Gıda Üretim Sanayii Atıklar, Gıda sektörü, başta gıda işleme ve tedarik zinciri boyunca ürün tahribatı ve kaybından kaynaklanan verimsizlikler nedeniyle önemli bir atık akışı oluşturmakta olup,
NanoPro ile farklı ölçeklerde üretim yapan endüstriyel gıda işletmelerine danışmanlık hizmeti vermekteyiz.
Table of Contents
Gıda Üretim Sanayii Atıklar, Gıda Atıklarının Besinsel, Çevresel ve Ekonomik Açıdan Önemi
MAKALE BÖLÜMLERİ
Gıda atıkları, polisakkaritler, diyet lifleri, yağlar, vitaminler, fenolikler, karotenoidler ve diğer pigmentlerin yüksek içeriği nedeniyle önemli bir kompleks karbonhidrat, protein, lipid ve fitokimyasal kaynağı olarak kabul edilir. Bu nedenle, boşa harcanan gıdaların potansiyel sağlık yararları, biyolojik olarak aktif bileşiklerin yüksek içeriğine dayanır. (10,11) Gıda israfının besin kaybı ve dünyadaki açlıkla bağlantılı sosyal etkileri vardır. İsraf edilen gıdalar teorik olarak milyonlarca insan için besin boşluklarını doldurabilir. Örneğin, yıllık gıda kaybı ve atık miktarı, 2 milyar insan için günde 2100 kcal’lik bir diyet sağlayabilir. FAO kayıtlarına göre, 2019 yılında 690 milyon insanın açlık çektiği tahmin edildiğinden, bu gıda kaybı ve israfı potansiyeli çok önemlidir. Bu sayı COVID-19 pandemisi sırasında çarpıcı bir şekilde arttı ve daha da artması bekleniyor. (5,12) 2012’de ABD gıda arzının perakende ve tüketici seviyelerindeki gıda atığı, 33 g protein, 5,9 g diyet lifi, 1,7 μg D vitamini, 286 mg kalsiyum, 880 mg potasyum ve Kişi başına günlük 1217 kcal. (13) Ayrıca israf edilen kalsiyum, kolin, riboflavin, çinko ve B12 vitamininin özellikle et, süt ve yumurta kaybından kaynaklandığı bildirilmiştir. (3) Kişi başına günlük yemek israfı 795-840 kcal’lik yemeğe karşılık gelmektedir. Ve tüm israf edilen besinler içinde karotenoidler %31 ile en yüksek değere, D vitamini ise %25 ile en düşük değere sahiptir. (14) Bu besleyici gıdalar israf edildiğinden, gıda israfının azaltılması, insan tüketimi için daha fazla kullanılabilir besin sağlayabilir. (12) Gıda israfını azaltmak için gerekli önlemler alınmaz, gıda tüketimi ve üretimi planlanmaz ise 2050 yılında nüfusu dokuz milyarı aşan Dünya, en az 2 milyar tona tekabül eden %60 daha fazla gıdaya ihtiyaç duyacaktır. Tahminler, küresel gıda israfını yarı yarıya azaltarak 2050’deki gıda açığının ∼ %20 azaltılabileceğini gösteriyor. (15) Gıda israfının sosyal etkilerinin yanında çevresel ve ekonomik etkileri de bulunmaktadır ( Şekil 1 ). Gıda israfının iklim değişikliği üzerinde yıkıcı etkileri var. (16) Gıda atıklarının sera gazı (GHG) emisyonlarına tahmini karbon ayak izi katkısı , atmosferde yılda yaklaşık 3,3 milyar ton CO2 birikimine eşittir . (17) Yüksek nüfuslu bir ülke olan Çin’deki 17 110 aile üyesinin gıda tüketimi ve atık üretim eğilimleri, hane halkının karbon, su ve ekolojik ayak izi nicelleştirmesine dayalı olarak araştırıldı. Evde yıllık gıda tüketimi (415 kg), 1080 kg CO2 eşdeğeri karbon, 673 m3 su ve 4956 gm2 ekolojik ayak izine neden olurken, evde yıllık gıda israfı (16 kg) 40 kg’a neden olur . CO2 eşdeğeri karbon, 18 m3 su ve 173 gm 2 ekolojik ayak izi . (18) Gıda atıkları, çöplüklerde herhangi bir uygun ön işleme tabi tutulmadan veya çöplüklerde yakılarak bertaraf edildiğinden başka birçok çevresel sorun da yaratabilir. (2) Gıda atıklarının yakılması sonucu atmosfere salınan dioksin, kül ve baca gazları nedeniyle canlıların solunum güçlüğüne ve hava kirliliğine neden olan bazı çevre sorunları meydana gelmektedir. (2,17) Gıda atıklarının yakılmasında olduğu gibi, toksik yan ürünler yeraltı sularını kirletmekte ve gıda atıklarının düzenli depolama alanlarında metan ve hidrojen sülfür gibi aşındırıcı gazların oluşmasına neden olmaktadır. (2) Gıda atıklarının düzenli olarak doldurulması, enerji içeriğini azaltır. Depolama alanlarındaki enerji kaybı, ABD’de gıda hazırlama için verilen enerjinin %43’üne ve Birleşik Krallık’taki endüstrilerin mevcut yıllık yenilenebilir enerji talebinin %100’ünden fazladır (16)
