prehrambeno inženjerstvo, složena disciplina koja povezuje znanja iz mikrobiologije, fizike, kemije, matematike i inženjerstva, radi racionalizacije procesa i postizanja proizvoda visoke kvalitete u procesima proizvodnje, preradbe, konzerviranja, pakiranja i čuvanja hrane. Primjenjuje znanja iz poljoprivrednoga, mehaničkog i kemijskog inženjerstva.

Prehrambeno inženjerstvo proučava: operacije i procese prehrambene industrije u kojima se sirovine biljnog ili životinjskoga podrijetla prerađuju u polugotove i gotove prehrambene proizvode (npr. voće se prerađuje u voćni sok, mlijeko u maslac, šećerna repa u šećer), procese konzerviranja hrane kojima je svrha produljenje trajnosti i očuvanje prirodnih svojstava hrane (npr. smrzavanje, sušenje), pojave koje se javljaju pri pojedinim operacijama i procesima te njihovu matematičku interpretaciju (npr. kristalizacija pri smrzavanju ili evaporacija pri sušenju ili koncentriranju), promjene fizikalno-kemijskih svojstava hrane i njihovu matematičku interpretaciju tijekom proizvodnje, čuvanja i transporta, a bavi se i projektiranjem industrijskih pogona za proizvodnju hrane.

Pojam »proces« u prehrambenom inženjerstvu može označavati jedinični i tehnološki proces. Pritom pojam jedinični proces označava jednu ili više operacija kojima se prehrambeni materijal podvrgava kako bi se izazvale određene promjene u njegovu sastavu i fizikalno-kemijskim svojstvima. Pojam tehnološki proces podrazumijeva cjelokupan proizvodni proces koji se sastoji od jednog ili više jediničnih procesa i operacija kojima se iz jedne ili više sirovina dobiva gotovi proizvod. Za ispravno vođenje procesa prehrambene industrije nužno je raspolagati točnim podatcima o fizičkim svojstvima hrane. Najvažnija su fizička svojstva hrane reološka (viskoznost, tekstura, viskoelastičnost) i termofizička (toplinski kapacitet, entalpija, latentna toplina, toplinska vodljivost i difuzivnost). Poznavanje reoloških i termofizičkih svojstava hrane čini osnovu za opisivanje, simuliranje i vođenje različitih procesa u prehrambenom inženjerstvu, te projektiranje industrijskih pogona za preradbu prehrambenih sirovina. Najvažniji su procesi u prehrambenom inženjerstvu mehanički, fizikalni, termički, kemijski, enzimski, mikrobni i netermički te procesi konzerviranja.

Mehanički procesi (pranje, guljenje, usitnjavanje, razdvajanje) najčešće su pripremne operacije u procesima preradbe sirovina i proizvodnji hrane. Sirovine se, nakon dolaska u pogon prehrambene industrije, podvrgavaju nizu operacija kojima se provodi njihovo čišćenje, uklanjanje nejestivih dijelova, usitnjavanje, te razdvajanje (sortiranje) s obzirom na neke razlike. Čišćenjem se uklanjaju nečistoće koje dolaze zajedno sa sirovinom, koje mogu biti mineralne (zemlja, kamenčići, pijesak), metali (željezo), biljne (ljuske, lišće), životinjske (dlake, insekti), kemijske (pesticidi) i mikrobne (mikroorganizmi i njihovi produkti). Pri čišćenju primjenjuju se suhe i mokre metode. Za suhe metode čišćenja rabe se različita sita s pomoću kojih se uklanjanje nečistoća provodi na temelju razlike u veličini, obliku ili gustoći, aspiratori kod kojih se nečistoće uklanjaju u struji zraka te elektromagneti preko kojih se sirovina prevodi kako bi se uklonila metalna onečišćenja. Pri mokrim metodama čišćenja rabe se bazeni za namakanje i pranje, uređaji za pranje s tuševima te flotacija (za sirovine manjih veličina, npr. grašak). Nejestivi dijelovi voća i povrća uklanjaju se guljenjem (mehaničko, kemijsko, toplinsko), vađenjem koštice ili sjemene lože. Usitnjavanje se, ovisno o sirovini, obavlja: rezanjem u određeni oblik i veličinu (npr. meso, sir, povrće, voće), pasiranjem (u svrhu dobivanja kaše) i mljevenjem (kod sirovina čvrste konzistencije u svrhu dobivanja praha).







