Pārtikas inženierzinātnes mērķis ir radīt procesus, kas ļauj ražot nekaitīgus, garšīgus pārtikas produktus ar specifiskām īpašībām un struktūru. Kad process ir radīts un izveidots, pārtikas inženierzinātnē pētījumi tiek turpināti, lai iegūtu padziļinātas zināšanas par procesu, uzlabotu un optimizētu procesu, lai sasniegtu labāku rezultātu, samazinātu izmaksas un ietekmi uz apkārtējo vidi, vienlaikus nodrošinot pārtikas produktu nekaitīgumu, stabilitāti un kvalitāti. Pārtikas inženierzinātne ir radniecīga ķīmijas inženierzinātnei, bet vienlaikus atšķirīga no tās, jo pārtikas sastāvs ir ļoti komplicēts un mikrobioloģiskā piesārņojuma risks var ne tikai sabojāt produktus, bet arī apdraudēt cilvēku veselību. Tādēļ visām iekārtām un procesiem pārtikas nozarē piemēro īpašas higiēnas prasības. Pārtikas inženierzinātne balstās uz fundamentālām zināšanām fizikā, bioloģijā un mikrobioloģijā, ķīmijā un bioķīmijā, ķīmijas un lauksaimniecības inženierzinātnēs. Pārtikas ražošanas procesu pamatā ir siltuma un masas apmaiņas procesi, termodinamikas likumi, reakciju kinētika, fāzu pāreja (agregātstāvokļa maiņa), kā arī mehānikas pamatlikumi, kas tiek pētīti arī citās dabaszinātņu un inženierzinātņu nozarēs. Mūsdienās pārtikas inženierzinātne padziļināti pēta arī produktu struktūru un modelē produktu asimilēšanās procesus cilvēka organismā.
pārtikas inženierzinātne
Saistītie šķirkļi
Satura rādītājs
Pārtikas produktu saglabāšanas iespējas ir sekmējušas cilvēces attīstību, jo cilvēki no tropiskajiem reģioniem, kur pārtika pieejama cauru gadu, varēja pārvietoties uz citiem reģioniem tikai tad, kad bija izdomāts kā produktus saglabāt sezonai, kad tie dabā nav pieejami. Līdzīgi notika arī ar lielo pilsētu veidošanos divdesmitā gadsimta vidū, kad pārtiku sāka ražot lielākos lauksaimniecības uzņēmumos, to apstrādāt un piegādāt patērētājiem. Šajā laikā par izaicinājumu kļuva pietiekama daudzuma produktu ražošana. Līdz ar to sāka attīstīties pārtikas rūpniecība un loģistikas ķēdes, kas nodrošina produktu transportēšanu, uzglabāšanu un piegādi tirdzniecības vietām. Uzdevums nodrošināt pietiekamu daudzumu kvalitatīvas pārtikas ir saglabājies līdz mūsdienām, jo strauji aug planētas iedzīvotāju skaits. Zinātnieku izstrādātās produktu saglabāšanas metodes ļauj piegādāt produktus jebkur, un tie pieejami veikalos visu gadu.
Mūsdienās pārtikas inženierzinātne saskaras ar jauniem izaicinājumiem, jo uzturzinātnes un pārtikas ķīmijas atklājumi liecina, ka vajadzētu samazināt sāls un cukura saturu produktos. Šīm vielām produktos ir īpaša loma kā konservantiem, kas ļauj pagarināt uzglabāšanas laiku, un tie pilda dažādas tehnoloģiskas funkcijas, tādēļ pārtikas zinātniekiem jāmeklē risinājumi. Cilvēkiem ir pietiekami līdzekļi, lai iegādātos pārtiku, un dzīvesveids kļuvis daudz mazkustīgāks, tāpēc novērojama palielināta ķermeņa masa. Tādēļ patērētāji pieprasa produktus ar samazinātu tauku un cukuru vai palielinātu šķiedrvielu un olbaltumvielu saturu. Tādēļ nepieciešamas jaunas metodes produktu ražošanai, turklāt tādas, kas pēc iespējas vairāk saglabātu izejvielās esošās bioaktīvās vielas.
Lai veiksmīgi saražotu visaugstākās kvalitātes produktus, katram ražošanas posmam jābūt labi izprojektētam. Pārtikas inženierzinātne apkopo pamatinformāciju par operāciju realizēšanu, ko tālāk izmanto iekārtu projektēšanā. Tas ietver pārtikas ražošanas tehnoloģiskās operācijas un projektēšanai nepieciešamās aprēķinu metodes.