Gıda israfı ve kaybı ile ilgili bir diğer önemli konu da ekonomik sorunlardır. Gıda israfının yaklaşık küresel maliyeti yılda 1000 milyar dolara eşittir. Bu sayı, göz ardı edilen çevresel maliyetler dikkate alındığında 2600 milyar dolara kadar çıkabilmektedir. (19) FAO, 2007 yılındaki toplam gıda atığı miktarının yaklaşık 750 milyar dolar olduğunu ve bu rakamın 2011 yılında Türkiye ve İsviçre’nin gayri safi yurtiçi hasılasına (GSYİH) yaklaşık olarak eşit olduğunu bildirmiştir. Sebzeler, gıda israfının ekonomik maliyetine öncelikle katkıda bulunur. toplam maliyete sırasıyla %21, %19 ve %18 oranında et, meyve ve %18 oranında kayıp katkıda bulunmaktadır. (4) ABD’de yıllık üretimin neredeyse %29’una tekabül eden 55 milyon metrik tondan fazla önlenebilir gıda atığı üretiliyor. Bu israf edilen gıdaların maliyeti 198 milyar dolara tekabül ediyor. (20) Birleşik Krallık’ta yıllık 8,3 milyar metrik ton evsel gıda atığı ile en az 18,6 milyar dolar kaybediliyor. (20,21) Bu nedenle, gıda israfının azaltılması, küresel olarak artan nüfusa yeterli gıda sağlanmasına yardımcı olabileceğinden, ekonomi, çevre ve toplum açısından kritik bir konudur. (22)
Gıda Atık Yönetimi (Tarımsal gıda atıklarının ve yan ürünlerinin etkileri )
MAKALE BÖLÜMLERİ
Gıda israfını yönetmenin ilk seçeneği atık oluşumunu önlemektir. Yeniden kullanım ve geri dönüşüm, gıda atık yönetiminde ikincil seçenekler olarak kabul edilmektedir. (23,24) Gıda israfını yönetmek için azalt-tekrar kullan-geri dönüşüm, genişletilmiş üretici sorumluluğu ve israfı azaltmak için sürdürülebilir yönetim gibi diğer yöntemler geliştirilmiştir. (23) Gıda kayıpları da yerel yatırımlar, eğitimler, soğuk zincirin sağlanması, düşük gelirli ülkelerde paketleme ve pazar olanaklarının iyileştirilmesi ile önlenebilir. Yüksek gelirli ülkeler için, tedarik zincirindeki iletişimi geliştirmek, satın alma/tüketim planlamasını iyileştirmek ve son kullanma tarihlerine ilişkin farkındalık, gıda kaybını önleme seçenekleri olabilir. (8,25) Gıda israfını yönetmek veya azaltmak için ülkeler, tüketici davranışlarına, gelir seviyelerine ve gelişmişlik seviyelerine bağlı olarak bireyler, kuruluşlar ve işletmeler için çeşitli politikalar uygulamaktadır. (22,26) Avrupa Birliği Atık Direktifi, üyelerini 2025 yılına kadar gıda atıklarını yönetmek ve %30 oranında azaltmak için gerekli programları hazırlamaları konusunda desteklemektedir. İtalya ve Fransa aynı programları ülke çapında uygularken, Avusturya, Çek Cumhuriyeti, Polonya, Hollanda, İsveç ve İskoçya, programlarını belediye düzeyinde uygular. (24) Ayrıca ABD’de, atık azaltma tanıma programları olarak Food Waste Challenge (FWC) ve EPA Food Recovery Challenge (FRC) tercih edilmektedir. (22)En iyi seçenek gıda israfının önlenmesi veya azaltılması olsa da, gıda atık yönetimi yöntemlerine göre, önleme veya azaltmanın mümkün olmadığı durumlarda gıda atıklarının değerlendirilmesi en iyi yöntemlerden biri olarak kabul edilebilir. Değerleme, eski gıda atıklarının gıda ve yem ürünlerine yönlendirilmesi anlamına gelir. Gıda atıklarının kalitesi, sağlamlığı ve bileşimi dikkate alınarak gıda atıklarının ekstrakte edilmiş gıda ve yem bileşenlerine dönüştürülmesini de içerir. Gıda atıklarının dönüştürülmesi, teknolojik fizibilite, ekonomik uygulanabilirlik, yasal raporlanabilirlik ve çevresel sürdürülebilirlik ve fayda ile ilgili piyasa koşullarının değerlendirilmesini gerektirir. (27) Potansiyel olarak karbonhidratlar, proteinler, lipidler ve nutrasötikler içeren gıda atıkları farklı bileşenlerden oluşur. (10,17) Karbonhidratlar çoğunlukla pirinç ve sebze içeren gıda atıklarından elde edilirken, proteinler ve lipitler çoğunlukla et ve yumurta atıklarından elde edilir. (17) Gıda atıkları, kontrol edilemeyen bir ıskarta yerine kârlı ürünler olarak kullanılabilecek değerli biyokütle olarak değerlendirilmeye başlandı. Gıda atıkları yenilenebilir ve ucuz olduğu için enerji, biyoyakıtlar, enzimler, antioksidan özler, yeni biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler ve diğer ticari ürünlerin elde edilmesi için faydalı olabilir. (9) Avrupa Birliği’ndeki (AB) hükümetlerin önümüzdeki on yıllarda gıda atıklarının daha büyük ölçekte değerlendirilmesi ile mücadele edecekleri belirtilse de, AB 2010 yılında daha değerli ürünler elde etmek için biyoatık değerlendirme kavramını tanımladı. , kompostlama ve yakma, AB’de üretilen çoğu gıda atığı için üç popüler seçenektir. Bununla birlikte, enerji satın alımındaki artış ve gıda yönetiminin kötüleşmesi, son yıllarda gıda atığı üretiminin artmasına neden oldu ve gıda değerini toplum için çok önemli bir konu haline getirdi. (28)
Tarımsal Gıda Atıklarının/Yan Ürünlerinin Değerlendirilmesine Yönelik Yeni Yaklaşımlar Gıda Üretim Sanayii Atıklar
MAKALE BÖLÜMLERİ
Tarımsal Gıda Atıklarının/Yan Ürünlerinin Değerlendirilmesi Yöntemleri (Gıda Üretim Sanayii Atıklar )
