, Ахмед Э. (январь 2013 г.). «Техника безопасности пищевых продуктов». Справочник по машиностроению фермы, молочного и пищевого машиностроения (второе изд.). Эльзевир. С. 43–66. DOI : 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 / IFT . Проверено 30 марта 2018 .
  10. ^ а б Перри, JD; Фрейдьер, AM (2007). «Применение хромогенных сред в клинической микробиологии» . Журнал прикладной микробиологии . 103 (6): 2046–2055. DOI : 10.1111 / j.1365-2672.2007.03442.x . PMID 18045388 . 
  11. ^ Vosough Масуд (2010). «Статья о хромогенных средах» (PDF) . Conda News .
  12. ^ a b Институт пищевых технологий (2 июня 2000 г.). «Кинетика микробной инактивации для альтернативных технологий пищевой промышленности» (PDF) . FDA .
  13. ^ Рахман М. Shafiur (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание . http://www.cold.org.gr/library/downloads/Docs/Handbook%20of%20Food%20Preservation.PDF : CRC Press. С. 571–574. ISBN 978-1-57444-606-7.CS1 maint: location ( ссылка )
  14. ^ Рахман М. Shafiur (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание . http://www.cold.org.gr/library/downloads/Docs/Handbook%20of%20Food%20Preservation.PDF : CRC Press. С. 586–587. ISBN 978-1-57444-606-7.CS1 maint: location ( ссылка )
  15. ^ a b Берк, Зеки (3 июля 2013 г.). "Технологии и технологии пищевых производств" . ebookcentral.proquest.com . Проверено 1 апреля 2018 .
  16. ^ Рахман М. Shafiur (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание . http://www.cold.org.gr/library/downloads/Docs/Handbook%20of%20Food%20Preservation.PDF : CRC Press. п. 763. ISBN 978-1-57444-606-7.CS1 maint: location ( ссылка )
  17. ^ Рахман М. Shafiur (2007). Справочник по сохранению пищевых продуктов, второе издание . http://www.cold.org.gr/library/downloads/Docs/Handbook%20of%20Food%20Preservation.PDF : CRC Press. С. 19–23. ISBN 978-1-57444-606-7.CS1 maint: location ( ссылка )
  18. ^ a b «Модифицированные и контролируемые атмосферы для хранения, транспортировки и упаковки садоводческих товаров» . CRC Press . Проверено 1 апреля 2018 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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). Безопасность и сохранение микробных пищевых продуктов. Бока-Ратон: CRC Press Taylor & Francis Group. ISBN 9781138033801