נגישות

גיליון 58 - גיליון חגיגי 20 שנה למכון תנובה למחקר - ינואר 2020

הנדסה וטכנולוגיה של מזון: אתגרים והזדמנויות בעשור הבא

פרופ' (אמריטוס) סם שגיא, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, ע"ש רוברט ה. סמית, האוניברסיטה העברית בירושלים

החל משנת 2015, שוק הפודטק העולמי צומח בשיעור ממוצע שנתי של 5.8%. על פי רשות החדשנות בישראל, ההשקעה בפודטק בארץ גדלה משנת 2013 ועד 2019 כמעט פי שלושה, ומספר החברות בתחום הגיע ל- 250. טכנולוגיות חדשות וניצול האפשרויות, כגון יישומי מחשב ופלטפורמות דיגיטליות, טכנולוגיות, חדשנות ותהליכים חדשים, תזונה אישית (personalized) ועוד, מציעים הזדמנויות כמעט אינסופיות לשיפור איכות ומגוון מוצרי המזון, קיימות ואיכות הסביבה, כמו גם הצורך לספק מזון לאוכלוסייה ההולכת וגדלה. 

הפודטק יחד עם האקוסיסטם (Ecosystem) הנלווה מכסים ספקטרום רחב של טכנולוגיות וחדשנות משבשת (Disruptive innovation), המשנים את תעשיית המזון כפי שאנו מכירים אותה כיום. לדוגמה, חלבונים שמקורם מהצומח, או ממיני חגבים, "בשר מתורבת" שגודל במעבדה, תולעים עשירי ברזל, "חלב" ומוצריו משקדים, ביצים ללא ביצים, תחליפים טבעיים לסוכרים, יישום בינה מלאכותית, ביג דאטה, הדפסת תלת מימד, תזונה מותאמת אישית, נוטריגנומיקה ועוד. אלו הן רק דוגמאות בודדות למגוון ההולך וצומח של מגמות ההולכות ורווחות בתעשיית המזון. 

תעשיות המזון והחקלאות נמנות יחד על התעשיות הגדולות המספקת כיום מוצרי מזון לאוכלוסייה של למעלה מ- 7 מיליארד, ול- 10 מיליארד כבר בשנת 2050. תעשיית המזון נצבת בפני אתגרים חסרי תקדים, וביניהם אספקת מזון לאוכלוסיית העולם הגדלה והמזדקנת, התחממות גלובלית, דרישות הצרכנים לאיכות, קיימות, עקיבות, בריאות ואיכות חיים, צמצום הפסדי המזון, הגברת והחמרת התקנות הרגולטוריות ועוד.
הפודטק ((FoodTech ייצר דרכים חדשות ומרתקות לרתום את המדע, הטכנולוגיה והחדשנות לפיתוח מגוון פורץ דרך, עשיר ורחב של מוצרי מזון חדשים, שפור האספקה והנגישות, השיווק והצריכה. הפודטק יחד עם האקוסיסטם (Ecosystem) הנלווה מכסים ספקטרום רחב של טכנולוגיות וחדשנות משבשת (Disruptive innovation), המשנים את תעשיית המזון . לדוגמה, חלבונים שמקורם מהצומח, או ממיני חגבים, "בשר מתורבת" שגודל במעבדה, תולעים עשירי ברזל, "חלב" טבעוני , ביצים ללא ביצים, תחליפים טבעיים לסוכרים, תזונה מותאמת אישית, נוטריגנומיקה ועוד. אלו הן רק דוגמאות למגוון רחב של מגמות ההולכות ורווחות בתעשיית המזון. 
לאור הפריחה בפודטק, ההתחדשות בחברות המזון וההשקעות המשמעותית, הנדסה וטכנולוגיית מזון צפויים למשוך תשומת לב מיוחדת, כולל ביקוש מוגבר, שיוביל להגדלת מספר הסטודנטים והסגל האקדמי. לכן, זוהי הזדמנות ייחודית לאקדמיה,  ולמהנדסי ולטכנולוגי המזון, לבחון את יעדיהם, ולבצע את השינויים הנדרשים על מנת לתת מענה לאופק החדש ולצרכים עתידיים.
המטרות העיקריות של המאמר הן לסקור שני נושאים: בריאות ואיכות חיים  והפלטפורמה הדיגיטאלית וחדשנות פתוחה. הנושאים נבחרו לאור הפוטנציאל והתרומה  הסגולית בעצוב מחדש של התחום. בנוסף, להציע שינויים בפרדיגמה של תחום הנדסת וטכנולוגיה מזון, על מנת להרחיב את האופק האסטרטגי ולהגביר את חשיבות התחום בעשור הקרוב ואילך.