İnce kimyasallar, nutrasötikler, antioksidanlar, biyoaktifler, biyopolimerler, biyopeptitler, antibiyotikler, endüstriyel enzimler, biyonanokompozitler, tek hücreli proteinler, polisakkaritler, aktif karbon adsorbanı, kitosan, korozyon önleyiciler, organik asitler, pigmentler, şekerler olan katma değerli ürünler , mum esterleri ve ksantan zamkı, bir substrat olarak gıda atıkları kullanılarak geri kazanılabilir. (29,30) Depolama ve yakma gibi gıda atıklarının geleneksel olarak işlenmesi çevresel, ekonomik ve sosyal sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle, gıda israfını yönetmek için daha sürdürülebilir ve karlı olan çeşitli değerlendirme yöntemleri, yukarıda bahsedilen katma değerli ürünleri elde etmek için alternatif seçenekler olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, gıda atıklarından arıtılmış, solventten antioksidan malzemelere kadar değişen özel kimyasallar, nutrasötik ve biyomateryal uygulamalar için gereklidir. (30) Biyokimyasal, kimyasal ve fiziksel adımları içeren birleşik yöntemler, gıda atıklarında ve yan ürünlerinde bulunan potansiyel olarak pazarlanabilir bileşikleri ayırmak için tercih edilen bileşenleri seçici olarak çıkarmak ve değiştirmek ve bunları daha yüksek değerli gıda ürünleri ve katkı maddelerine dönüştürmek için uygulanmalıdır. Bu yöntemler mikrobiyolojik tehlikelerden kaçınmak için dikkatli bir şekilde uygulanmalı ve nihai ürünlerin tüketicilerin damak tadına uygun olmasını ve gıda yönetmeliklerine uyularak üretilmesini sağlamalıdır. (8)Yalnızca yenilenebilir kaynakların etkin kullanımı ve yenilenebilir karbonun kullanılması, kimyasallar, malzemeler, polimerler, yakıtlar ve enerji üretmek için fosil kaynakların yerini alabilir. Endüstriyel kalkınma, özel ürün ekstraksiyonu, yeşil kimyasal veya biyoteknolojik süreçlerle dönüşüm, entegre biyorafinaj, endüstriyel simbiyoz, kademeli işleme ve tarımsal ve ormancılık kalıntılarının, sucul biyokütle ve farklı atık akışları. (31) Gıda kullanımı için uygun olmayan yan ürünlerin fermantasyon, biyogaz üretimi ve kompostlamanın uygulanmasından sonra enerji kaynağı olarak kullanılması, entegre bir biyorafineri yaklaşımının farmasötik, kozmetik için biyoaktif molekül üretimi için gıda atıklarının değerlendirilmesini sağlayabileceğini göstermektedir. , gıda ve gıda dışı uygulamalar. (8)
4.1.1. Tarımsal Gıda Atıkları/Yan Ürünleri için Biyorafineri
Tarımsal kalıntılar, gıda işleme atıkları ve gıda artıkları gibi biyokütle üretimi sırasında elde edilen yan ürünlerin etkin bir şekilde değerlendirilmesi, küresel biyoekonomiye katkıda bulunabilir. (32) Bilimsel topluluk tarafından sürdürülebilir bir alternatif olarak hızla kabul edilen biyorafineri kavramı, gıda atıklarının geri dönüştürülmesiyle enerji ve ticari üretimi içermektedir. (33) Anaerobik çürütme, fermantasyon ve kompostlaştırma dahil olmak üzere biyoteknolojik teknikler, bol ve düşük maliyetli atık biyokütleyi biyoyakıtlar ve biyokütle biyogübreleri, biyoplastikler ve ikincil kimyasallar gibi biyorafineri ürünlerine dönüştürür. (32−34) Ek olarak, bu biyoteknolojik teknikler, tarımsal gıda atıklarını, atık sularda bulunan çeşitli kirleticilerin biyoremediasyonunda kullanılan verimli biyobazlı adsorbanlara dönüştürebilir. (33) Yenilenebilir bir tedarik zinciri sağlayarak kapalı döngü bir ekonomi yaratmak için gıda atıklarının kimyasal sentezde daha fazla kullanılmasıyla halkın gıda atığı algısı değiştirilecektir. Örneğin, yenilenebilir enerji politikasına ilişkin ve aynı zamanda atık türevli biyoyakıtların geliştirilmesini zorunlu kılmayı hedefleyen yakın tarihli bir geçici anlaşma AB tarafından yapılmıştır. Gıda atıklarına dayalı bir biyorafineri tanımlayan anlaşmanın gelecekte daha sürdürülebilir ve daha yeşil bir topluma katkıda bulunmada önemli bir role sahip olması planlanıyor. (30) Sonuç olarak, biyorafineri konsepti ile gıda atığı yönetimi, daha az sera gazı emisyonu, çevresel yüklerin azaltılması ve yakıt üretimi için fosil bazlı kaynakların kullanımı konusunda daha bağımsız olması nedeniyle olumlu çevresel etkilere sahiptir. (33,34)
biyoyakıt (Gıda Üretim Sanayii Atıklar )
