Wetenschap­pe­lijk inzicht in slimmere voedsel­pro­ductie

Slimme voedselverwerking betekent een stap verder gaan dan traditionele, op ervaring gebaseerde methoden en recepturen. Wil je écht de efficiëntie, duurzaamheid en kwaliteit verbeteren? Dan is een wetenschappelijk onderbouwde benadering een must.  

Voedselproductieprocessen worden gestuurd door complexe, sterk met elkaar samenhangende fysische en chemische verschijnselen. Processen als warmte- en massaoverdracht, verdamping, mengen, faseovergangen en structurele veranderingen in voedselmatrices vinden gelijktijdig plaats en beïnvloeden de uiteindelijke producteigenschappen, de processtabiliteit en het gebruik van hulpbronnen. De huidige voedselverwerking is nog steeds grotendeels gebaseerd op traditionele en op ervaring gedreven methoden en recepturen. Dit heeft geleid tot talloze breed gewaardeerde producten, gestoeld op bewezen technologieën. Daar was lange tijd helemaal niets mis mee. Maar om zowel de duurzaamheid als de economische prestaties te verbeteren, zijn andere, nieuwe stappen nodig.

Wetenschappelijk inzicht

Door beter gebruik te maken van wetenschappelijke inzichten kan een dieper, kwantitatief inzicht in de verschillende verwerkingsstappen worden verkregen en kunnen voedselproducenten productieomstandigheden en prestaties van apparatuur systematisch optimaliseren. Het maakt het mogelijk om bijvoorbeeld het energie- en waterverbruik te verlagen, grondstofverspilling en productverlies te verminderen, productkwaliteit, -veiligheid en -houdbaarheid te verbeteren, en stabieler en efficiënter te produceren met minder stilstand. Veel voedselproducenten zijn al actief op zoek naar manieren om het gebruik van water, energie en grondstoffen verder te optimaliseren. Wageningen Food & Biobased Research, onderdeel van Wageningen University & Research (WUR), ondersteunt bedrijven daarin: zij kunnen bedrijven helpen bij het optimaliseren van voedselverwerkingsoplossingen en het toekomstbestendig maken van hun productieproces. 

Concurrentiekracht

Op korte termijn leidt procesinzicht tot een robuustere operatie en efficiënter gebruik van middelen. Op de middellange en lange termijn vormt het een basis voor innovatie omdat datagedreven proces- en productontwikkeling erdoor mogelijk wordt. Het vergemakkelijkt de ontwikkeling van nieuwe producten en verwerkingsconcepten die via louter empirische benaderingen vaak niet zichtbaar zijn. Wetenschappelijk inzicht in voedselverwerking ondersteunt daarmee zowel directe efficiëntiewinst als blijvende concurrentiekracht in een steeds veeleisender markt. Jeroen van Bon – Business Development Manager en Jacqueline Berghout – Scientist, belichten in dit artikel drie concrete voorbeelden van succesvolle cases in slimmere voedselproductie.

Mozzarella 

Een projectpartner van WUR liep tegen aanzienlijke uitdagingen aan bij het vertalen van laboratoriumexperimenten naar het ontwerp van een grootschalig proces voor de productie van mozzarellakaas. De kloof tussen labtesten en verwerking op industriële schaal zorgde voor onzekerheid bij het bepalen van de benodigde koelcapaciteit. Er was een verhoogd risico op overgedimensioneerde installaties. Dat kan gemakkelijk leiden tot suboptimaal energiegebruik en onnodig hoge investeringskosten door een te grote koelcapaciteit. 

Vetsolidificatie, ofwel het proces waarbij vetten overgaan van een vloeibare naar een vaste toestand, is cruciaal voor de productkwaliteit. Om dit proces beter te begrijpen, ontwikkelden de onderzoekers een voorspellend model dat dit proces beschrijft als functie van temperatuur. Daarmee werd een kwantitatieve koppeling gelegd tussen de doorlopen temperatuursverandering en de ontwikkeling van de structuur van deze kaas. Dit model biedt een wetenschappelijk kader om het gedrag van mozzarellakaas tijdens afkoelen te begrijpen én te voorspellen.

Door het vetsolidificatiemodel te integreren in de bestaande computational fluid dynamics (CFD)-simulaties van het bedrijf, kan de projectpartner de fysische processen tijdens het koelen van kaas op industriële schaal nu veel nauwkeuriger weergeven. Deze verbeterde simulaties maken een preciezere dimensionering van koelinstallaties mogelijk, wat overcapaciteit voorkomt. Het resultaat is een koelsysteem dat beter aansluit op de werkelijke procesbehoefte: met een lager energieverbruik, lagere investeringskosten en een duurzamere productie, zonder enige concessies te doen aan de productkwaliteit van de kaas.

Verse sappen

Een projectpartner gespecialiseerd in de productie van vers geperste fruit- en groentesappen ziet bewust af van conventionele thermische pasteurisatie. Op deze manier kan het bedrijf de frisse smaak, het aromaprofiel en de voedingswaarde van het fruit behouden. De sterke focus op het behoud van de natuurlijke sensorische en nutritionele eigenschappen van de grondstoffen heeft echter ook een keerzijde. Het ontbreken van een verhittingsstap leidt namelijk tot een relatief korte houdbaarheid. Pathogene en bederfveroorzakende micro-organismen worden met milde verwerking alléén immers onvoldoende geïnactiveerd.

De onderzoekers richtten zich op het identificeren en valideren van niet-thermische conserveringsstrategieën die de houdbaarheid verlengen en tegelijk de productkwaliteit behouden. In samenwerking met het bedrijf werd de commercieel beschikbare High Pressure Processing (HPP)-technologie, die al op de productielocatie werd toegepast, systematisch gevalideerd op effectiviteit tegen relevante pathogene en bederfveroorzakende micro-organismen. Deze validatie bevestigde dat HPP een robuuste en betrouwbare methode is voor microbiële stabilisatie, zonder aantasting van de verse eigenschappen van de sappen. Naast het grootschalig gebruik van HPP werd parallel hieraan Pulsed Electric Fields (PEF)-technologie onderzocht als alternatieve niet-thermische conserveringsmethode voor specifieke niches. Er werd een uitgebreide kinetische studie uitgevoerd om microbiële inactivatie te kwantificeren als functie van PEF-procesparameters. Dit resulteerde in voorspellende modellen die beschrijven welke PEF-condities nodig zijn om vooraf bepaalde reductieniveaus van micro-organismen te realiseren. Deze modellen vormden een wetenschappelijke basis voor procesoptimalisatie en opschaling.

Op basis van de resultaten ondersteunden de onderzoekers het bedrijf bij de praktische implementatie van PEF-technologie voor geselecteerde nichetoepassingen binnen het productportfolio. Dankzij beide onderzoekstrajecten kan de projectpartner nu de gewenste kwaliteit van de sappen behouden en tegelijkertijd de houdbaarheid aanzienlijk verlengen. Afhankelijk van de toegepaste technologie kan deze laatste worden verlengd tot circa 21 dagen met PEF of zelfs tot 60 dagen met HPP. Dit verbetert de productveiligheid, vermindert voedselverspilling en versterkt de commerciële haalbaarheid, zonder dat de unieke kwaliteit verloren gaat.

Diepvriesfrites

Tijdens de laatste bakstap bij de productie van voorgebakken diepvriesfrites kan overmatige stofvorming optreden. Dit kan leiden tot hygiënische uitdagingen, extra schoonmaakwerk en potentieel een lagere productkwaliteit. In industriële omgevingen is dit probleem extra relevant omdat zwevende deeltjes de procesefficiëntie kunnen beïnvloeden. Het voorkomen van stofvorming helpt om zowel de operationele robuustheid als de eindproductkwaliteit te verbeteren. Onderzoekers van WUR zagen duidelijke overeenkomsten tussen stofvorming tijdens het afbakken van frites en, eerder waargenomen, afschilfering bij het afbakken van voorgebakken Franse baguettes. In beide situaties spelen vergelijkbare onderliggende fysische mechanismen - gerelateerd aan vochttransport, structurele integriteit en de thermische geschiedenis van het productoppervlak - een belangrijke rol. 

Door deze gedeelde fysische principes systematisch te bestuderen, toonden de onderzoekers sterke verbanden aan tussen stofvorming en twee belangrijke procesparameters, namelijk (1) het vochtgehalte van de korst van de friet vóór het afbakken en (2) de invriessnelheid in de industriële vriestunnel. Experimenteel en modelmatig onderzoek lieten zien dat onvoldoende beheersing van de vochtverdeling in de korst, in combinatie met ongunstige invriescondities, leidt tot broze oppervlaktelagen die tijdens de snelle thermische belasting van het afbakken lokaal gedeeltelijk uiteen kunnen vallen. 

De verkregen inzichten vormden de basis voor een optimalisatie van de laatste fase van het fritesproductieproces. Door invriescondities aan te passen en het vochtgehalte van de korst beter te beheersen, kon de producent de stofvorming tijdens het afbakken aanzienlijk verminderen. Dit resulteerde in een betere productintegriteit, minder hygiëneproblemen en een verbetering van de eindproductkwaliteit. Het voorbeeld laat zien hoe fundamentele fysische inzichten succesvol kunnen worden toegepast in verschillende voedselverwerkingsprocessen.

Zelf slimmer produceren
Wilt u weten wat slimmere productie voor úw bedrijf kan betekenen? De onderzoekers van WUR denken graag met u mee; van probleemanalyse tot implementatie van oplossingen.  

wur.nl