Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Ingeniería de procesos biológicos y alimentarios

La ingeniería de procesos alimentarios y biológicos es una disciplina que se ocupa de aplicar los principios de la ingeniería a los campos de la producción y distribución de ali...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

La ingeniería de procesos alimentarios y biológicos es una disciplina que se ocupa de aplicar los principios de la ingeniería a los campos de la producción y distribución de alimentos y la biología. Es un campo amplio, donde los profesionales desempeñan diversas funciones, desde el diseño de equipos para el procesamiento de alimentos hasta la modificación genética de organismos. [ 1 ] [ 2 ] En cierto modo, es un campo combinado, que se nutre de las disciplinas de la ciencia de los alimentos y la ingeniería biológica para mejorar el suministro de alimentos del planeta .

La creación, el procesamiento y el almacenamiento de alimentos para abastecer a la población mundial requieren un amplio conocimiento interdisciplinario. Cabe destacar que existen numerosos procesos de ingeniería biológica dentro de la ingeniería de alimentos para manipular la multitud de organismos involucrados en nuestra compleja cadena alimentaria. La seguridad alimentaria, en particular, requiere estudios biológicos para comprender los microorganismos involucrados y cómo afectan a los seres humanos. Sin embargo, otros aspectos de la ingeniería de alimentos, como el almacenamiento y el procesamiento de alimentos, también requieren un amplio conocimiento biológico tanto de los alimentos como de los microorganismos que los habitan. Este conocimiento de microbiología y biología de los alimentos se convierte en ingeniería biológica cuando se crean sistemas y procesos para mantener las propiedades deseables de los alimentos y los microorganismos, a la vez que se proporcionan mecanismos para eliminar los desfavorables o peligrosos. [ 3 ]

Conceptos

En el campo de la ingeniería de procesos biológicos y alimentarios intervienen muchos conceptos diferentes. A continuación, se enumeran algunos de los más importantes.

Ciencia de los alimentos

La ciencia que estudia los alimentos y su producción implica analizar cómo se comportan y cómo se pueden mejorar. Los investigadores analizan la longevidad y la composición (es decir, ingredientes, vitaminas, minerales, etc.) de los alimentos, así como la forma de garantizar su seguridad. [ 4 ]

Ingeniería genética

La ingeniería moderna de procesos biológicos y alimentarios depende en gran medida de las aplicaciones de la manipulación genética. Al comprender las plantas y los animales a nivel molecular, los científicos pueden modificarlos genéticamente con objetivos específicos en mente. [ 2 ]

Entre las aplicaciones más destacadas de la ingeniería genética se encuentra la creación de plantas resistentes a enfermedades o insectos , como aquellas modificadas para producir Bacillus thuringiensis , una bacteria que mata a cepas específicas de insectos al ser consumida. [ 5 ] Sin embargo, los insectos pueden adaptarse a las cepas de Bacillus thuringiensis , lo que requiere investigación continua para mantener la resistencia a las enfermedades.

Seguridad alimentaria

Esta figura ilustra la vía de conservación de alimentos que siguen las bacterias lácticas con la ayuda de la nisina , así como la vía de conservación que sigue la sal. Además, se ilustra y describe el efecto de barrera que se produce al añadir bacterias lácticas y sal a un producto alimenticio.

Una tarea importante en el ámbito de la seguridad alimentaria es la eliminación de los microorganismos responsables de las enfermedades transmitidas por los alimentos. Las enfermedades transmitidas por los alimentos y el agua siguen representando un grave problema de salud, con cientos de brotes notificados anualmente desde 1971 solo en Estados Unidos. [ 6 ] El riesgo de estas enfermedades ha aumentado a lo largo de los años, principalmente debido a la manipulación inadecuada de los alimentos crudos, la falta de higiene y las precarias condiciones socioeconómicas. Además de las enfermedades causadas por la infección directa de patógenos, algunas enfermedades transmitidas por los alimentos se deben a la presencia de toxinas producidas por microorganismos en los alimentos. Existen cinco tipos principales de patógenos microbianos que contaminan los alimentos y el agua: virus , bacterias , hongos , protozoos patógenos y helmintos . [ 7 ]