Katı, sıvı ve gaz halinde olabilen biyoyakıt, biyokütle ve biyoetanol, biyodizel, biyokerosen, doğal gaz vb. içeren biyokütlenin rafine ürünlerinden kaynaklanan enerji olarak tanımlanır. İnsan uygarlığının başlangıcından beri biyoyakıt, yemek pişirme, aydınlatma ve ısıtma gibi günlük insan aktivitelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. (35) Petrol ve kömür bazlı yakıtların üretimi ve kalıcılığı ile ilgili sorunlar nedeniyle alternatif yakıt olarak biyoyakıt üretimi dünya çapında giderek daha fazla desteklenmektedir. (36) Günümüzde ülkeler gıda atıklarının yakıt olarak değerlendirilmesi konusunda çalışmalar yapmaktadır. Örneğin, Kuzey ülkelerini içeren bir proje, gıda atıklarının kullanımını artırmaya yönelik politikalara ve atıklarını ulaşım yakıtlarına dönüştürmek için yeni teknolojilerin araştırılmasına odaklanmaktadır. Danimarka, Finlandiya ve İsveç şu anda meyve ve sebze atıkları, hayvansal kaynaklı atıklar, fırın atıkları ve evlerden gelen biyoatıklar, tarımsal yan ürünler, endüstriyel ve ticari kökenliler gibi gıda atıklarını biyodizel, biyoetanol ve biyogaz üretiminde kullanıyorlar. (37) En yaygın biyoyakıtlardan bazıları ve uygulamaları aşağıdaki paragraflarda özetlenmiştir. Yağ asidi metil esteri olan biyodizel, soya fasulyesi, kolza tohumu ve kanola dahil olmak üzere çeşitli bitkisel yağlardan doğrudan veya dolaylı transesterifikasyon yoluyla üretilir. (2,36) Karmee ve Lin’in çalışması, biyodizel üretiminde düşük maliyetli gıda atıklarının kullanımını örneklendirdi. (36) Lipidleri gıda atıklarının mantar hidrolizi ile elde ettiler ve bu lipidler biyodizel üretmek için transesterifiye edildi. Diğer bir biyoyakıt ve yenilenebilir enerji kaynağı olan biyometan/hidrojen/hitan gibi biyogaz, AB’nin yenilenebilir enerji mevzuatı dikkate alınarak tarımsal gıda biyokütle kalıntılarının anaerobik sindirimi ile elde edilmektedir. (2,38) Ancak biyogazda bulunan hidrojen sülfür, karbondioksit, azot, hidrojen, oksijen ve su buharı gibi bazı bileşenler, doğal gaza göre kalorifik değerin düşmesine neden olur. Bazı fizikokimyasal ve biyolojik teknolojiler, ham biyogaz kalitesini değerlendirmek için temizleme ve yükseltme tekniklerini içerir. Biyolojik yöntemler, kriyojenik ayırma, hidrat ayırma, membran zenginleştirme, yerinde yükseltme, çok aşamalı ve yüksek basınçlı anaerobik çürütme, ileri modern biyogaz yükseltme tekniklerine örnek olarak verilebilir. (39) Gıda atıklarından biyogaz üretimine bir örnek olarak, biyogaz üretiminde kullanılan anaerobik çürütme işleminin iyileştirilmesine odaklanan bir çalışma. (40) Gıda atıklarının ön arıtımı ve anaerobik çürütme sırasında ultrasonun pratik kullanımının daha kısa bir zaman aralığında biyogaz verimini arttırdığı sonucuna varmışlardır. Son zamanlarda, gıda atıklarını parçalayarak değerlendirmek için yenilikçi bir katı hal mikroanaerobik çürütme işlemi geliştirilmiştir. Bu teknoloji, anaerobik sindirimi, düşük su ve enerji gerektiren kompakt bir süreç haline getirir. Uygulanabilirliğini artırmak ve proses koşullarını optimize etmek için iyileştirilmesi planlanan katı hal mikroanaerobik çürütme işlemi ile 143 L/kg metan miktarı üretildi. (41) Bir diğer popüler biyoyakıt, petrol benzeri özellikleri nedeniyle yeni bir alternatif sıvı yakıt olarak kabul edilen biyoalkoldür. (33) Karbon nötrlüğü elde eden ve içten yanmalı bir motorla uyumlu olan, en ticarileştirilmiş ulaşım yakıtını temsil eder. (42) Etanol, patates, melas, mısır, ocak, buğday, şeker kamışı, küspe, şeker pancarı, tahıl, şalgam, arpa ve diğer birçok karbonhidrat açısından zengin kaynak dahil olmak üzere çeşitli hammaddelerin mikrobiyal fermantasyonu ile üretilir ve en yaygın biyoalkol. (33,36) Ayrıca, iyi bir karbonhidrat kaynağı olan fast food atıkları biyoetanol üretimi için kullanılmıştır. Örneğin etanol, α-amilaz ile enzimatik hidroliz ve en yüksek 0.292 g/g pizza atığı ile pizza atıklarından fermantasyon işlemi ile üretilmiştir (43) . ve 0.271 g/g hamburger israfı ile en yüksek çıktıya sahip hamburger israfı. (44) Karbon bakımından zengin bir biyoyakıt olan Biochar, biyokütlenin sınırlı veya havasız koşullarda 250 °C’nin üzerine ısıtılmasıyla bir kömürleştirme (veya piroliz) işlemiyle üretilir. (45) Toprak ıslahı ve çevre yönetimi başta olmak üzere birçok alanda yenilenebilir karbon malzemesi olarak kullanılmaktadır. (30,45) Örneğin biyokömürün toprak asitliği, su tutma kapasitesi, katyon değiştirme kapasitesi ve besin maddesi tutmasına aracılık etmedeki faydalarının yanı sıra yeşil enerji depolama cihazlarında kullanılan süperkapasitörlerde uygun bir elektrot olarak kabul edilmektedir. (30)
Değerli Biyomalzemeler ( Gıda Üretim Sanayii Atıklar )