Pārtikas inženierzinātne ir daudzdisciplināra pārtikas zinātnes apakšnozare, kas pēta produktu fizikālās īpašības, tradicionālas un modernas produktu pārstrādes tehnoloģijas, netermiskos un inovatīvos procesus, pārtikas procesu modelēšanu un pārtikas ražošanas uzņēmumu un procesu projektēšanu un optimizāciju.
Pārtikas inženierzinātne ietver pārtikas pārstrādes, transformēšanas un konservēšanas pamatprincipus (piemēram, mehāniskā apstrāde, dzesēšana un saldēšana, jaunās pārtikas apstrādes metodes kā nanotehnoloģija, elektriskās apstrādes metodes utt.), materiālzinātni (pārtikas īpašības un pārtikas kontakta materiālu īpašības mijiedarbībā ar produktiem), pārtikas iekārtas. Tā ietver arī uzņēmumu projektēšanu, kas saistīta ar visu ražošanas procesu – uzglabāšanu un loģistiku, transportēšanas sistēmām, pārtikas produktu ražošanas iekārtām; palīgiekārtām un mašīnām (piemēram, tvaika ģenerators, aukstuma iekārta, ūdens apgāde); instrumentiem un automatizēto kontroli, apkārtējās vides aizsardzības jautājumiem, apkārtējās vides un ekonomiskajiem aspektiem, uzņēmumu modelēšanu un darbības nodrošināšanu.
Pārtikas inženierzinātnes uzdevums sākotnēji bija procesu un iekārtu projektēšana konkrēta produkta ekonomiskai ražošanai. Tad procesu un iekārtu projektēšana lauksaimniecības izejvielu pārveidošanai noteiktas kvalitātes galaproduktos. Procesu analīzes pamatā ir masas un enerģijas nezūdamības likumi, termodinamikas likumi, izpratne par agregātstāvokļa maiņu, masas apmaiņas un siltuma apmaiņas teorijas. Citās inženierzinātņu nozarēs šo procesu izpēte galvenokārt ir saistīta ar procesu fizikālo dabu. Turpretī pārtikas inženierzinātnē tie ļoti cieši saistīti ar bioloģijas un ķīmijas nozarēm, jo apstrādes procesu rezultātā izejvielu īpašības ievērojami izmainās. Piemēram, gaļa kūpināšanas procesā iegūst specifisko garšu, palielinās tās uzglabāšanas laiks; siera graudu nogatavināšanas procesā mainās siera struktūra un garša; mīklas cepšanas rezultātā iegūst maizi. Izmaiņas, kas notiek produktos, var būt vēlamas – produkts iegūst patīkamu garšu, krāsu, aromātu, vēlamo struktūru, tiek inaktivēti mikroorganismi un enzīmi, vai arī nevēlamas – noārdās bioaktīvās vielas, parādās nepatīkamas sensorās īpašības.
Pārtikas pārstrādes procesu projektēšanai izmanto fizikālos un simboliskos modeļus, kas balstās uz ķīmijas inženierzinātnē izstrādāto līdzības teoriju. Fizikālo parametru līdzību savos pētījumos jau senatnē novēroja Galileo Galilejs (Galileo Galilei), Īzaks Ņūtons (Sir Isaac Newton), Viljams Frūds (William Froude). Līdzības teoriju pētījuši un attīstījuši zinātnieki Osborns Reinoldss (Osborne Reynolds), Žozefs Furjē (Joseph Fourier), Vilhelms Nuselts (Wilhelm Nusselt), Francs Grashofs (Franz Grashof) u. c. Saskaņā ar Ī. Ņūtona formulējumu – savā starpā līdzīgām parādībām ir skaitliski vienādi līdzības skaitļi. Piemēram, Reinoldsa skaitlis (Reynolds number) raksturo plūsmas režīmu, kas var būt laminārs, pārejas vai turbulents. Tas savukārt ietekmē plūsmas pretestību un siltuma atdevi. Nuselta skaitlis (Nusselt number) raksturo siltuma atdevi šķidrumos un gāzveida vidē, Arhimeda skaitlis (Archimedes number) – vides kustību blīvuma starpības rezultātā, Frūda skaitlis (Froude number) – inerces un zemes pievilkšanās spēku attiecību, Prantla skaitlis (Prandtl number) – vides siltumfizikālās īpašības. Dabā notiekošās parādības var raksturot kā funkcionālas sakarības starp līdzības skaitļiem.
