Ερευνητικές Δραστηριότητες & Θεματικές Περιοχές Διπλωματικών Εργασιών Ομάδας Χημείας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων Τμήμα Χημείας, Τομέας Χημικών Εφαρμογών, Χημικής Ανάλυσης & Χημείας Περιβάλλοντος Μέλη: Κουτίνας Αθανάσιος Ομότιμος Καθηγητής Χημείας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων Κανελλάκη Μαρία Καθηγήτρια Χημείας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων Μπεκατώρου Αργυρώ Επικ. Καθηγήτρια Χημείας & Τεχνολογίας Τροφίμων
Επιστήμη των Τροφίμων H Επιστήμη των Τροφίμων περιλαμβάνει τους παρακάτω κλάδους, οι οποίοι αλληλοσχετιζόμενοι αποσκοπούν στην παραγωγή και κατανάλωση τροφίμων με υψηλή κατά το δυνατόν θρεπτική αξία και ασφάλεια αλλά και ελκυστικών στον καταναλωτή: Χημεία Τροφίμων Τεχνολογία Τροφίμων Μηχανική Τροφίμων Βιοτεχνολογία Τροφίμων Μικροβιολογία Τροφίμων Φυσικοχημεία Τροφίμων Βιοχημεία Τροφίμων
Επιστήμη των Τροφίμων 3 Ασφάλεια, οργανοληπτικός χαρακτήρας, κατάλληλη συσκευασία (WHOLESOMENESS/SAFETY) Η «ολιστική» προσέγγιση της παραγωγής τροφίμων (Laufenberg et al., 2003) Ποιότητα προϊόντος Παραγωγή Αποδοτικότητα Know-how διεργασιών: - βέλτιστη παραγωγικότητα - χαμηλό κόστος Προστασία περιβάλλοντος Πρόληψη δημιουργίας αποβλήτων Παραπροϊόντα προστιθέμενης αξίας Βέλτιστη κατανάλωση ενέργειας Σωστός σχεδιασμός συσκευασίας
Επιστήμη των Τροφίμων Η Χημεία Τροφίμων μελετά: Τη σύσταση (νερό, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπαρές ύλες, χρωστικές, αρωματικές ουσίες, χημικά πρόσθετα, βιταμίνες, ιχνοστοιχεία, τοξικά συστατικά, κ.α.) των πρώτων υλών & προϊόντων Τις αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της παραγωγής, επεξεργασίας, και συντήρησης των τροφίμων Την ανάπτυξη και χρήση σύγχρονων αναλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό των συστατικών των τροφίμων Τη θρεπτική αξία και την ποιότητα των τροφίμων (οργανοληπτικά χαρακτηριστικά, παρουσία τοξικών ουσιών, μικροβιακό φορτίο)
Επιστήμη των Τροφίμων Η Τεχνολογία Τροφίμων ασχολείται με την ανάπτυξη και εφαρμογή σύγχρονων τεχνολογικών εξελίξεων για: την παραγωγή ποιοτικών τροφίμων τη δημιουργία νέων προϊόντων τη συντήρηση των τροφίμων (π.χ. με ξήρανση, κονσερβοποίηση, συμπύκνωση, ακτινοβόληση, κ.α.) Extrusion cutter Pasteurizer Condenser Spray-dryer
Επιστήμη των Τροφίμων Η Μικροβιολογία Τροφίμων μελετά τους μικροοργανισμούς που έχουν σχέση με την παραγωγή, συντήρηση και αλλοίωση των τροφίμων, αλλά και την πορεία αυτών των διαδικασιών
Επιστήμη των Τροφίμων Η Βιοτεχνολογία Τροφίμων ασχολείται με τη χρήση βιολογικών συστημάτων, ζωντανών οργανισμών ή προϊόντων τους (π.χ. ένζυμα) για την παραγωγή ή τροποποίηση τροφίμων ή διεργασιών παραγωγή τους
Επιστήμη των Τροφίμων Η Μηχανική Τροφίμων μελετά φαινόμενα μεταφοράς διεργασιών, δημιουργία και εφαρμογή νέας τεχνολογίας σε βιομηχανική κλίμακα, σχεδιασμό και ανάπτυξη πρότυπου εξοπλισμού επεξεργασίας τροφίμων, κ.α.