Biyopolimerler, biyoplastikler, biyogübreler, enzimler, organik asitler, tek hücreli protein (mikrobiyal biyokütle) de tarımsal gıda atıklarından/yan ürünlerinden fermantasyon ve kompostlama gibi farklı işlemler uygulanarak elde edilir. Bu değerli biyomalzemeler kozmetik, ilaç, kimya, yiyecek ve içecek endüstrilerinde kullanılmaktadır. (33) Farklı ürün ve prosesler için önemli bileşenler olan enzimler, substrat ve ürüne karşı özgüllük, ılımlı reaksiyon koşulları, minimum miktarda yan ürün oluşumu ve yüksek verim göstermeleri nedeniyle endüstride büyük bir öneme sahiptir. Hammadde maliyetleri, enzimlerin toplam üretim maliyetinin %30’una kadar sorumludur. (46) Bu nedenle, gıda atıklarının ve yan ürünlerinin kullanılması, enzimlerin üretimi için hammadde maliyetlerini azaltmak için iyi bir seçenektir. Ayrıca atık miktarını azaltır ve çevreye olan olumsuz etkilerini önler. Literatürde gıda atıklarından ve yan ürünlerinden enzimlerin geri kazanımı ile ilgili birçok çalışma bulunmaktadır. Örneğin, Neurospora crassa CFR 308’in bir mantar suşu ile katı hal fermantasyonu yoluyla kahve atıklarından a-amilaz, (47) Aspergillus niger UV-60, (48) ile daldırılmış fermantasyon yoluyla gıda atıklarından glukoamilaz ve kavun atıklarından lipaz, Bacillus coagulans ile katı hal fermantasyonu , (49) kurtarıldı. Gıda atıklarından üretilen organik asitler arasında laktik, süksinik, sitrik, 3-hidroksi propiyonik, asetik ve butirik asitler yer almakta olup, asidojenez ile organik asit üretimi gıda atıklarının bileşiminden etkilenmektedir. (2) Kim ve arkadaşlarının çalışmasında, laktik asit bakterileri ile organik asit üretiminde kimchi lahana atığı kullanılmıştır. Sonuçlar, Lactobacillus sakei WiKim31 ve L ile kimchi lahanasının atıklarından 12.1 ve 12.7 g/L laktik asit, 7.4 ve 7.1 g/L fumarik asit, 4.5 ve 4.6 g/L asetik asit içeren organik asitlerin olduğunu göstermiştir . sırasıyla curvatus WiKim38, 48 saat boyunca sakarifikasyon ve fermantasyonun aynı anda uygulanmasıyla elde edildi. (50)Ayrıca başka bir çalışmada, ekmek atıklarından sırasıyla yüksek miktarda amilolitik ve proteolitik enzim içeren kompleks enzimler üretebilen Aspergillus awamori ve Aspergillus oryzae ile katı hal fermentasyonu ile 47.3 g/L süksinik asit elde edilmiştir . (51) Mikrobiyal fermentasyon ile gıdaların atık maddelerinden elde edilen bir diğer değerli ürün ise tek hücreli proteindir. (52) Yenilikçi ve alternatif proteinli gıda kaynakları formüle etme talebi, nüfus artışı ve artan sayıda aç ve kronik olarak yetersiz beslenen insanla ilgili endişeler nedeniyle artıyor. Bu talebe cevap vermenin en önemli adımı tek hücreli protein üretimidir. (53) Bakteri, maya, alg ve mantar gibi mikrobiyal biyokütleden ekstrakte edilen protein olan tek hücreli protein, protein kıtlığı ile ilgili sorunları hafifletmek için temel insan diyetindeki geleneksel yüksek maliyetli protein kaynakları yerine ek protein kaynağı olarak kullanılabilir. (33,53,54) Tek hücreli proteinlerin insan veya hayvan diyetinde kullanılmasının besinsel faydalarının yanı sıra, protein yönünden zengin gıda ve yem stoklarının formülasyonu sırasında, biyodönüşüm ürünleri kullanılarak nihai ürünlerin maliyetlerinin düşürülmesi de bir diğer avantajdır. Tarım ve sanayi atıkları. (53) Yenilikçi biyoteknolojinin bir örneği olarak, artık biyokütleleri değerlendirmek için birkaç böcek türü kullanılmıştır. Böcekler, organik atıkların besinlerini vücutlarına dahil edebilirler. Böceklerin bu yeteneği atık madde miktarını azaltarak daha değerli ve homojen biyokütle oluşturur. (55) Örneğin, gıda atıklarının kara asker sineği ( Hermetia illucens ) larvaları tarafından biyolojik olarak arıtılması, atıkların hacminin azaltılmasını ve yüksek kaliteli hayvan yemi üretilmesini sağlar. Hayvan yemi ve çim gübrelerinin bileşenleri olarak gıda atık maddelerini geri kazanabilir, geri dönüştürebilir ve değerlendirebilir. (56) Gıda atıklarından ve yan ürünlerinden elde edilen diğer önemli ürünler olan biyopolimerler çok çeşitli ürünleri içermektedir. Bu biyopolimerler, biyobozunurlukları, biyofonksiyonellikleri, biyostabiliteleri ve biyouyumlulukları nedeniyle tıp, kozmetik, ilaç ve gıda endüstrileri, su arıtma, biyosensörlerin üretimi ve geliştirilmesi, endüstriyel plastikler ve giyim kumaşları gibi farklı endüstrilerde kritik uygulamalarda kullanılmaktadır. (57) Gıda atıkları, gömüldükten sonra aylar içinde tamamen karbondioksit ve suya dönüşebilen organik polimerler olarak polihidroksialkanoatlar (PHA) ve polihidroksibutirat (PHB) dahil olmak üzere biyoplastik üretimi için de kullanılır. (2) Bu nedenle gıda atıklarından biyoplastik üretimi hem plastik atıkların hem de gıda atıklarının azaltılmasına katkı sağlıyor. (58)