Fizikalni procesi (homogenizacija, emulgiranje, aglomeriranje, ekstruzija) specifični su procesi prehrambene industrije primjenom kojih se mijenjaju izvorna fizikalno-kemijska svojstva sirovina i dobivaju proizvodi poboljšane kakvoće i stabilnosti, izmijenjena izgleda i svojstava ili pak potpuno novi proizvodi. Homogenizacija je postupak kojim se pod utjecajem visokog tlaka u homogenizatorima provodi usitnjavanje i ujednačavanje veličina masnih globula kako bi se povećala stabilnost emulzija (mlijeko). Pri emulgiranju se pod visokim tlakom u homogenizatorima miješaju uljna i vodena faza te emulgator kako bi se postigla stabilna emulzija (majoneza, maslac, sladoled). Aglomeriranje je proces sastavljanja disperznih materijala u proizvode većih dimenzija – aglomerate, primjenom prešanja ili kotrljanjem u rotacijskom uređaju. Ovisno o primijenjenom postupku, dobivaju se proizvodi u obliku tableta (bomboni) ili granula (dječja hrana, instant-kava i sl.). Ekstruzija je specifičan kontinuirani mehanički i termički proces u kojem se suha ili vlažna sirovina giba unutar kućišta uređaja, pri čemu se uz visoki pritisak i temperaturu intenzivno miješa, te kroz sapnicu specifičnog oblika iz uređaja izlazi kao gotov proizvod.

Pri termičkim procesima (blanširanje, kuhanje, prženje, pečenje) primjenom povišene temperature dolazi do određenih fizikalno-kemijskih promjena u sirovinama koje postaju pogodne za daljnje procesuiranje ili predstavljaju gotov proizvod. Blanširanje je postupak kratkotrajne (nekoliko sekundi do nekoliko minuta) termičke obradbe voća ili povrća u vodi (85–95 °C) ili vodenoj pari, koji prethodi sušenju ili smrzavanju. Blanširanjem se inhibiraju autohtoni enzimi, omekšava tkivo, istiskuje zrak i povećava stabilnost boje. Time se olakšavaju daljnji procesi preradbe i dobivaju proizvodi visoke kvalitete. Kuhanje se provodi u vodi ili vodenoj pari, prženje u velikoj količini ulja, a pečenje u struji zraka. Primijenjeni postupak ovisi o vrsti sirovine i željenome proizvodu, a za svaki od njih potrebno je odrediti optimalne uvjete procesuiranja (temperatura, vrijeme), način prethodne obradbe te izbor uređaja.







U kemijske procese (hidrogenacija, hidroliza) ubrajaju se svi oni procesi pri kojima se u kontroliranim uvjetima provodi neka kemijska reakcija radi razgradnje sirovine i dobivanja novog proizvoda. U reakcijama hidrolize sudjeluje voda uz prisutnost katalizatora (kiselina, lužina, enzim). Hidrogenacija je kemijski postupak uvođenja vodika uz prisustvo katalizatora u molekule nezasićenih masti u svrhu dobivanja masti čvrste konzistencije. Često se hidrogeniraju i glukoza i ksiloza, pri čemu se dobivaju šećerni alkoholi (sorbitol odn. ksilitol) koji se najčešće rabe u konditorskoj industriji kao zamjena za šećer ili za postizanje određenih reoloških svojstava proizvoda. Hidroliziraju se najčešće škrob i drugi ugljikohidrati, te proteini.

Enzimski procesi zasnivaju se na djelovanju enzima koji su ili autohtoni (autohtoni ili dodani enzimi imaju određenu funkciju, npr. depektinizacije, hidrolize) ili se dodaju izvana (putem mikroorganizama ili su izolirani čisti ili miješani enzimi). Procesi se izvode u kontroliranim uvjetima (temperatura i pH), a enzimi koji se rabe moraju biti selektivni s obzirom na supstrat (proteaze, lipaze, amilaze, pektinaze) i željeni učinak.

Mikrobni procesi su svi procesi u kojima sudjeluju mikroorganizmi koji pri korištenju izazivaju poželjne promjene na pojedinim sastojcima hrane kako bi se dobio novi proizvod. U mikrobnim procesima sudjeluju odabrane čiste kulture mikroorganizama čiji izbor ovisi o nizu čimbenika – prije svega o željenome fermentacijskom procesu. Najvažniji fermentacijski procesi prehrambene industrije su mliječno kiselo vrenje koje izazivaju bakterije mliječne kiseline (proizvodnja jogurta, acidofilnog mlijeka), alkoholno vrenje koje izazivaju kvasci (proizvodnja vina, piva, jakih alkoholnih pića) i octeno-kiselo vrenje izazvano bakterijama (proizvodnja octa).