תחום הנדסה וטכנולוגית המזון
תחום הנדסת המזון נמצא בצומת דרכים [1-3]. סטגנציה ומגמות כגון צמצום המימון למחקר, פתיחת מגמות אקדמיות חדשות  ועוד, גבו מחיר כבד והקטינו את אטרקטיביות התחום לשילוב והתמחות סטודנטים מצטיינים וחברי סגל חדשים [4]. הערכה מחודשת של חזון התחום, האסטרטגיה והכלים העשויים למשוך תלמידים ולמנוע זליגת הבוגרים לשטחים אחרים פורטו בספרות [3,5]. שינויים שבוצעו בתחומים אחרים יכולים להאיר על הצורך בהכנסת שינויים. לדוגמא, הנדסה כימית ורפואה הם שני תחומים סמוכים, המציעים תובנות בהתבסס על שינויי פרדיגמה. החזון של הנדסה כימית עבר שינוי משמעותי בהתמודדות עם אתגרים עתידיים, ומתמקד בארבעה תחומים מרכזיים של איכות החיים: מים, אנרגיה, מזון ושתייה ואיכות חיים. היישום הניב כבר שיתופי פעולה שקידמו את שילוב הביולוגיה [6]. ברפואה הוצע לעבור מרפואה מדויקת לבריאות מדויקת המבוססת על חיזוי ומניעה, והתמתמקדות בשמירה על הבריאות, במקום טיפול בחולים בעבר. תחום הנדסת וטכנולוגית המזון צריך לאמץ גישה דומה בהתמקדות על בריאות ואיכות חיים, ובקביעת יעדיו לעתיד.

בריאות ואיכות חיים  (Health and Wellbeing (H&W
הדוגמאות לעיל מדגישות את החשיבות של ה- H&W. יתר על כן, ניתן להעריך כי התעמקות בנושא זה מספקת הזדמנות ייחודית לשיפור והעצמת תחום הנדסת וטכנולוגית המזון, כפי שיפורט להלן.  