Tarımsal Gıda Atıklarından/Yan Ürünlerinden Değerli Bileşiklerin Ekstraksiyon Yöntemleri ( Gıda Üretim Sanayii Atıklar )
Biyo bazlı moleküller, doğal biyopolimerler ve fitokimyasallar, petrol bazlı kimyasallardan sentezlemek yerine doğrudan ekstraksiyon yoluyla elde edilebilir. (32) Bu değerli biyobazlı ürünler ekstrakte edildikten sonra, gıda katkı maddeleri, nutrasötikler, terapötikler ve kozmetikler gibi yüksek değerli ürünler olarak kabul edilebilirler. (33) Bununla birlikte, yüksek değerli bileşenlerin çıkarılmasının ekonomik fizibilitesi dikkate alınmalıdır. Bu ekonomik fizibiliteyi sağlamak için, atığın tam olarak kullanılması için tüm değerli bileşenleri elde etmek için istenen bileşenlerin uygun bir yöntemle çıkarılması gerekir. (8)Uygulanan ekstraksiyon teknikleri, gıda matrisinin doğasına ve ekstrakte edilecek biyoaktif gıda içeriğine göre farklılıklar gösterir. (33) Ayrıca, kullanılan ekstraksiyon yöntemi ve yan ürünün hücresel matrisi, bir kimyasal varlığın geri kazanım oranını baskın olarak etkiler. (59) Ekstraksiyon teknikleri geleneksel ve geleneksel olmayan olarak ikiye ayrılabilir. (60) Çözücü ekstraksiyonu, Soxhlet, maserasyon ve hidrodistilasyondan oluşan geleneksel yöntemler, sıcaklık, çalkalama ve metanol, etanol ve aseton gibi organik çözücüler ile karakterize edilir. (33,60) Biyoaktif bileşenlerin direncini en üst düzeye çıkarmak için sıcaklık, temas süresi, pH, partikül boyutu, katı-sıvı oranı ve karıştırma hızı gibi çalışma parametreleri uygun şekilde seçilmelidir. Ekstraksiyon süresinin daha uzun olması, yüksek miktarda toksik atık oluşumuna neden olan yüksek hacimli solvent kullanımı ve ekstraktın herhangi bir solvent kalıntısı veya safsızlığı olmadan elde edilmesi için son adım olarak izolasyon veya berraklaştırma tekniğinin uygulanmasına duyulan ihtiyaç nedeniyle, toksik ve pahalı organik çözücüler bu geleneksel tekniklerin dezavantajlarıdır. (33,61) Solvent tüketiminin ve ekstraksiyon süresinin azaltılması, ekstraksiyon verimliliğinin iyileştirilmesi ve daha yeşil solventlerin kullanılması, daha etkili, daha temiz ve daha yeşil modern veya geleneksel olmayan tekniklerin daha az enerji kullanımına ve organik solvent uygulamasına yol açması, çevre açısından faydalıdır. (60,61) Mikrodalga destekli, ultrason destekli, basınçlı sıvı, süper kritik akışkan, darbeli elektrik alan destekli ve enzim destekli özütlemeler, yeni termal ve termal olmayan özütleme teknikleri üzerinde çokça çalışılmışlardır. Geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, yukarıda sıralanan gelişmiş ekstraksiyon teknikleri, daha yüksek ekstraksiyon verimliliği, daha düşük solvent tüketimi, daha düşük ekstraksiyon süresi ve enerji maliyeti göz önüne alındığında daha etkilidir. (8,33,62,63) Atık değerlendirmesinde kullanılan geleneksel çözücülerin yüksek fiyatları, yüksek toksisiteleri ve erime noktaları nedeniyle bazı dezavantajları olduğundan, yeşil ve uygun maliyetli bir teknik arayışı derin ötektik çözücülerin (DES’ler) ve bunların biyoanaloglarının ortaya çıkmasına neden olmuştur. , doğal derin ötektik çözücüler (NADES’ler). (64,65) DES’ler ve NADES’ler, gıda atıklarını etkin bir şekilde değerlendirmek için biyokütleleri çözme kapasitesi yüksek, çevre dostu ve yeni çözücüler olarak kabul edilir. Bitkisel yağlar, süt ürünleri, içecek ürünleri atıklarından ve ayrıca lignoselülozik biyokütle, ağaç kabuğu, odun ve algler gibi çeşitli doğal hammaddelerden değerli bileşenleri çıkarmak için kullanılmıştır. (64) Örneğin, tarımsal gıda sanayi yan ürünlerinden fenolik bileşikleri çıkarmak için basit, pahalı olmayan ve çevre dostu bir NADES tasarlanmıştır. Laktik asit, glikoz ve suyun birleştirilmesiyle hazırlanan bu ötektik çözücünün soğan, zeytin, domates ve armut yan ürünlerine etkin bir şekilde uygulanması tekniğin çok yönlülüğünü göstermektedir. (66) Derin ötektik çözücülerin kullanımı, gıda endüstrisinde yeni yüksek kaliteli ürünleri ve fonksiyonel bileşenleri geri kazanmak için gıda atıklarının yeşil özütlenmesine olan ilgiyi artırabilir. (64)Yukarıda bahsedildiği gibi, tarımsal gıda atıkları, değerli bileşiklerin iyi kaynakları olabilir. Bu nedenle, bilimsel toplulukta bu faydalı bileşikleri değerlendiren ve çevre üzerindeki zararlı etkilerini azaltan farklı ekstraksiyon yöntemleri geniş çapta araştırılmaktadır. Son yıllarda uygulanan çeşitli ekstraksiyon teknikleri ile tarımsal gıda atıklarından ve yan ürünlerinden ekstrakte edilen farklı türde bileşikler Tablo 1’de özetlenmiştir . Ekstraksiyon süreçleri ve bunların optimizasyonu hakkındaki bilgiler, tarımsal gıda atıklarındaki değerli bileşikleri değerlendirmek için endüstriyel düzeyde yenilikçi ve fonksiyonel ürünleri tasarlamak ve geliştirmek için mükemmel bir fırsat sağlayabilir. Tablo 1. Tarımsal Gıda Atıklarından Ekstraksiyon Yöntemleri ve Çıkartılan Değerli Bileşikler ve Yan ürünler