Pateicoties sasniegumiem citās nozarēs – biotehnoloģijā, kas nodrošina izejvielas ar uzlabotām īpašībām, informāciju tehnoloģijas jomā, kas ļauj modelēt un simulēt procesus, un materiālu zinātnēs, kas veicina produktu reoloģisko īpašību izpēti un prognozē to ietekmi uz gatavo produktu kvalitāti.
Pārtikas produktu uzglabāšanas laika pagarināšanai izmanto daudzveidīgas metodes, kuras var grupēt šādi: termiskā apstrāde (pasterizācija, sterilizācija), dzesēšana vai saldēšana, ķīmisko vielu pielietošana, inovatīvas netermiskās apstrādes metodes, mitruma aizvadīšana (koncentrācijas paaugstināšana vai kaltēšana), kuru pamatā ir pārtikas inženierzinātnes izstrādātās teorijas.
Pārtikas inženierzinātnes pētniecības metodes pamatojas uz fizikā, ķīmijā un bioloģijā iegūto zināšanu sintēzi kvalitatīvu pārtikas produktu ražošanai, kā arī to stabilitātes un nekaitīguma nodrošināšanai. Pētījumiem tiek pielāgotas ķīmijas vai lauksaimniecības inženierzinātnēs izstrādātās metodes, jo šo nozaru attīstība ir aizsākusies daudz senāk par pārtikas inženierzinātni.
Tā kā pārtikas produktus veido komplicētas vielas, piemēram, olbaltumvielas, tauki, ogļhidrāti, šķiedrvielas, vitamīni u. c. bioaktīvas vielas, nepieciešami pētījumi mikroskopiskā līmenī, kur noder ķīmijā, bioķīmijā un mikrobioloģijā lietotās pētniecības metodes. Savukārt produktu izmaiņu novērtēšanai pārstrādes procesos izmanto termodinamikas, masas pārejas, siltuma pārejas likumsakarības un reoloģisko īpašību analīžu metodes.
Mūsdienās pārtikas procesu modelēšanai arvien plašāk izmanto datortehnikas piedāvātās iespējas, kad īsā laikā iespējams veikt apjomīgus aprēķinus. Otra informācijas tehnoloģiju piedāvātā iespēja ir procesu kontrole un vadīšana.
Pārtikas inženierzinātnes pirmsākumi meklējami daudzus gadu tūkstošus pirms mūsu ēras, kad cilvēki izdomāja, kā cept maizi, kūpināt gaļu vai zivis, kaltēt produktus saulē, izmantot ūdens spēku miltu malšanai. Šos procesus realizēja, lai pārveidotu izejvielas par ēdamiem produktiem vai palielinātu glabāšanas laiku. Cilvēki tos atklāja, uzkrājot pieredzi, mēģinājumu un kļūdu analīzes rezultātā.
Tomēr par pārtikas inženierzinātni var runāt tikai no brīža, kad tika veikti nozīmīgi atklājumi, piemēram, Nikolā Apēra (Nicolas Appert) izgudrotais produktu termiskās apstrādes paņēmiens speciālas formas stikla pudelēs 19. gs. sākumā. Pīters Durends (Peter Durand) 1810. gadā atklāja, ka šādu paņēmienu var izmantot arī metāla tarā iepakotu produktu apstrādei. Tomēr tikai 1862. gadā Luijs Pastērs (Louis Pasteur) noskaidroja, ka produktu bojāšanās cēlonis ir mikroorganismi un tos var inaktivēt karsēšanas rezultātā, kombinējot temperatūru un laiku. Mūsdienās šo procesu sauc par pasterizāciju. Liels pārtikas inženierzinātnes sasniegums bija margarīna ražošanas tehnoloģijas izveide, ko paveica Ipolits Mežs Murjess (Hippolyte Mège-Mouriès) 1869. gadā.