Enginomics ותכנון המבנה (Design) 
Enginomics – מונח חדש יחסית, המתאר בצורה הוליסטית את הנושאים העיקריים של הנדסת מזון, ומחבר בין תהליכי עיבוד המזון עם מערכת ותהליכי העיכול האנושי ו- ,H&W וכולל גם את התרומה והקשר עם המיקרוביום [3, 4] (microbiome). Enginomics מורכב מחיבור שתי המילים Engi (מ- (Engineering המבטא את מכלול הפעולות, התהליכים ויחידות הפעולה (unit operations) של הנדסת מזון ו-Omics (מדעי הגנום). לאור ההתפתחויות האחרונות, הוצע להרחיב את המונח ולכלול בו גם את השפעת מבנה המזון והקשר בין המארח(host)  והמיקרוביום. 
Biomimetics הוא תחום המאפשר הצעת פתרונות לתכנון מבני מזון בהשראת הטבע על מנת לשפר את ה- H&W [7]. לדוגמא, הסוגים והמבנים של סיבי תזונה (dietary fiber, DFs) מפירות וירקות והשפעות תהליכי עיבוד שונים על תכונותיהם הפיזיקליות והקשר למיקרוביום, הפיזיולוגיה של המארח ובריאותו [8]. הבנת האינטראקציה המורכבת בין DFs השונים והמיקרוביום חיונית לתכנון תזונה מותאמת אישית. חשוב להבין את מכלול הגורמים המשפיעים על המיקרוביום של המעי, ואת האסטרטגיות לוויסות גורמים אלו על מנת להגביר את התגובות הבריאותיות המועילות. חקר המנגנונים המולקולריים הקושר בין DFs, מיקרוביום של המעי והפיזיולוגיה של המארח עשוי לאפשר גם זיהוי מטרות יעילות למאבק נגד מחלות כרוניות עיקריות [8]. השינוי במטריצות המזון ותכנון המבנה מאפשר לבקר גם את הזמינות הביולוגית גם של תרופות ותכשירים תזונתיים [9]. 
מיקרוביום
למיקרוביום השפעה עצומה על איכות חייו של המארח, ולתזונה תפקיד מהותי בעיצוב הרכבו ותפקודו. אופן העיבוד של המזון הוא גורם מפתח, הקובע את כמות וסוג הרכיבים המגיעים למיקרוביום, ומשפיע על צמיחתם, וייצור המטבוליטים. פעילויות מיקרוביאליות יכולות להשפיע על המארח, וראיות משכנעות מראות, כי הרכב ותפקידי המיקרוביום אחראים למטבוליזם האנושי, ומסדירים את האיזון בין בריאות למחלות [10]. מספר צירים כלליים, המתארים את הפעילויות של המיקרוביום כוללים: ציר מעי-איברים (האחראי על בריאות המארח באמצעות קשרים פיסיקליים ואיתות ביוכימי), וציר מעי-מוח (האחראי על הרגשות, מדדים קוגניטיביים ועצביים). מכאן יש להתחשב גם בחומרים בעלי השפעה פסיכוביוטיקה ((Psychbiotics - חומרים שהם גם פרהביוטיים ופרוביוטיים, המופעלים דרך המיקרוביום, ותורמים להשפעה פסיכולוגית [11].
היתרונות הבריאותיים או השלכות מזיקות, שהאינטראקציות בין גורמים תזונתיים למיקרוביאליים יכולים לעורר אצל המארח הם תחום מתפתח. שילוב נתוני המיקרוביום בתכנון הדיאטה מציג את המהפכה הצפויה בפני מדעי התזונה, [12]. להנדסת וטכנולוגיית מזון תפקיד חשוב בהטמעת הנושא על ידי הבנת התרומה של תהליכי ההכנה, הייצור והאחסון על H&W והקשר עם המיקרוביום. 
ראוי לציין כי הפופולריות ההולכת וגוברת של מזונות המוגדרים כאולטרה מעובדים (Ultra Processed Foods (UPFs,, המבוססת על מערכת הסיווג הידועה כ- NOVA [13], כמעט ולא עסקה בקשר ובהשפעה של המיקרוביום על הבריאות. מחקר בודד הראה את ההשפעות של UPFs על המיקרוביום, וזיהה קשר אפשרי בין ממתיקים מלאכותיים, חומרים מתחלבים, וחומרים הנוצרים על ידי שחול בטמפרטורה גבוהה, להעדפת חיידקים הגורמים להקטנת הגורמים לדלקת הקשורה להשמנה ומספר גורמי מחלה אחרים [14].
איתות (Signaling)
באופן כללי, גם אם איתות המזון בגוף עשוי להיות חלש למדי, פרק הזמן של הצריכה יכול להתמשך לאורך תקופה ארוכה, כך שההשפעה המצטברת עשויה להיות משמעותית. עדויות אחרונות מראות, שמולקולות ממוצא מיקרוביאלי, המכונות תבניות מולקולריות הקשורות לפתוגנים (Pathogen-associated molecular patterns; PAMPs), עשויות למלא תפקיד מפתח. ידוע כי PAMPs מעוררים את הקולטנים החיוניים המולדים דמויי TOL: TLR2 או TLR4, התורמים לדלקות ועלולים להוביל לתנגודת לאינסולין, לפגיעה בהעברת כולסטרול ולטרשת עורקים במודלים של עכברים [15]. רמות גבוהות של PAMPs ממקור חיידקי דווחו בבשר טחון, ירקות קצוצים מוכנים, ארוחות מוכנות המאוחסנות ב- 4oC, שוקולד וגבינה. נתונים אלו מצביעים כי כנראה יש מקום להתחשב בפוטנציאל הפרו- ו/או אנטי-דלקתי של מוצרי מזון במחקרים עתידיים, הבודקים את השפעות מרכיבי התזונה על מנגנוני מחלות [15]. לדוגמא, תזונה ים תיכונית המומלצת מאד, מושתתת על צריכה נמוכה יחסית של ארוחות מוכנות הארוזות מראש, ו/או בשר וירקות מעובדים, וככל הנראה בעלות ריכוז נמוך של PAMPs. 
מחקר אחר הראה, שלמרות שבמעי הגס הריכוז המיקרוביאלי גבוה, מולקולות שמשתחררות על ידי המיקרוביום הפרוטאובקטריאדית של חלק מהמזון המעובד עשויות להיות בעלות פוטנציאל לערעור מנגנונים מטבוליים התורמים לדלקת. מנגנון כזה יכול להסביר את הקשר בין צריכת בשר מעובד למחלות מטבוליות, ומציג את המיקרוביום של קלקול המזון כמתווך פוטנציאלי בלתי צפוי של סיכון כלי הדם [16].
עיבוד מזון מתפתח
ספקטרום רחב של תהליכים וטכנולוגיות חדשות מדווח בספרות. מרכז הכובד בתהליכים אלו מתמקד על הפחתת "עומס העיבוד" [2]. לחץ גבוה (High Pressure, HP) ושדה חשמלי (Pulse Electric Field, PEF) הם מהמתקדמים ומיושמים בתעשייה ופועלות בעיקר על החלשת המערכת הביולוגית של תאי המיקרופלורה, וחרור ממברנות התאים, וכתוצאה מתקבלים שיעורי קטילה גבוהים בטמפרטורות נמוכות יחסית [17-21]. טכנולוגיות מתפתחות אחרות כוללות פלזמה (קרה) בלחץ אטמוספרי (Cold Plasma) [22-25], Pulse light processing [26-28] ואחרות. חרור ממברנות התא עלול גם לתרום לעליית הריכוז של ה- PAMPs, ובכך מדגיש את הצורך במחקרים נוספים כדי לוודא את בטיחות התהליך..     