Tarımsal Gıda Atıklarından/Yan Ürünlerinden Elde Edilen Biyoaktif Bileşiklerin Kararlılığını ve Biyoyararlanımını/Erişilebilirliğini Artırma
Maserasyon sonrası katı-sıvı ekstraksiyonu gibi geleneksel yöntemlerle ve sonikasyon, süper kritik akışkanlar, mikrodalgalar ve darbeli elektrik alanları ile ekstraksiyon gibi yeni ve yeşil yöntemler ile biyokütlenin değerlendirilmesi, antioksidan sağlayan yüksek fitokimyasal içeriği nedeniyle son zamanlarda dikkat çekmiştir. potansiyel sağlık yararlarına yol açan anti-inflamatuar ve antibakteriyel özellikler. (87,88) Örneğin, meyve ve sebze atıklarındaki bu sağlığı geliştirici biyoaktif bileşikler, antikanser, antimutajenik, antiviral, antioksidan, antitümör aktivitelerinde ve kardiyometabolik hastalık risklerini azaltma yeteneklerinde önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca, fitokimyasallara odaklanan son araştırmalar, deriler, tohumlar, hamur veya posa gibi bitki kaynaklarından elde edilen polifenollerin yüksek antioksidan özelliklerinin, polifenolleri sağlık açısından önemli olan birincil fitokimyasallardan biri haline getirdiğini belirtmektedir. (89) Zararlı kimyasal katkı maddelerini önlemek ve nihai üründeki oksidasyon işlemlerini engellemek için gıda endüstrisinde doğal antioksidanlara yönelik talep ve tüketici kabulü sürekli artmasına rağmen, çeşitli gıda ürünlerinde doğal antioksidanların kullanımıyla ilgili çeşitli sorunlar vardır. (87,88) Çoğu, gıdalarda ve gastrointestinal sistemde (GIT) kimyasal bozunma ile mücadele ederek biyoyararlanımlarını ve biyoaktivitelerini azaltır. (87) Ek olarak, birçoğunun zayıf bir çözünürlük sorunu vardır, bu da bazı gıdalara doğrudan katılmalarının kısıtlanmasına yol açar ve birçoğu oksijen, ışık, ısı, enzimler, tuzlar ve asit veya alkali ortamlara karşı hassasiyetle mücadele eder. faydalı etki ve aktivitelerinde kayıplara neden olur. (88) Son yıllarda bilim adamları, gıda atıklarından/yan ürünlerinden elde edilen bileşenlerin miktarını ve biyoyararlanımını artırmak ve gıda işleme ve gastrointestinal sindirim sırasında stabilitelerini geliştirmek için kapsamlı araştırmalar yapmışlardır. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için en yaygın yeni teknikler, kapsülleme, nanoemülsiyon gibi nanoteknolojik yaklaşımlar ve fermantasyon ve enzim kullanımı gibi biyoteknolojik süreçlerle uygulanmaktadır.Nanoteknoloji, incelemek, tasarlamak, yaratmak, sentezlemek, uygulamak ve manipüle etmek için geliştirilmiş bir teknik olarak tanımlanabilir. Malzemelerin nano ölçekli kontrolünü kullanarak malzemeler, cihazlar ve fonksiyonel sistemler. (90) Son zamanlarda, biyokütle atıklarının stabilitesini, çözünürlüğünü ve biyoyararlanımını artırarak daha önce açıklanan sorunlara çözümler bulmak için mikroenkapsülasyon ve nanoenkapsülasyon teknikleri uygulanmaktadır. (87,88) Nanoenkapsülasyon kapsamında protein, karbonhidrat, lipid, fosfolipit veya yüzey aktif maddelerden oluşan maksimum partikül boyutu 500 nm olan yenilebilir nanopartiküller, sprey kurutma, dondurarak kurutma gibi farklı uygulamalarla fitokimyasalları içeride tutar. , koaservasyon, kristalizasyon, moleküler kapsülleme, ekstrüzyon ve elektrostatik ekstrüzyon, fitokimyasalların stabilitesini, biyoyararlanımını, biyoaktivitesini ve dağılabilirliğini artırarak etkinliğini ve yönetimini arttırır. (87,89)Nanoteknolojik yaklaşımlar, biyoaktif bileşikler için daha yüksek stabilite, biyoerişilebilirlik ve biyoyararlanım sağladığından, özellikle gıda ve ilaç endüstrilerinde potansiyel olarak yenilikçi ve fonksiyonel ürünlere yol açabilir. Tarımsal gıda atıklarından veya yan ürünlerinden elde edilen ekstraktlar üzerine farklı kapsülleme tekniklerinin uygulanması ve etkileri ile ilgili son beş yılda yapılan çalışmalar Tablo 2’de özetlenmiştir .
Tablo 2’de sağlanan kapsülleme yöntemlerine ek olarak, gıda atığı verimliliği ve stabilitesinden türetilen bileşikleri değerlendirmek ve geliştirmek için emülsiyon bazlı sistemler de uygulanabilir. Örneğin, mango kabuğu fenolikleri bakımından zengin özler, farklı yüzey aktif maddelerle (Tween 20, Tween 80 ve lesitin) su içinde yağ emülsiyonlarında kapsüllenmiştir. Tween 20 ile su içinde yağ içinde su emülsiyonu en yüksek kapsülleme verimliliğine sahipti (%98,65 ± %1,14). Buna karşılık, depolama süresi içinde en iyi fiziksel ve kapsülleme stabilitesi, Tween 80 ile emülsiyonlarda elde edildi. Bu sonuçlar, uygun yüzey aktif maddelerle verimli ve kararlı emülsiyon bazlı sistemlerin uygulanmasının fenolik bileşikleri başarılı bir şekilde kapsülleyebileceğini gösterdi. (91) Ayrıca başka bir çalışma, mikroakışkanlar ile hazırlanan yardımcı madde emülsiyonunun (su içinde yağ) ve domates prinasının karıştırılmasının, domates prinasının toplam fenolik içeriğini ve likopen biyoerişilebilirliğini arttırdığını göstermiştir. (92) Zhu ve ark. nanoenkapsülasyon sistemlerinin dünya çapında birçok ülkede ticari olarak kullanıldığını belirtti. NANOCLUSTERS teknolojisinden oluşan Almanya’daki NanoCeuticals Supplements─RBC Life Sciences, organoleptik özellikleri iyileştirmek ve biyoyararlanımı artırmak için nanoboyutlu tozlar kullanır. Çin’deki ticari nanoenkapsülasyon uygulamalarına örnek olarak, biyoyararlanımı arttırılmış nanometrik partiküllerden (200 nm) oluşan Süper Nano Yeşil Çay ve selenyum biyoyararlanımı geliştirilmiş Nano-Selenyum Zengin Siyah Çay verilebilir. Ayrıca bir başka örnek olarak, Nano Gold (NGT) yenilebilir altın, Tayvan’da fiziksel yöntemlerle 0.5100 nm çapında altın nanometrik parçacıklar halinde üretilmektedir. (90) Bazı ülkelerde ticari olarak nanoteknolojik yaklaşımlar kullanılsa da, yaygın kullanımları için uzun vadeli etkilerini belirlemek için bazı düzenlemeler ve ayrıca in vivo çalışmalar gereklidir. En bilineni fermantasyon olan biyoteknolojik yaklaşımlar, gıda atıklarını değerlendirmek için kullanılmıştır. ve yan ürünleri fonksiyonel bileşenlere dönüştürerek. (104) Bu nedenle, yukarıda belirtilen nanoteknolojik yaklaşımlara ek olarak, çok sayıda çalışma, biyoaktif bileşiklerin içeriğini ve biyoyararlanımlarını artırmak için fermantasyona odaklanmaktadır. Ürünleri katma değerli ürünlere dönüştürmek için kullanılan en eski süreçlerden biri olarak görünen fermantasyon, anaerobik metabolizma yoluyla enerji elde etmek için organik bileşiklerin parçalanmasıyla gerçekleşir. (105,106) Fermantasyon işlemi, üretilen atık miktarını sınırlama ihtiyacını büyük ölçüde karşıladığı için bilimsel ve endüstriyel alanlarda oldukça tercih edilmektedir. Daha az enerji tüketir, az miktarda su üretir ve düşük maliyetlidir. (106) Ürün tipine bağlı olarak katı hal, batık ve sıvı fermantasyon olmak üzere üç tip fermantasyon işlemi uygulanır. Katı hal ve daldırılmış fermantasyon, yeni araştırma ve endüstride biyoaktif bileşikler elde etmek için en yaygın olarak kullanılan iki işlemdir. (105) Son zamanlarda, antioksidanlar gibi istenen biyoaktif bileşiklerin üretildiği fermantasyon işlemi, beslenme ve sağlık konularında bilimsel ve endüstriyel alanlarda giderek yaygınlaşmaktadır. (107) Fermantasyonun (özellikle katı hal fermantasyonunun) tarımsal gıda atıklarından/yan ürünlerinden biyoaktif bileşikler üzerindeki etkilerinin farklı örnekleri Tablo 3’te özetlenmiştir .
Meyve ve sebze atıklarından elde edilen yüksek değerli içerikleri değerlendirmek için diğer yenilikçi biyoteknolojik yaklaşımlar, fermantasyon ile birlikte mevcuttur. Öncelikle ilaç ve fonksiyonel gıda formülasyonlarında doğal biyoaktif bileşikler olarak kullanılırlar. (108) Örneğin, enzim kompleksleri malzemeleri hidrolize ederek çok çeşitli gıda atıklarında istenen ürünleri serbest bırakabilir. Çalışmalar, belirli bir maddenin bileşimine göre başta a-amilaz, selülazlar, ksilanazlar, pektinazlar, proteazlar, kitinaz olmak üzere çeşitli enzim komplekslerinin kullanılmasına odaklanmıştır. Bu enzim komplekslerinin yardımıyla gıda atıklarından elde edilen geniş ürün yelpazesi arasında antioksidanlar, protein hidrolizatları, pigmentler, oligosakkaritler, büyümeyi teşvik eden substratlar vb. yer alır (104) . Örneğin, sadece tanaz, pektinaz ve selülaz veya bu üç enzimin bir karışımı kullanılarak yapılan enzimatik işlemin üzüm posasının fenolik bileşikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, üzüm posasından fenolik asitler ve aglikonlar açığa çıkaran enzimatik işlemler ve tanaz ile üzüm posasının toplam polifenol içeriğinin ve antioksidan aktivitesinin arttığını göstermiştir (109) en yüksek hidrolitik etkinliği elde etti. Gıda atıklarının endüstriyel düzeyde değerlendirilmesi için biyoteknolojik yaklaşımların, özellikle fermantasyonun tercih edilmesi, düşük enerji gereksinimleri ve düşük maliyetleri nedeniyle avantajlıdır. Ek olarak, biyoteknolojik yaklaşımlar, beslenme ve sağlık yararları nedeniyle yenilikçi fonksiyonel gıdalar tasarlamak için gıda atıklarının değerlendirilmesi için iyi seçeneklerdir. Gıda ürünlerinde doğrudan kullanılamayan gıda atıkları, nanoteknolojik ve biyoteknolojik yaklaşımlarla entegre edilebilir.
Sonuç olarak, Endüstriyel ve Gıda Danışmanlığı için NanoPro, gezegenimizdeki her canlı varlığın ihtiyaç duyduğu yan ürünleri israf etmemenize ve para ve gıda tasarrufu yapmanıza yardımcı olur.
Gıda endüstrisi atıklarının tesislerinizde birikmesinden şikayetçiyseniz, bunu size kazanç sağlayacak bir ürüne dönüştürmek için Pronano uzmanlarına danışın.