Επιστήμη των Τροφίμων Η Φυσικοχημεία Τροφίμων μελετά διάφορες φυσικοχημικές παραμέτρους, όπως ενεργότητα νερού, ph, ιξώδες, ισορροπία και μεταπτώσεις φάσεων σε διάφορα συστήματα, όπως γαλάκτωμα, πηκτή, αφρός κ.α. αφρός ζελατινοποίηση γαλάκτωμα
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων Ζύμωση: Η διεργασία κατά την οποία μικροοργανισμοί καταναλώνουν οργανικές ενώσεις για την πραγματοποίηση των μεταβολικών τους οδών (π.χ. η μετατροπή σακχάρων σε αλκοόλη και CO 2 ) υπό αναερόβιες συνθήκες Ο όρος μπορεί να αναφέρεται και σε αερόβια μετατροπή σε ορισμένες περιπτώσεις, όπου δεν ενδιαφέρει τόσο ο μηχανισμός όσο τα τελικά προϊόντα Π.χ. η αερόβια διεργασία μετατροπής αλκοόλης σε οξικό οξύ (ξύδι) από το βακτήριο Acetobacter aceti, πολλές φορές αναφέρεται ως ζύμωση αντί της οξείδωσης που είναι ο σωστός όρος
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων Ζύμωση: Οι εφαρμογές και τα οφέλη της ζύμωσης είναι τεράστια: Παραγωγή ψωμιού Παραγωγή οινοπνεύματος & ποτών (κρασί, μπύρα, αποστάγματα) Παραγωγή οξικού οξέος Παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων (γιαούρτι, τυρί, ξινόγαλο, κεφίρ) Καλύτερη συντήρηση των τροφίμων που παράγονται ή μετατρέπονται με ζύμωση (π.χ. αλκοόλη & οξικό οξύ: αναστολείς παθογόνων & τεχνολογικά ανεπιθύμητων μικροοργανισμών) Μεγαλύτερη θρεπτική αξία των τροφίμων που παράγονται ή μετατρέπονται με ζύμωση (αποικοδόμηση πολύπλοκων ενώσεων σε πιο αξιοποιήσιμες και αφομοιώσιμες εμπλουτισμός σε πρωτεΐνη, βιταμίνες κ.α. συστατικά)
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων Στόχοι: 1. Βελτίωση της ποιότητας & διατροφικής αξίας των τροφίμων με βιοτεχνολογικές μεθόδους 2. Βελτίωση χρόνου συντήρησης & αποφυγή των χημικών συντηρητικών 3. Μείωση ενεργειακής κατανάλωσης & του μεγέθους μονάδων παραγωγής τροφίμων 4. Παραγωγή νέων εμπορικών προϊόντων
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων 1. Βελτίωση της ποιότητας & διατροφικής αξίας των τροφίμων με βιοτεχνολογικές μεθόδους π.χ. Βελτίωση των οργανοληπτικών ιδιοτήτων αλκοολούχων ποτών με ζύμωση με κατάλληλους μικροοργανισμούς και σε συνθήκες ώστε: Παραγωγή επιθυμητών πτητικών συστατικών όπως οι εστέρες Αποφυγή / μείωση συγκέντρωσης ανεπιθύμητων συστατικών όπως οι ανώτερες αλκοόλες, το διακετύλιο κ.α.
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων 2. Βελτίωση χρόνου συντήρησης & αποφυγή των χημικών συντηρητικών π.χ. με την παραγωγή φυσικών συντηρητικών (αντιμικροβιακές ενώσεις) κυρίως σε γαλακτοκομικά προϊόντα όπως: Γαλακτικό οξύ Προπιονικό οξύ Οξικό οξύ Βακτηριοσίνες Η 2 Ο 2
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων 3. Μείωση ενεργειακής κατανάλωσης & του μεγέθους μονάδων παραγωγής τροφίμων π.χ. με τεχνολογίες που αυξάνουν το ρυθμό & την απόδοση διεργασιών ζυμώσεων (με χρήση προωθητών, βιοαντιδραστήρες ακινητοποιημένων κυττάρων κλπ.)
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων 4. Παραγωγή νέων εμπορικών προϊόντων π.χ. Προβιοτικά τρόφιμα Χρήση προβιοτικών γαλακτικών βακτηρίων για την παραγωγή: Τυριού Γιαουρτιού Ξινόγαλου Ψωμιού R. Fuller (1989): «Προβιοτικό είναι το ζωντανό μικροβιακό παρασκεύασμα που επηρεάζει τον καταναλωτή βελτιώνοντας την μικροβιακή χλωρίδα του γαστρεντερικού του συστήματος»
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων Τα παραπάνω επιτυγχάνονται με: 1. Απομόνωση νέων ή χρήση γνωστών στελεχών μικροοργανισμών με επιθυμητές ιδιότητες (θερμόφιλα, ψυχρόφιλα, αλκοολανθεκτικά, προβιοτικά κλπ.) 2. Ζυμώσεις σε εξαιρετικά χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες και υψηλούς αλκοολικούς βαθμούς με επιλεγμένα στελέχη μικροοργανισμών 3. Χρήση προωθητών των ζυμώσεων 4. Χρήση τεχνικών ακινητοποιημένων κυττάρων