Procesi konzerviranja (sterilizacija, smrzavanje, koncentriranje, sušenje, dodavanje konzervansa i dr.) hrane su svi oni procesi kojima se hrana podvrgava kako bi se produljila njezina trajnost i istodobno očuvala izvorna kvaliteta. S obzirom na princip na kojem se zasnivaju, mogu se podijeliti u dvije skupine: princip abioze i princip anabioze. Princip abioze primjenjuje se u metodama kod kojih se konzerviranje ostvaruje izdvajanjem mikroorganizama iz hrane ili njihovim uništenjem, uz istodobnu zaštitu od naknadne kontaminacije. U tu skupinu ubrajaju se: termička sterilizacija, ionizirajuće zračenje i ultrafiltracija. Princip anabioze primjenjuje se u metodama kod kojih se potiskuje ili ograničava aktivnost mikroorganizama stvaranjem nepovoljnih uvjeta za njihov razvoj. U tu skupinu ubrajaju se: hlađenje, smrzavanje, koncentriranje, sušenje, biološki postupci i konzerviranje dodatcima.







Termička sterilizacija je postupak kojim se namirnica točno određeno vrijeme podvrgava visokim temperaturama, kako bi se uništilo prisutne mikroorganizme. Ovisno o primijenjenoj temperaturi razlikuju se postupci pasterizacije (70–99 °C) i sterilizacije (više od 100 °C). Vrijeme trajanja procesa ovisi o primijenjenoj temperaturi te o pH vrijednosti namirnice. Kod kiselih namirnica kojih je pH niži od 4,5 primjenjuje se pasterizacija kojom je moguće uništiti sve vegetativne oblike mikroorganizama i inaktivirati enzime. Kod takvih se pH vrijednosti sporogene bakterije ne mogu razviti pa se smatraju inaktiviranima. Kod svih ostalih namirnica kojih je pH vrijednost viša od 4,5, a kod koji se želi ostvariti potpuno uništenje svih mikroorganizama i njihovih spora, primjenjuju se postupci sterilizacije, tj. termičko tretiranje pri temperaturama višima od 100°C (najčešće 120–140 °C). Vrijeme termičkoga tretiranja i visina temperature odabiru se tako da se unište svi patogeni mikroorganizmi koji bi pri uobičajenim uvjetima mogli izazvati kvarenje namirnice. Tekuće i polutekuće namirnice steriliziraju se (u izmjenjivačima topline) prije punjenja u ambalažu, dok se namirnice čvrste konzistencije najprije pune u ambalažu i hermetički zatvaraju (limenke), a potom steriliziraju u autoklavima.

Ionizirajuće zračenje se u prehrambenom inženjerstvu primjenjuje uglavnom za inhibiranje klijanja kod gomoljasta povrća, dezinsekciju žitarica, sušena povrća i voća, te dekontaminaciju začina. Rabe se samo elektronske emisije (katodne zrake, beta čestice) i gama zračenje (x-zrake). Konzervirajući učinak postiže se djelovanjem energije zračenja na inaktivaciju enzima, stanice mikroorganizama te neke sastojke hrane. Za odgovarajući učinak moraju se točno odrediti uvjeti procesuiranja (doze zračenja, vrijeme izlaganja, veličina i oblik namirnice i sl.).

Hlađenje je postupak kojim se namirnica hladi do 1 °C iznad njezine temperature smrzavanja, pri čemu se u njoj usporavaju svi procesi pa tako i aktivnost mikroorganizama. Tako konzervirane namirnice imaju kratak vijek trajanja. Smrzavanje je postupak pri kojem se namirnica hladi na temperature niže od njezine temperature smrzavanja. Konzervirajući učinak ostvaruje se prijelazom molekula vode u led (stvaraju se nepovoljni uvjeti za mikrobiološku aktivnost) te inaktivacijom mikroorganizama. Za dobivanje visokokvalitetnoga smrznutog proizvoda potrebno je provesti brzo smrzavanje tj. u što kraćem vremenu postići dovoljno nisku temperaturu (-18°C ili niže). Za smrzavanje se rabe različiti uređaji u kojima se smrzavanje postiže kontaktom s hlađenom metalnom površinom (izmjenjivači topline za tekuće i polutekuće namirnice, hlađene metalne ploče za čvrste namirnice), u struji zraka (smrzavanje čvrstih namirnica malih dimenzija u lebdećem sloju) ili izravnim kontaktom s rashladnim medijem (ohlađene otopine soli ili šećera, tekući CO₂, tekući dušik).