Varias bacterias, como E. coli , Clostridium botulinum y Salmonella enterica , son bien conocidas y se buscan para su eliminación mediante diversos procesos industriales. Si bien las bacterias suelen ser el foco de los procesos de seguridad alimentaria, también se sabe que los virus, protozoos y mohos causan enfermedades transmitidas por los alimentos y son motivo de preocupación al diseñar procesos para garantizar la seguridad alimentaria. Aunque el objetivo de la seguridad alimentaria es eliminar los organismos dañinos de los alimentos y prevenir las enfermedades transmitidas por los alimentos, la detección de dichos organismos es otra función importante de los mecanismos de seguridad alimentaria. [ 8 ] [ 9 ]

Monitoreo y detección

El objetivo de la mayoría de los procesos de monitoreo y detección es identificar rápidamente microorganismos dañinos con una mínima interrupción en el procesamiento de los alimentos. Un ejemplo de mecanismo de detección que se basa en gran medida en procesos biológicos es el uso de medios microbiológicos cromogénicos.

Medios microbiológicos cromogénicos

Los medios microbiológicos cromogénicos utilizan enzimas coloreadas para detectar la presencia de ciertas bacterias. En el cultivo bacteriano convencional, las bacterias crecen en un medio que admite muchas cepas. Dado que es difícil aislar bacterias, se pueden formar muchos cultivos de diferentes bacterias. Para identificar un cultivo bacteriano en particular, los científicos deben identificarlo basándose únicamente en sus características físicas. Luego se pueden realizar pruebas adicionales para confirmar la presencia de la bacteria, como pruebas serológicas que detectan los anticuerpos formados en los organismos como respuesta a una infección. [ 10 ] En cambio, los medios microbiológicos cromogénicos utilizan enzimas productoras de color específicas que son metabolizadas por una cepa bacteriana determinada. Por lo tanto, si los cultivos en cuestión están presentes, el medio se coloreará en consecuencia a medida que las bacterias metabolizan la enzima productora de color. Esto facilita enormemente la identificación de ciertos cultivos bacterianos y puede eliminar la necesidad de pruebas adicionales. Para evitar la identificación errónea de bacterias, las placas cromogénicas suelen incorporar enzimas adicionales que serán procesadas por otras bacterias. Ahora, a medida que las bacterias no objetivo interactúan con las enzimas adicionales, producirán colores que las distinguirán de las bacterias objetivo. [ 10 ] [ 11 ]

Mecanismos

La seguridad alimentaria se practica desde hace miles de años, pero con el auge de la agricultura altamente industrializada, la demanda de seguridad alimentaria ha aumentado constantemente, impulsando así una mayor investigación sobre cómo lograr una mayor seguridad alimentaria. Un mecanismo principal que se analizará en este artículo es el calentamiento de los productos alimenticios para eliminar microorganismos, ya que tiene una historia milenaria y todavía se utiliza ampliamente. Sin embargo, se han creado mecanismos más recientes, como la aplicación de luz ultravioleta, alta presión, campo eléctrico , plasma frío, uso de ozono e irradiación de alimentos. [ 12 ]

Calefacción

Un informe presentado a la Administración de Alimentos y Medicamentos por el Instituto de Tecnólogos de Alimentos analiza exhaustivamente el procesamiento térmico de los alimentos. [ 12 ] Un paso notable en el desarrollo de la aplicación de calor al procesamiento de alimentos es la pasteurización , desarrollada por Louis Pasteur en el siglo XIX. La pasteurización se utiliza para eliminar microorganismos que podrían representar riesgos para los consumidores o acortar la vida útil de los productos alimenticios. Aplicada principalmente a productos alimenticios líquidos, la pasteurización se aplica regularmente a jugos de frutas, cerveza, leche y helados. El calor aplicado durante la pasteurización varía desde aproximadamente 60  °C para eliminar bacterias hasta aproximadamente 80  °C para eliminar levaduras. La mayoría de los procesos de pasteurización se han optimizado recientemente para incluir varias etapas de calentamiento a diversas temperaturas y minimizar el tiempo necesario para el proceso. [ 13 ]

Dibujo básico de un compresor de amoníaco. Los compresores de amoníaco se utilizan en muchas fábricas para enfriar productos alimenticios.