Līdz 20. gs. vidum pārtikas inženierzinātnes pamatuzdevums bija saglabāt produktus, novēršot to bojāšanos mikroorganismu un fermentu darbības rezultātā, vienlaikus saglabājot produkta uzturvērtību un garšu. Lielā mērā tas kļuva iespējams, pateicoties aukstuma iekārtu izgudrošanai un pielietošanai. Sākotnēji produktu dzesēšanai un saldēšanai izmantoja dabā pieejamas vielas, un 1842. gadā Henrijs Bendžamins (Henry Benjamin) patentēja pārtikas produktu ātrsaldēšanu, iegremdējot produktus aukstā vidē, ko veidoja ledus un sāls maisījums. Vēl senāka informācija liecina, ka Džeikobs Rasels (Jacob Russel) ap 1851. gadu pirmo reizi rūpnieciski sāka gatavot saldējumu. Sākotnēji aukstuma iekārtas izmantoja rūpnieciskai izejvielu sasaldēšanai – augļiem, ogām, zivīm, gaļai. Amerikāņu uzņēmējs Klerenss Bērdsaijs (Clarence Frank Birdseye) 1923. gadā nodibināja kompāniju saldētu produktu ražošanai. Viņš pievērsās saldēšanas procesa izpētei un ieviesa dažādus jauninājumus – pierādīja ātras saldēšanas nozīmi, izgudroja plākšņu tipa ātrsaldētāju, uzsāka saldēto produktu mārketingu mazumtirdzniecības tīklā, pierādīja, ka no saldētiem produktiem gatavotie ēdieni ir kvalitatīvāki nekā tie, kas gatavoti no konservētiem produktiem, kā arī nepieciešamību uzglabāšanas laikā uzturēt nemainīgu temperatūru (zem -12 °C), uzsāka gatavo ēdienu saldēšanu.
Attīstoties pārtikas inženierzinātnei, tika atklāti un izpētīti arī citi procesi dažādu produktu ražošanai – šķīstošai kafijai un tējai, kartupeļu pārslām, gataviem saldētiem ēdieniem, majonēzei, ekstrudētiem produktiem, kā arī veikta procesu optimizācija, izprojektējot nepārtrauktas darbības sviesta, kā arī mīklas gatavotāju un formētāju. Kā sasniegumus var minēt arī tādus procesus kā sublimācija, mikrofiltrēšana un citi membrānu procesi, aseptiskā pildīšana, iepakošana modificētā gāzu vidē, procesu automatizēta kontrole, produktu apstarošana, omiskā jeb pretestības sildīšana, augstspiediena apstrāde, ultraskaņas veicināta ekstrakcija, mikroviļņu sildīšana, kuru realizācijai izstrādāti tehniski risinājumi un iekārtas.
Pārtikas inženierzinātnes mērķis nodrošināt pietiekamu daudzumu kvalitatīvas un nekaitīgas pārtikas saglabājas arī mūsdienās, jo pieaug pasaules iedzīvotāju skaits. Īpaši liels pieaugums tiek prognozēts ekonomiski mazāk attīstītos reģionos. Tādēļ inženierzinātnē tiek meklēti risinājumi, kā efektīvi un ilgtspējīgi palielināt saražoto pārtikas produktu apjomu. Demogrāfiskās situācijas analīze liecina, ka mainās iedzīvotāju sadalījums vecuma grupās – strauji pieaug vecāku cilvēku proporcija. Tā 1950. gadā uz katriem 100 iedzīvotājiem astoņi bija vecāki par 65 gadiem, 2017. gadā – 12, tiek prognozēts, ka 2050. gadā tas sasniegs 25. Tātad pārtikas inženierzinātnei jābūt gatavai risināt šīs vecuma grupas iedzīvotāju vajadzības pēc specializētas pārtikas. Turklāt jāņem vērā arī mūsdienu patērētāju vajadzības un sociālie izaicinājumi. Patērētāji pieprasa augstas kvalitātes nekaitīgus produktus ar biofunkcionālām īpašībām, izcilām sensorām īpašībām, garu derīguma termiņu un ērtu lietošanu, un tai pašā laikā minimāli pārstrādātus “tīrās etiķetes” (clean label) produktus, ilgstpējīgi, apkārtējai videi draudzīgi un energoefektīvi ražotus produktus par saprātīgu cenu. Šādas prasības izvirza jaunus izaicinājumus tradicionālo procesu nepārtrauktai uzlabošanai, kā arī jaunu produktu un procesu radīšanai: piemēram, nodrošināt produktu nekaitīgumu, uzlabojot higiēnisko dizainu, nodrošināt atbilstošu iepakojumu, izstrādāt un verificēt labākus modeļus; izmantot kvantitatīvo mikrobioloģiju un jaunos matemātikas rīkus, lai uzlabotu mikrobiālā riska novērtēšanu. Mūsdienās pārtikas inženierzinātnes mērķis ir arī uzlabot produktu kvalitātes kontroli ar inteliģentām, datorizētām automatizācijas sistēmām, uzlabot uzraudzības un kontroles sistēmas un veidot elastīgu pārtikas ražošanu tā, lai nodrošinātu ražošanas procesus ar kompleksu savstarpēji saistītu parametru uzraudzību, un iegūtu personalizētus produktus.