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Α: Εφαρμογές της τεχνολογίας ζυμώσεων στην παραγωγή τροφίμων Τεχνολογία ακινητοποιημένων κυττάρων Χρήση σε διεργασίες ζύμωσης για την επίτευξη: μεγάλων συγκεντρώσεων κυττάρων στους αντιδραστήρες αύξηση ρυθμών & παραγωγικότητας των ζυμώσεων δυνατότητα χρήσης αντιδραστήρων συνεχούς λειτουργίας Αδιάλυτος φορέας Υγρή φάση Πορώδης μήτρα Μικροπορώδης μεμβράνη Διλειτουργικό αντιδραστήριο (cross-linker) Ηλεκτροστατικές δυνάμεις επιτάχυνση ωρίμανσης αλκοολούχων ποτών όπως η μπύρα (μείωση διακετυλίου) άλλες εφαρμογές
Τεχνολογία ακινητοποιημένων κυττάρων Διεργασία διαλείποντος έργου (batch) Συνεχής διεργασία (continuous) 2-l βιοαντιδραστήρας τροφοδοσία Προϊόν Βακτηριοστατικό φίλτρο αέρας Περισταλτική αντλία Επωαστικός θάλαμος Αντλία αέρα
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Β: Βιοαιθανόλη, βιοαέριο, και βιοντίζελ από αγροτo-βιομηχανικά απόβλητα Στόχοι: Αύξηση της παραγωγικότητας Μείωση ενεργειακής κατανάλωσης των μονάδων παραγωγής βιοκαυσίμων Τρόποι: Προωθητές / τεχνολογία ακινητοποιημένων κυττάρων στις ζυμώσεις για παραγωγή βιοκαυσίμων Παραγωγή βιοκαυσίμων από κυτταρινούχο βιομάζα κ.α. απόβλητα (τρέχουσα ερευνητική περιοχή)
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Γ: Τρόφιμα & προϊόντα προστιθέμενης αξίας από αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Αξιοποίηση υγρών (π.χ. τυρόγαλο, μελάσσα κ.α.) και στερεών αποβλήτων (π.χ. στερεά απόβλητα ζυθοποιείου), για παραγωγή προϊόντων όπως: Αιθανόλη & οργανικά οξέα (π.χ. γαλακτικό) Μονοκυτταρική πρωτεΐνη Τρόφιμα & ποτά (ψωμί, τυρί, αλκοολούχα ποτά) Ζωοτροφές εμπλουτισμένες σε πρωτεΐνη Ζυμώσιμοι υδατάνθρακες & άλλα υλικά για χρήση ως θρεπτικά μέσα στη μικροβιολογία Συμπληρώματα ή υποκατάστατα χημικών προσθέτων στα τρόφιμα
ΑΜΥΛΟ α-αμυλάση CGTase ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Γ: Τρόφιμα & προϊόντα προστιθέμενης αξίας από αγροτοβιομηχανικά απόβλητα α-αμυλάση Ισοαμυλάση Μαλτόζη & μαλτοτριόζη Γραμμικοί & διακλαδισμένοι ολιγοσακχαρίτες (δεξτρίνες) Γλυκοαμυλάση & ισοαμυλάση Γλυκόζη (σιρόπι γλυκόζης) Ισομεράση γλυκόζης Φρουκτόζη (σιρόπι φρουκτόζης) Κυκλοδεξτρίνες (CDs) β-αμυλάση & ισοαμυλάση Μαλτόζη & δεξτρίνες Μαλτόζη (σιρόπι μαλτόζης) Τρόποι Διεργασίες ζυμώσεων στερεάς & υγρής κατάστασης Επεξεργασία με Αμυλολυτικούς μύκητες Λιγνινολυτικούς μύκητες Ζύμες Γαλακτικά βακτήρια Μικτές καλλιέργειες
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Δ: Ανάπτυξη νέων βιο-τεχνολογιών στην παραγωγή τροφίμων Τεχνολογία της μικτής καλλιέργειας Κεφίρ Αξιοποίηση του ρυπογόνου τυρογάλακτος για την παραγωγή: αλκοολούχων ποτών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης τροφίμων (προϊόντα αρτοποιίας, τυροκομικά κ.α.)
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Δ: Ανάπτυξη νέων βιο-τεχνολογιών στην παραγωγή τροφίμων Scale-up διεργασιών Εργαστηριακοί αντιδραστήρες 2-100 L Βιομηχανικοί αντιδραστήρες 100-11000 L Παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα: οινοπνεύματος γαλακτικού οξέως αλκοολούχων ποτών γαλακτοκομικών προϊόντων ξηρών εμπορικών καλλιεργειών
ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Δ: Ανάπτυξη νέων βιο-τεχνολογιών στην παραγωγή τροφίμων Ανάπτυξη νέων καλλιεργειών έναρξης (starter cultures) για την παραγωγή τροφίμων ξηροί βιοκαταλύτες Φυσική μικτή καλλιέργεια κεφίρ Επιλεγμένα γαλακτικά βακτήρια Συνδυασμοί ζυμών-γαλακτικών βακτηρίων Αλκοολανθεκτικά & κρυοανθεκτικά στελέχη ζυμών κτλ. Παραγωγή ξηρών καλλιεργειών για Προϊόντα αρτοποιίας, Γαλακτοκομικά προϊόντα, Κρασί & μπύρα, Ακινητοποιημένοι βιοκαταλύτες ζυμώσεων, Προβιοτικά τρόφιμα
Ερευνητικές Δραστηριότητες & Θεματικές Περιοχές Διπλωματικών Εργασιών Ομάδας Χημείας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων Τμήμα Χημείας, Τομέας Χημικών Εφαρμογών, Χημικής Ανάλυσης & Χημείας Περιβάλλοντος Ευχαριστώ!