Un mecanismo de calentamiento de alimentos más severo es la esterilización térmica . Si bien la pasteurización destruye la mayoría de las bacterias y levaduras que crecen en los alimentos, el objetivo de la esterilización es eliminar casi todos los organismos viables presentes en ellos, incluyendo levaduras, mohos, bacterias y organismos formadores de esporas. Realizado correctamente, este proceso prolonga considerablemente la vida útil de los alimentos y permite almacenarlos a temperatura ambiente. Como se detalla en el Manual de Conservación de Alimentos, la esterilización térmica generalmente consta de cuatro pasos. Primero, los alimentos se calientan a una temperatura de entre 110 y 125  °C, y se les da tiempo para que el calor atraviese completamente el material. Después, la temperatura debe mantenerse el tiempo suficiente para eliminar los microorganismos antes de enfriar el alimento para evitar que se cocine. En la práctica, aunque se podría lograr la esterilidad completa de los alimentos, el calentamiento intenso y prolongado necesario para ello podría reducir su valor nutritivo; por lo tanto, solo se realiza una esterilización parcial. [ 14 ]

Proceso de baja temperatura

El procesamiento a baja temperatura también desempeña un papel esencial en el procesamiento y almacenamiento de alimentos. Durante este proceso, los microorganismos y las enzimas se someten a bajas temperaturas. A diferencia del calentamiento, el enfriamiento no destruye las enzimas ni los microorganismos, sino que simplemente reduce su actividad, lo cual es efectivo mientras se mantenga la temperatura. Al aumentar la temperatura, la actividad se incrementará nuevamente. Por consiguiente, a diferencia del calentamiento, el efecto de conservación por frío no es permanente; de ​​ahí la importancia de mantener la cadena de frío durante toda la vida útil del producto alimenticio. [ 15 ]

Es importante destacar que existen dos procesos distintos a baja temperatura: la refrigeración y la congelación. La refrigeración consiste en aplicar temperaturas entre 0 y 8  °C, mientras que la congelación suele realizarse por debajo de 18  °C. La refrigeración ralentiza el deterioro de los alimentos y reduce el riesgo de proliferación bacteriana; sin embargo, no mejora la calidad del producto.

Irradiación

La irradiación de alimentos es otro proceso notable de ingeniería biológica para lograr la seguridad alimentaria. La investigación sobre la posible utilización de la irradiación ionizante para la conservación de alimentos comenzó en la década de 1940 como una extensión de los estudios sobre el efecto de la radiación en las células vivas. [ 15 ] La FDA aprobó el uso de radiación ionizante en productos alimenticios en 1990. Esta radiación extrae electrones de los átomos, y estos electrones dañan el ADN de los microorganismos que viven en los alimentos, matándolos. La irradiación se puede utilizar para pasteurizar productos alimenticios, como mariscos, aves y carne roja, lo que hace que estos productos sean más seguros para los consumidores. [ 8 ] Cierta irradiación también se utiliza para retrasar los procesos de maduración de la fruta, lo que puede matar los microorganismos que aceleran la maduración y el deterioro de los productos. Bajas dosis de radiación también se pueden utilizar para matar insectos que viven en cultivos cosechados, ya que la radiación detendrá el desarrollo de los insectos en varias etapas y dañará su capacidad de reproducción. [ 16 ]

Almacenamiento y conservación de alimentos

Carne que ha sido sometida a un proceso de envasado en atmósfera modificada; una técnica utilizada para este fin.

El almacenamiento y la conservación de alimentos son componentes clave de los procesos de ingeniería alimentaria y dependen en gran medida de la ingeniería biológica para comprender y manipular los organismos involucrados. Cabe destacar que los procesos de seguridad alimentaria mencionados anteriormente, como la pasteurización y la esterilización, destruyen los microorganismos que también contribuyen al deterioro de los alimentos, sin que ello suponga necesariamente un riesgo para la salud humana. Comprender estos procesos, sus efectos y los microorganismos que intervienen en las diversas técnicas de procesamiento de alimentos es una tarea fundamental de la ingeniería biológica dentro de la ingeniería alimentaria. Es necesario crear fábricas y procesos que garanticen un procesamiento eficiente y eficaz de los alimentos, lo cual, una vez más, depende en gran medida de la experiencia en ingeniería biológica.