Mūsdienās pārtikas inženierzinātnes pētījumu loks paplašinās, ietverot jaunu pārtikas produktu izstrādi, cilvēka organismā notiekošo procesu izpēti produktu sastāvdaļu biopieejamības novērtēšanai, jaunu tehnoloģiju attīstību, iekārtu projektēšanu, iepakojuma, sensoru un automatizācijas attīstību. Pārtikas inženierzinātņu inovāciju mērķi: saprātīgas izmaksas (patērētāju prasības – nulles risks, lietotājam un videi draudzīgs, svaiga garša un aromāts, ilgs derīguma termiņš, zema cena); efektīva ūdens un enerģijas izmantošana; ilgtspējība attiecībā uz ūdeni, enerģiju un izejvielām; procesi un produkti (tradicionālo metožu pielāgošana un kombinēšana ar modernām metodēm un tehnoloģijām, mērierīcēm, nanotehnoloģiju un biozinātnēm). Nākotnē zināšanas par produktu īpašībām molekulārā līmenī un reakciju kinētiku, izmantojot datortehnikas piedāvāto simulēšanu, ļaus ražot produktus ar vēlamo struktūru un funkcijām.
Pētniecību pārtikas inženierzinātnes jomā veic daudzās universitātēs, piemēram, Vāgeningenas Universitāte (Wageningen University & Research) Nīderlandē; Valsts Lauksaimniecības un pārtikas rūpniecības augstskola (École Nationale Supérieure des Industries Agricoles et Alimentaires, ENSIA) Francijā; Berlīnes Tehniskā universitāte (Technische Universität Berlin) Vācijā; Redingas Universitāte (University of Reading) Lielbritānijā; Kalifornijas Universitāte (University of California) Deivisā, Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV); Vašingtonas Universitāte (Washington State University) ASV. Pārtikas inženieri ir apvienojušies asociācijās, kurām ir nozīmīga loma pētniecības attīstībā, piemēram, Starptautiskā Pārtikas inženieru biedrība (International Society of Food Engineering, ISFE, 2004) Vašingtonā, ASV; Pārtikas tehnologu institūts (Institute of Food Technologists, 1939) Čikāgā, ASV; Eiropas Pārtikas inženierzinātnes akadēmija (European Academy of Food Engineering, EAFE, 2012) Vageningenā, Nīderlandē; Eiropas Higiēnisko iekārtu un dizaina grupa (European Hygienic Engineering & Design Group, EHEDG, 1989) Frankfurtē, Vācijā; Pārtikas inženieru biedrība (Society of Food Engineering, 1991) ASV; Austrālijas Pārtikas inženieru asociācija (Australian Food Engineering Association, AFEA, 1967) Sidnejā, Austrālijā.
Lielu ieguldījumu inženierzinātnes attīstībā sniedz arī iekārtu ražotāji Tetra Laval grupa (kopš 1993. gada), kura ietver Tetra Pak un DeLaval gupas (Zviedrija); Džona Bīna tehnoloģiju korporācija (kopš 1880. gada, John Bean Technologies Corporation’, JBT) ASV; GEA grupa (kopš 1881. gada, Gesellschaft für Entstaubungsanlagen) Vācija; Afa Laval korporācija (kopš 1883. gada; Zviedrija); Lagarde Autoclaves (kopš 1921. gada; Francija); Key Technology (kopš 1948. gada; ASV); SPX FLOW (kopš 1998. gada; ASV); Krones (kopš 1951. gada; Vācija).
Nozīmīgākos pārtikas inženierzinātnes atklājumus publicē specializēti zinātniskie žurnāli: Journal of Food Engineering (kopš 1982. gada, izdevējs Starptautiskā Pārtikas inženieru biedrība, International Society of Food Engineering), The Journal of Food Process Engineering (kopš 1977. gada, izdevējs Wiley Online Library), Food Engineering Reviews (kopš 2009. gada, izdevējs Springer), Innovative Food Science & Emerging Technologies (kopš 2000. gada, izdevējs Elsevier), Biotechnology and Bioengineering (kopš 1959. gada, izdevējs Wiley Online Library), Drying Technology (kopš 1983. gada, izdevējs Taylor & Francis Online), Food Hydrocolloids (kopš 1986. gada, izdevējs Elsevier), Food Structure (kopš 2014. gada, Elsevier). Pārtikas inženierzinātnes aktualitātes publicē arī citi pārtikas zinātnes nozares žurnāli.