Koncentriranje je postupak izdvajanja vode iz tekuće ili polutekuće namirnice radi povećanja njezine stabilnosti (trajnosti) kao posljedice smanjenja mikrobiološke aktivnosti ili usporavanja degradativnih procesa. Udio vode u dobivenom koncentratu iznosi 25–30%. Koncentriranje se može provesti na više načina: uparavanjem (voda se uklanja u obliku vodene pare), smrzavanjem (voda se uklanja u obliku kristala leda) ili membranskim procesima (voda se uklanja u tekućem obliku).

Sušenje je postupak uklanjanja vode iz namirnice do udjela manjega od 10% (najčešće oko 5%), čime se postiže dugotrajna stabilnost namirnice. Postupak se primjenjuje za tekuće, polutekuće i čvrste namirnice, a ovisno o vrsti, veličini i obliku namirnice primjenjuju se različiti uređaji i principi. Najčešće se rabe sušnice sa zagrijanim zrakom (tunelske sušnice, sušnice u obliku tornjeva gdje se sušenje provodi raspršivanjem, sušnice za sušenje u lebdećem sloju), sušnice gdje se sušenje provodi kontaktom sa zagrijanom metalnom plohom, te liofilizacija.

Konzerviranje dodatcima postiže se dodavanjem nekih prirodnih tvari (šećeri, sol, ocat) ili kemijskih konzervansa (sorbinska i benzojeva kiselina i njihove soli) u hranu, kako bi joj produžili trajnost. Biološko konzerviranje temelji se na kontroliranoj primjeni nekih mikroorganizama koji svojom aktivnošću stvaraju nepovoljne uvjete za razvoj uzročnika kvarenja, dok istodobno često služe za postizanje određene kvalitete, odn. za oplemenjivanje proizvoda (npr. fermentirane masline, kupus, sirevi, mesni proizvodi, mlijeko).

Netermički procesi se sve više uvode u procese proizvodnje hrane kako bi zamijenili neke standardne postupke i time poboljšali kvalitetu hrane. U tu svrhu primjenjuje se ultrazvuk (UZ), pulsirajuće električno polje (PEP), pulsirajuće svjetlo, visoki tlak (HP) i oscilirajuće magnetsko polje (OMP).

Prehrambeno inženjerstvo u Hrvatskoj

Prehrambeno inženjerstvo disciplina je koja se stalno razvija i unapređuje kako bi se postignula racionalizacija industrijske proizvodnje hrane i dobio proizvod visoke kvalitete. Stoga se i u Hrvatskoj sredinom XX. st. javila potreba osnivanja studija koji će školovati inženjere prehrambene struke koji će razvijati i voditi procese prehrambene industrije. Studij biotehnologije na Prehrambeno-tehnološkom odsjeku tadašnjega Kemijsko-prehrambeno-rudarskoga fakulteta osnovan je 1956. Četiri godine kasnije Prehrambeno-tehnološki odsjek postao je Biotehnološki odjel Tehnološkoga fakulteta, a 1979. osnovan je samostalan Prehrambeno-biotehnološki fakultet Sveučilišta u Zagrebu. Na tom se fakultetu danas izvode preddiplomski, diplomski i doktorski studiji iz prehrambenog inženjerstva. Diplomski studij prehrambenog inženjerstva u Hrvatskoj izvodi se i na Prehrambeno-tehnološkome fakultetu Sveučilišta Josip Juraj Strossmayer u Osijeku (od osnutka fakulteta, 1971. kao odjel Poljoprivredno-prehrambeno-tehnološkoga fakulteta), a doktorski studij prehrambene tehnologije na istome fakultetu započeo je 2005. Kemijsko-tehnološki fakultet Sveučilišta u Splitu također izvodi studij prehrambene tehnologije koji uključuje i inženjerstvo. Studije prehrambenog inženjerstva na tim su studijima završili mnogi danas priznati stručnjaci i znanstvenici, zaposleni u svim segmentima gospodarstva te u znanstvenim i stručnim institucijama. Stručnjaci iz područja biotehničkih znanosti i inženjerstva uključeni su i u rad HATZ-a od njegova osnutka 1993. do danas, putem Odjela bioprocesnoga inženjerstva.