Producir

La conservación y el procesamiento de productos frescos plantean numerosos desafíos de ingeniería biológica. La comprensión de la biología es particularmente importante para el procesamiento de productos, ya que la mayoría de las frutas y verduras son organismos vivos desde el momento de la cosecha hasta el momento del consumo. Antes de la cosecha, la comprensión de la ontogenia de las plantas , es decir, su origen y desarrollo, y la manipulación de estos procesos de desarrollo son componentes clave del proceso de la agricultura industrial. La comprensión de los ciclos de desarrollo de las plantas determina cómo y cuándo se cosechan, influye en los entornos de almacenamiento y contribuye a la creación de procesos de intervención. Incluso después de la cosecha, las frutas y verduras experimentan los procesos biológicos de respiración, transpiración y maduración. Es necesario controlar estos procesos naturales de las plantas para prevenir el deterioro de los alimentos, la germinación o el crecimiento de los productos durante el almacenamiento, y la reducción de la calidad o el atractivo, como por ejemplo el marchitamiento o la pérdida de la textura deseada. [ 17 ]

Tecnología

En cuanto al almacenamiento y conservación de alimentos, las tecnologías de atmósfera modificada y atmósfera controlada se utilizan ampliamente para el almacenamiento y envasado de diversos tipos de alimentos. Ofrecen varias ventajas, como el retraso de la maduración y la senescencia de productos hortícolas, el control de algunos procesos biológicos como la rancidez, los insectos, las bacterias y la descomposición, entre otros. [ 18 ] El almacenamiento en atmósfera controlada (AC) se refiere a atmósferas distintas del aire normal y estrictamente controladas en todo momento. [ 18 ] Este tipo de almacenamiento manipula los niveles de CO 2 y O 2 dentro de contenedores herméticos. El almacenamiento en atmósfera modificada (AM) se refiere a cualquier atmósfera distinta del aire normal, generalmente creada mediante la mezcla de CO 2 , O 2 y N 2.

Gestión de residuos

Otro proceso de ingeniería biológica dentro de la ingeniería de alimentos implica el procesamiento de residuos agrícolas. Si bien podría pertenecer más al ámbito de la ingeniería ambiental , comprender cómo los organismos del entorno responderán a los residuos es fundamental para evaluar el impacto de los procesos y comparar las estrategias de procesamiento de residuos. También es importante comprender qué organismos participan en la descomposición de los residuos y los subproductos que se generarán como resultado de su actividad.

