بسترة الأغذية السائلة بالموجات فوق الصوتية

البسترة بالموجات فوق الصوتية هي عملية تعقيم غير حرارية لتعطيل الميكروبات مثل E.coli وPseudomonas fluorescens وListeria monocytogenes وStaphylococcus aureus وBacillus coagulans وAnoxybacillus flavithermus، وغيرها الكثير، لمنع الفساد الميكروبي وتحقيق استقرار طويل الأمد للأغذية والمشروبات.

البسترة غير الحرارية للأغذية والمشروبات بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

البسترة بالموجات فوق الصوتية هي تقنية بديلة غير حرارية تُستخدم لتدمير الكائنات الحية والإنزيمات التي تسهم في فساد الأغذية أو تعطيلها. ويمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لبسترة الأغذية المعلبة والحليب ومنتجات الألبان والبيض والعصائر والمشروبات ذات المحتوى الكحولي المنخفض وغيرها من الأغذية السائلة. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية وحدها، وكذلك الموجات فوق الصوتية المقترنة بظروف حرارة وضغط مرتفعين، المعروفة باسم المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط، أن تبستر بكفاءة العصائر والحليب ومنتجات الألبان والبيض السائل وغيرها من المنتجات الغذائية. وتتفوق المعالجة المتطورة للبسترة بالموجات فوق الصوتية على تقنيات البسترة التقليدية، لأن الموجات فوق الصوتية لا تؤثر سلبًا في محتوى المغذيات والخصائص الفيزيائية للمنتجات الغذائية المعالجة. ويمكن أن يؤدي استخدام الموجات فوق الصوتية أو المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط لبسترة المنتجات الغذائية السائلة إلى توفير منتج غني بالمغذيات بجودة أعلى من تلك الناتجة عن طريقة البسترة التقليدية بدرجة حرارة مرتفعة لمدة قصيرة (HTST).
وقد وجدت دراسات بحثية، مثل دراسة Beslar et al. (2015)، أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن توفر مزايا مهمة لمعالجة العصائر، تشمل تحسين عوامل الجودة، مثل المردود والاستخلاص والعكارة والخصائص الريولوجية واللون، وكذلك مدة الصلاحية.

منحنيات بقاء Escherichia coli (a) وStaphylococcus aureus (b) في عصير التفاح بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية (UT) عند درجات حرارة مختلفة وبعد المعالجة الحرارية (HT) عند درجات الحرارة نفسها.
الصورة والدراسة: Baboli et al. 2015

كيف تعمل البسترة بالموجات فوق الصوتية؟

إن تعطيل الميكروبات وتدميرها بالموجات فوق الصوتية تقنية غير حرارية، ما يعني أن مبدأ عملها الأساسي لا يعتمد على الحرارة. وتنشأ البسترة بالموجات فوق الصوتية أساسًا من تأثيرات التجويف الصوتي. وتُعرف ظاهرة التجويف الصوتي / فوق الصوتي بدرجات الحرارة والضغوط المرتفعة موضعيًا والفروق المرتبطة بكل منها، والتي تحدث داخل فقاعات التجويف الدقيقة وحولها. علاوة على ذلك، يولّد التجويف الصوتي قوى قص شديدة جدًا ونفاثات سائلة واضطرابات. وتسبب هذه القوى المدمرة أضرارًا واسعة للخلايا الميكروبية، مثل تثقيب الخلايا وتفكيكها. ويُعد تثقيب الخلايا وتفكيكها من التأثيرات الفريدة الموجودة في الخلايا المعالجة بالموجات فوق الصوتية، وينتجان أساسًا عن النفاثات السائلة التي يولّدها التجويف.

تعتمد البسترة بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي وقوى القص الهيدروديناميكية الناتجة عنه

لماذا تتفوق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على البسترة التقليدية