פלטפורמת המחשוב וחדשנות פתוחה
ההתפתחות המטאורית בטכנולוגיות הדיגיטליות מציעה פלטפורמת מחשוב ייחודית עבור תעשיית המזון. מערכות המחשוב מאפשרות שליטה בתהליכים פיזיים, מענה לעקיבות, שיפור היעילות, הפחתת הפסדי מזון, תכנון והדמיה, פתוח טכנולוגיות חדשות, ולמעשה יש לה נגיעה כמעט בכל התחומים. היא משפיעה על האופן בו חומרי הגלם מיוצרים, נרכשים, נארזים ונמכרים, וכמובן על כל שרשרת הערך, החל מהזרע ועד לרמת המיקרוביום של המארח. היא מאפשרת יישום כלים חדשים לפתוח גם באמצעות מערכות וירטואליות. ההתפתחויות העצומות  בתחום האינטרנט של הדברים (IoT), מחשוב בענן, ביג דאטה, בינה מלאכותית, blockchain, רובוטיקה וכד' מדגישים את הצורך הייחודי להתאמה ולפיתוח כלים חדשים וידע ייעודים למזון, תזונה ובריאות על מנת לנצל את ספקטרום היתרונות העצומים המוצעים. ניתן לחזות כי התרומה של הפלטפורמה הדיגיטלית תהיה עצומה גם ל- Enginomics. יישום הפלטפורמה הדיגיטלית כחלק אורגני של הנדסת וטכנולוגיה של מזון ושילובה בתכניות הלימודים היא בעלת חשיבות עליונה.
המנטרה הישנה "לחדש או למות" השתנתה והפכה לחדשנות פתוחה הכוללת שותפויות, מערכת האקוסיסטם וחדשנות משבשת וזריזה. לחדשנות פתוחה תפקיד חשוב במערכת האקוסיסטם המהווה בסיס הכרחי של החדשנות כיום [29]. היא הפכה לכורח חיוני על מנת לשרוד ולייצר יתרון תחרותי באקדמיה ובמרבית הסביבות העסקיות. חדשנות פתוחה מסתמכת על שיתוף ושימוש ברעיונות חיצוניים ופנימיים כאחד, ערוצים פתוחים לידע, שימוש בטכנולוגיות ופתרונות חיצוניים, רכישה או רישוי של המצאות ועוד. יש לציין כי חדשנות פתוחה עדיין צוברת תאוצה בתחום המזון, פורחת במערכת האקוסיסטם של הפודטק. החדשנות הפתוחה מספקת את חוד החנית במערך החדשנות והאקוסיסטם. השותפות בין המגזרים מוגדרת כ- four-helix (תעשיית-אקדמיה-ממשלה-פרטי) [4].

שינויי פרדיגמות והמלצות
השינויי פרדיגמה מומלצות כוללות: חידוש תכניות הלימוד של הנדסה וטכנולוגית מזון, תוך שימת דגש מיוחד על מצוינות מדעית ומנטליות של אוניברסיטת סטארט-אפ ((Innoversity; אימוץ דפוס חשיבה חדש לקידום יזמות וחדשנות פתוחה, קיימות, יישום Enginomics, איתות, זמינות ביולוגית, מארח/מיקרוביום, H&W ותזונה מותאמת אישית. התפתחות המדע, הטכנולוגיה, הפלטפורמה הדיגיטלית והחדשנות הפתוחה מספקים לעוסקים בתחום המזון הזדמנות אסטרטגית ייחודית. מומלץ להרחיב את האופק המדעי והיישומי, על מנת לשפר את חשיבות התחום בעשור הקרוב ואילך.

ביבליוגרפיה
 
1. Saguy, I.S., Y.H. Roos, and E. Cohen, Food engineering and food science and technology: Forward-looking journey to future new horizons. Innovative food science & emerging technologies, 2018. 47: p. 326-334.
2. Knorr, D. and H. Watzke, Food processing at a crossroad. Frontiers In Nutrition, 2019. 6: p. 85-85.
3. Saguy, I.S., et al., Challenges facing food engineering. Journal of Food Engineering, 2013. 119(2): p. 332-342.
4. Saguy, I.S. and P.S. Taoukis, From open innovation to enginomics: Paradigm shifts. Trends in Food Science & Technology, 2017. 60: p. 64-70.
5. Saguy, I.S. and E. Cohen, Food engineering: Attitudes and future outlook. Journal of Food Engineering, 2016. 178: p. 71-80.
6. Chiarappa, G., et al., Chemical engineering in the "BIO" world. Current Drug Delivery, 2017. 14(2): p. 158-178.
7. Do, D.T., et al., Biomimetic plant foods: Structural design and functionality. Trends in food science & technology, 2018. 82: p. 46-59.
8. Cui, J., et al., Dietary Fibers from fruits and vegetables and their health benefits via modulation of gut microbiota. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2019. 18(5): p. 1514-1532.
9. Ogawa, Y., et al., Impact of food structure and cell matrix on digestibility of plant-based food. Current Opinion in Food Science, 2018. 19(Food Chemistry and Biochemistry. Food Bioprocessing): p. 36-41.
10. Ercolini, D. and V. Fogliano, Food design to feed the human gut microbiota. Journal Of Agricultural And Food Chemistry, 2018. 66(15): p. 3754-3758.
11. Sarkar, A., et al., Psychobiotics and the manipulation of bacteria–gut–brain signals. Trends in neurosciences, 2016. 39(11): p. 763-781.
12. Zmora, N., J. Suez, and E. Elinav, You are what you eat: diet, health and the gut microbiota. Nature reviews Gastroenterology & hepatology, 2019. 16(1): p. 35-56.
13. Monteiro, C.A., et al., Ultra-processed foods, diet quality, and health using the NOVA classification system. Rome, FAO, 2019.
14. Zinöcker, M.K. and I.A. Lindseth, The Western diet–microbiome-host interaction and its role in metabolic disease. Nutrients, 2018. 10(3): p. 365.
15. Herieka, M., T.A. Faraj, and C. Erridge, Reduced dietary intake of pro-inflammatory Toll-like receptor stimulants favourably modifies markers of cardiometabolic risk in healthy men. Nutrition, Metabolism and Cardiovascular Diseases, 2016. 26(3): p. 194-200.
16. Faraj, T.A., C. Stover, and C. Erridge, Dietary Toll-like receptor stimulants promote hepatic inflammation and impair reverse cholesterol transport in mice via macrophage-dependent interleukin-1 production. Frontiers in Immunology, 2019. 10 (1404): p. 1-19.
17. Man-Sheng, W., et al., A review of sublethal effects of pulsed electric field on cells in food processing. Journal of Food Engineering, 2018. 223: p. 32-41.
18. Nattaporn, C. and R. Parika, Commercialization of high pressure processed foods: a consumer choice for quality and safety products. Science, Engineering and Health Studies (SEHS), 2018. 12(3): p. 139-148.
19. Balasubramaniam, V.M., S.I. Martínez-Monteagudo, and R. Gupta, Principles and application of high pressure-based technologies in the food industry. Annual Review of Food Science and Technology, 2015. 6: p. 435-462.
20. Knorr, D., High-pressure thermal sterilization lessens process contaminants in baby food purees. Emerging Food R&D Report, 2015. 26(5): p. 6-7.
21. Zhang, R., et al., Prediction of the electric discharge occurrence under repetitive bipolar rectangular pulsed electric field <20 kV/cm. Applied Physics Letters, 2018. 113(6): 063701.
22. Rifna, E.J., K.R. Ramanan, and R. Mahendran, Emerging technology applications for improving seed germination. Trends in food science & technology, 2019.
23. Kumar Mahnot, N., et al., Atmospheric cold plasma inactivation of Escherichia coli and Listeria monocytogenes in tender coconut water: inoculation and accelerated shelf-life studies. Food Control, 2019. 106: p. 106678-106678.
24. Hernández-Hernández, H.M., L. Moreno-Vilet, and S.J. Villanueva-Rodríguez, Current status of emerging food processing technologies in Latin America: Novel non-thermal processing. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2019. 58:  https://doi.org/10.1016/j.ifset.2019.102233.
25. Patange, A., et al., Efficacy of cold plasma functionalised water for improving microbiological safety of fresh produce and wash water recycling. Food microbiology, 2019. 84: https://doi.org/10.1016/j.fm.2019.05.010.
26. Mahendran, R., et al., Recent advances in the application of pulsed light processing for improving food safety and increasing shelf life. Trends in Food Science & Technology, 2019. 88: p. 67-79.
27. Koutchma, T., Application of infrared and light-based technologies to meat and meat products, in Emerging technologies in meat processing: production, processing and technology, E.J. Cummins and J.G. Lyng, Editors. 2016, Chapt. 5 p. 131-148. John Wiley & Sons: Chichester; UK.
28. Horita, C.N., et al., Combining reformulation, active packaging and non-thermal post-packaging decontamination technologies to increase the microbiological quality and safety of cooked ready-to-eat meat products. Trends in Food Science & Technology, 2018. 72: p. 45-61.
29. Traitler, H., H.J. Watzke, and I.S. Saguy, Reinventing R&D in an open innovation ecosystem. Journal of Food Science, 2011. 76(2): p. R62-R68.