Para analizar la aplicación directa de la ingeniería biológica, se utilizan técnicas de procesamiento biológico de residuos para tratar desechos orgánicos y, en ocasiones, generar subproductos útiles. Existen dos procesos principales mediante los cuales la materia orgánica se procesa a través de microorganismos: procesos aeróbicos y procesos anaeróbicos. Estos procesos convierten la materia orgánica en biomasa celular mediante la síntesis de microorganismos. Los procesos aeróbicos se producen en presencia de oxígeno, toman materia orgánica como insumo y producen agua, dióxido de carbono, nitrato y nueva biomasa celular. Los procesos anaeróbicos se producen en ausencia de oxígeno y generan menos biomasa celular que los procesos aeróbicos. Una ventaja adicional de los procesos anaeróbicos es que también generan metano, que puede utilizarse como combustible. El diseño de plantas de procesamiento biológico de residuos, tanto aeróbicas como anaeróbicas, requiere un control preciso de la temperatura, la humedad, la concentración de oxígeno y los productos de desecho involucrados. La comprensión de todos los aspectos del sistema y su interacción es fundamental para el desarrollo de plantas de gestión de residuos eficientes y se enmarca dentro del ámbito de la ingeniería biológica. [ 8 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Conviértete en ingeniero de procesos alimentarios: educación y hoja de ruta profesional" . Study.com . Consultado el 2 de abril de 2018 .
  2. 1 2 "Ingeniería Biológica | Departamento de Ingeniería Biológica y Ambiental" . bee.cals.cornell.edu . Archivado del original el 20 de abril de 2018. Consultado el 3 de abril de 2018 .
  3. ↑ "Ingeniería Biológica | Departamento de Ingeniería Biológica y Ambiental" . bee.cals.cornell.edu . Archivado del original el 20 de abril de 2018. Consultado el 19 de abril de 2018 .
  4. ↑ "Científicos y tecnólogos de alimentos" . www.bls.gov . Consultado el 3 de abril de 2018 .
  5. ↑ "Cultivos resistentes a insectos mediante ingeniería genética" . www.aces.uiuc.edu . Archivado del original el 21/01/2013 . Consultado el 03/04/2018 .
  6. ↑ "Brotes de enfermedades transmitidas por alimentos y agua — Estados Unidos, 1971–2012" . www.cdc.gov . Consultado el 18 de abril de 2018 .
  7. ↑ "Técnicas moleculares en biología de los alimentos: seguridad, biotecnología, autenticidad y trazabilidad" . Wiley.com . 12 de marzo de 2018. Consultado el 1 de abril de 2018 .
  8. 1 2 3 Ramaswamy, Raghupathy; Ahn, Juhee; Balasubramaniam, VM; Saona, Luis Rodriguez; Yousef, Ahmed E. (enero de 2013). "Ingeniería de la seguridad alimentaria". Manual de ingeniería de maquinaria agrícola, láctea y alimentaria (segunda edición). Elsevier. págs. 43–66 . doi : 10.1016/B978-0-12-385881-8.00003-3 . ISBN   9780123858818.
  9. ↑ Instituto de Tecnologías Alimentarias (IFT). "Cinética de la inactivación microbiana para tecnologías alternativas de procesamiento de alimentos" (PDF) . FDA/IFT. Archivado del original (PDF) el 6 de abril de 2017. Consultado el 30 de marzo de 2018 .
  10. 1 2 Perry, JD; Freydière, AM (2007). "La aplicación de medios cromogénicos en microbiología clínica". Journal of Applied Microbiology . 103 (6): 2046– 2055. doi : 10.1111/j.1365-2672.2007.03442.x . PMID 18045388 . 
  11. ↑ Vosough, Massoud (2010). "Un artículo sobre medios cromogénicos" (PDF) . Conda News .
  12. 1 2 Instituto de Tecnología Alimentaria (2 de junio de 2000). "Cinética de la inactivación microbiana para tecnologías alternativas de procesamiento de alimentos" (PDF) . FDA . Archivado del original (PDF) el 6 de abril de 2017.
  13. ↑ Rahman, M. Shafiur (2007). Manual de conservación de alimentos, segunda edición (PDF) . CRC Press. págs. 571–574 . ISBN  978-1-57444-606-7.
  14. ↑ Rahman, M. Shafiur (2007). Manual de conservación de alimentos, segunda edición (PDF) . CRC Press. págs. 586–587 . ISBN  978-1-57444-606-7.
  15. 1 2 Berk, Zeki (2009). "Deterioro y conservación de los alimentos". Ingeniería y tecnología de procesos alimentarios . págs. 351–354 . doi : 10.1016/B978-0-12-373660-4.00016-8 . ISBN  9780123736604.
  16. ↑ Rahman, M. Shafiur (2007). Manual de conservación de alimentos, segunda edición (PDF) . CRC Press. pág. 763. ISBN  978-1-57444-606-7.
  17. ↑ Rahman, M. Shafiur (2007). Manual de conservación de alimentos, segunda edición (PDF) . CRC Press. págs. 19–23 . ISBN  978-1-57444-606-7.
  18. 1 2 "Atmósferas modificadas y controladas para el almacenamiento, transporte y envasado de productos hortícolas" . CRC Press . Consultado el 1 de abril de 2018 .

Lecturas adicionales

  • Gustavo V. Barbosa-Canovas, Liliana Alamilla-Beltran, Efren Parada-Arias, Jorge Welti-Chanes (2015) Estrés hídrico en sistemas biológicos, químicos, farmacéuticos y alimentarios . Nueva York, NY  : Springer New York  : Imprint: Springer. ISBN 978-1-4939-2578-0
  • Jamuna Aswathanarayn y Rai, V. Ravishankar (2015). Técnicas microbianas de seguridad y conservación de alimentos. Boca Ratón  : CRC Press Taylor & Francis Group. ISBN 9781138033801