تستخدم صناعة الأغذية والمشروبات البسترة التقليدية على نطاق واسع لتعطيل الميكروبات أو قتلها، مثل البكتيريا والخمائر والفطريات، بهدف منع الفساد الميكروبي وإطالة مدة صلاحية منتجاتها وزيادة استقرارها. وتعمل البسترة التقليدية من خلال معالجة قصيرة عند درجات حرارة مرتفعة تكون عادةً أقل من 100°C (212°F). وتُضبط درجة الحرارة الدقيقة والمدة عادةً وفقًا للمنتج الغذائي المحدد والميكروبات التي يجب تعطيلها. وتُحدَّد فعالية عملية البسترة بمعدل تعطيل الميكروبات، الذي يُقاس بوصفه خفضًا لوغاريتميًا. ويقيس الخفض اللوغاريتمي النسبة المئوية للميكروبات المعطلة عند درجة حرارة محددة خلال مدة محددة. وتتأثر ظروف المعالجة الحرارية ومعدل تعطيل الميكروبات بنوع الميكروبات وكذلك بتركيب المنتج الغذائي. وللبسترة التقليدية المعتمدة على الحرارة عيوب عديدة تشمل عدم كفاية تعطيل الميكروبات، والتأثيرات السلبية في المنتج الغذائي، وعدم تجانس التسخين في أنحاء المنتج المعالج. ويؤدي التسخين غير الكافي بسبب قصر مدة البسترة أو انخفاض درجة الحرارة أكثر من اللازم إلى انخفاض معدل الخفض اللوغاريتمي وحدوث فساد ميكروبي لاحقًا. ويمكن أن تسبب المعالجة الحرارية المفرطة تدهور المنتج، مثل ظهور نكهات احتراق غير مرغوبة، وانخفاض كثافة المغذيات نتيجة تدمير المغذيات الحساسة للحرارة.

عيوب البسترة التقليدية

• قد تدمر المغذيات المهمة أو تتلفها
• قد تسبب نكهات غير مرغوبة
• متطلبات مرتفعة من الطاقة
• غير فعالة في قتل مسببات الأمراض المقاومة للحرارة
• لا تصلح لكل منتج غذائي

بسترة منتجات الألبان بالموجات فوق الصوتية

دُرست المعالجة بالموجات فوق الصوتية، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط على نطاق واسع لبسترة الحليب ومنتجات الألبان. فعلى سبيل المثال، وُجد أن الموجات فوق الصوتية تزيل الميكروبات المسببة للفساد ومسببات الأمراض المحتملة إلى الصفر أو إلى مستويات مقبولة وفقًا لتشريعات الحليب في جنوب أفريقيا وبريطانيا، حتى عندما كانت أحمال التلقيح الأولية قبل المعالجة أعلى بمقدار 5× من المسموح به. وانخفضت أعداد خلايا E. coli القابلة للحياة بنسبة 100% بعد 10.0 min من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. كما تبيّن أن أعداد Pseudomonas fluorescens القابلة للحياة انخفضت بنسبة 100% بعد 6.0 min، وأن Listeria monocytogenes انخفضت بنسبة 99% بعد 10.0 min. (Cameron et al. 2009)
وأظهرت الأبحاث أيضًا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة يمكن أن تعطّل Listeria innocua والبكتيريا المحبة لدرجات الحرارة المعتدلة في الحليب الخام كامل الدسم. وقد تبيّن أن الموجات فوق الصوتية تقنية قابلة للتطبيق لبسترة الحليب وتجنيسه، إذ تتيح مدد معالجة أقصر دون تغيرات مهمة في pH ومحتوى حمض اللاكتيك، مع مظهر وقوام أفضل مقارنةً بالمعالجة الحرارية التقليدية. وتوفر هذه الحقائق مزايا في جوانب عديدة من معالجة منتجات الألبان. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

بسترة العصائر ومهروس الفواكه بالموجات فوق الصوتية

استُخدمت البسترة بالموجات فوق الصوتية بوصفها تقنية بسترة بديلة فعالة وسريعة لتعطيل Escherichia coli وStaphylococcus aureus في عصير التفاح. وعند معالجة عصير التفاح الخالي من اللب بالموجات فوق الصوتية، كانت مدة تحقيق خفض بمقدار 5 وحدات لوغاريتمية هي 35 s لبكتيريا E. coli عند 60degC و30 s لبكتيريا S. aureus عند 62degC. وعلى الرغم من أن الدراسة وجدت أن ارتفاع محتوى اللب جعل الموجات فوق الصوتية أقل قدرة على قتل S. aureus، بينما لم يكن له تأثير ذو دلالة في E. coli، ينبغي الإشارة إلى أنه لم يُطبَّق أي ضغط. وتزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحت ضغوط مرتفعة من شدة التجويف فوق الصوتي بدرجة كبيرة، وبالتالي من تعطيل الميكروبات في السوائل الأعلى لزوجة. ولم يكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تأثير ذو دلالة في النشاط المضاد للأكسدة، الذي حُدِّد من خلال نشاط اصطياد الجذور الحرة لمركب 2,2-ثنائي فينيل-1-بيكريل هيدرازيل (DPPH)، لكنها زادت المحتوى الفينولي الكلي بدرجة كبيرة. كما أدت المعالجة إلى عصير أكثر استقرارًا وأعلى تجانسًا. (انظر Baboli et al. 2020)

تعطيل البكتيريا موجبة الغرام وسالبة الغرام بالموجات فوق الصوتية

من المعروف عمومًا أن البكتيريا موجبة الغرام، مثل Listeria monocytogenes أو Staphylococcus aureus، أكثر مقاومة من البكتيريا سالبة الغرام، وتتحمل تقنيات البسترة، مثل PEF وHPP والمعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الضغط (MS)، لفترات معالجة أطول بسبب زيادة سمك جدرانها الخلوية. وللبكتيريا سالبة الغرام غشاءان خلويان دهنيان – أحدهما خارجي والآخر سيتوبلازمي – وبينهما طبقة رقيقة من الببتيدوغليكان، ما يجعلها أكثر قابلية للتعطيل بالموجات فوق الصوتية. ومن جهة أخرى، تمتلك البكتيريا موجبة الغرام غشاءً دهنيًا واحدًا فقط مع جدار أكثر سمكًا من الببتيدوغليكان، ما يمنحها مقاومة أكبر لمعالجات البسترة. وقد قارنت الدراسات العلمية تأثير الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في البكتيريا سالبة الغرام وموجبة الغرام، ووجدت أن تأثيرها التثبيطي أقوى في البكتيريا سالبة الغرام. (انظر Monsen et al. 2009) وتتطلب البكتيريا موجبة الغرام ظروفًا أشد للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، أي سعات اهتزاز أعلى ودرجات حرارة أعلى وضغوطًا أعلى و/أو مدة معالجة بالموجات فوق الصوتية أطول. ويمكن لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية القدرة من Hielscher Ultrasonics توفير سعات اهتزاز عالية جدًا، كما يمكن تشغيلها عند درجات حرارة مرتفعة وباستخدام مفاعلات خلايا التدفق القابلة للضغط. ويتيح ذلك معالجة مكثفة بالموجات فوق الصوتية / معالجة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط لتعطيل حتى السلالات البكتيرية شديدة المقاومة.

تعطيل البكتيريا المتحملة للحرارة بالموجات فوق الصوتية

البكتيريا المتحملة للحرارة هي بكتيريا يمكنها البقاء، بدرجات متفاوتة، خلال عملية البسترة. وتشمل أنواع البكتيريا المتحملة للحرارة Bacillus وClostridium وEnterococci. «إلا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند سعة اهتزاز 80% لمدة 10 min عطّلت الخلايا الخضرية لبكتيريا B. coagulans وA. flavithermus في الحليب منزوع الدسم بمقدار 4.53 و4.26 وحدات لوغاريتمية، على التوالي. وقد قضت معالجة مشتركة بالبسترة (63 degrees C/30 min) تليها المعالجة بالموجات فوق الصوتية تمامًا على ما يقارب log 6 cfu/mL من هذه الخلايا في الحليب منزوع الدسم.» (Khanal et al. 2014)

معدات بسترة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء

تتمتع Hielscher Ultrasonics بخبرة طويلة في تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في صناعة الأغذية والمشروبات، وكذلك في العديد من القطاعات الصناعية الأخرى. وتُجهَّز معالجاتنا بالموجات فوق الصوتية بسونوترودات وخلايا تدفق سهلة التنظيف (التنظيف في المكان CIP / التعقيم في المكان SIP)، وهي الأجزاء الملامسة للسوائل. ويمكن للمعالجات الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات اهتزاز عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm في تشغيل 24/7. وتُعد سعات الاهتزاز العالية مهمة لتعطيل الميكروبات الأكثر مقاومة (مثل البكتيريا موجبة الغرام). ولتحقيق سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات فوق صوتية مصممة حسب الطلب. ويمكن تشغيل جميع السونوترودات ومفاعلات خلايا التدفق فوق الصوتية عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة، ما يتيح معالجة موثوقة بالموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط وبسترة عالية الفعالية.
وتجعل التكنولوجيا المتطورة والأداء العالي والبرمجيات المتقدمة معدات Hielscher Ultrasonics أدوات عمل موثوقة في خط بسترة الأغذية لديكم. وبفضل صغر المساحة التي تشغلها وتنوع خيارات التركيب، يمكن دمج أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة في خطوط الإنتاج القائمة أو إضافتها إليها كتحديث.
يرجى التواصل معنا الآن لمعرفة المزيد عن ميزات أنظمة البسترة بالموجات فوق الصوتية لدينا وقدراتها. يسعدنا مناقشة تطبيقكم معكم!
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا: