Ултразвукова пастьоризация на течни храни

Ултразвуковата пастьоризация е нетермичен процес на стерилизация за инактивиране на микроорганизми като E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus и много други, за да се предотврати микробното разваляне и да се постигне дълготрайна стабилност на храните и напитките.

Нетермична пастьоризация на храни и напитки чрез ултразвукова обработка

Ултразвуковата пастьоризация е нетермична алтернативна технология, която се използва за унищожаване или дезактивиране на организми и ензими, допринасящи за развалянето на храните. Ултразвуковата обработка може да се използва за пастьоризация на консервирани храни, мляко, млечни продукти, яйца, сокове, напитки с ниско алкохолно съдържание и други течни храни. Както самостоятелната ултразвукова обработка, така и ултразвукът, съчетан с повишени температура и налягане (известен като термо-мано-ултразвукова обработка), могат ефективно да пастьоризират сокове, мляко, млечни продукти, течни яйца и други хранителни продукти. Усъвършенстваната ултразвукова пастьоризация превъзхожда традиционните техники за пастьоризация, тъй като ултразвукът не влияе неблагоприятно върху съдържанието на хранителни вещества и физичните характеристики на обработваните хранителни продукти. Използването на ултразвук или термо-мано-ултразвукова обработка за пастьоризация на течни хранителни продукти може да осигури продукт, богат на хранителни вещества, с по-високо качество от това при традиционния метод за краткотрайна високотемпературна пастьоризация (HTST).
Научни изследвания, като това на Beslar et al. (2015), установяват, че ултразвуковата обработка може да осигури значителни предимства при преработката на сокове, включително подобрени показатели за качество като добив, екстракция, мътност, реологични свойства и цвят, както и срок на годност.

Криви на преживяемост на Escherichia coli (a) и Staphylococcus aureus (b) в ябълков сок след ултразвукова обработка (UT) при различни температури и след термична обработка (HT) при същите температури.
изображение и изследване: Baboli et al. 2015

Как действа ултразвуковата пастьоризация?

Ултразвуковото инактивиране и унищожаване на микроорганизми е нетермична техника, което означава, че основният ѝ принцип на действие не се основава на топлина. Ултразвуковата пастьоризация се дължи главно на ефектите на акустичната кавитация. Явлението акустична / ултразвукова кавитация е известно с локално високите температури, налягания и съответните им разлики, които възникват във и около миниатюрните кавитационни мехурчета. Освен това акустичната кавитация генерира много интензивни сили на срязване, течни струи и турбулентност. Тези разрушителни сили причиняват значителни увреждания на микробните клетки, като перфорация и разрушаване на клетките. Перфорацията и разрушаването на клетките са уникални ефекти, наблюдавани при ултразвуково обработени клетки, причинени главно от течните струи, генерирани от кавитацията.

Ултразвуковата пастьоризация се основава на акустичната кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване

Защо ултразвуковата обработка превъзхожда традиционната пастьоризация

Хранително-вкусовата промишленост широко прилага конвенционална пастьоризация за инактивиране или унищожаване на микроорганизми като бактерии, дрожди и гъби, за да предотврати микробното разваляне и да осигури по-дълъг срок на годност и стабилност на продуктите си. Конвенционалната пастьоризация действа чрез кратка обработка при повишени температури, обикновено под 100°C (212°F). Точната температура и продължителност обикновено се съобразяват с конкретния хранителен продукт и микроорганизмите, които трябва да бъдат инактивирани. Ефективността на процеса на пастьоризация се определя от степента на микробно инактивиране, която се измерва като логаритмична редукция. Логаритмичната редукция измерва процента на инактивираните микроорганизми при определена температура за определено време. Условията на температурната обработка и степента на микробно инактивиране се влияят от вида на микроорганизмите, както и от състава на хранителния продукт. Традиционната термична пастьоризация има няколко недостатъка, включително недостатъчно микробно инактивиране, отрицателни ефекти върху хранителния продукт и неравномерно нагряване в целия обработван продукт. Недостатъчното нагряване поради твърде кратка продължителност на пастьоризацията или твърде ниска температура води до ниска степен на логаритмична редукция и последващо микробно разваляне. Прекомерната термична обработка може да причини влошаване на продукта, например нежелан вкус на прегоряло и по-ниска хранителна плътност поради унищожаването на чувствителни към температурата хранителни вещества.

Недостатъци на конвенционалната пастьоризация

• може да унищожи или увреди важни хранителни вещества
• може да причини нежелани вкусове
• високи енергийни потребности
• неефективна за унищожаване на топлоустойчиви патогени
• не е приложима за всеки хранителен продукт

Ултразвукова пастьоризация на млечни продукти

Ултразвуковата обработка, термо-ултразвуковата обработка и термо-мано-ултразвуковата обработка са широко изследвани за пастьоризация на мляко и млечни продукти. Например е установено, че ултразвукът елиминира микроорганизмите, причиняващи разваляне, и потенциалните патогени до нула или до нива, приемливи съгласно южноафриканското и британското законодателство за млякото, дори когато преди обработката е имало първоначални инокулумни натоварвания, 5× по-високи от разрешените. Броят на жизнеспособните клетки на E. coli е намален със 100% след 10,0 min ултразвукова обработка. Освен това е показано, че броят на жизнеспособните клетки на Pseudomonas fluorescens е намален със 100% след 6,0 min, а този на Listeria monocytogenes е намален с 99% след 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Изследванията също така показват, че термо-ултразвуковата обработка може да инактивира Listeria innocua и мезофилни бактерии в сурово пълномаслено мляко. Доказано е, че ултразвукът е приложима технология за пастьоризация и хомогенизация на мляко, осигуряваща по-кратко време за обработка без съществени промени в pH и съдържанието на млечна киселина, както и по-добър външен вид и консистенция в сравнение с конвенционалната термична обработка. Тези факти са предимство в много аспекти на преработката на млечни продукти. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ултразвукова пастьоризация на сокове и плодови пюрета

Ултразвуковата пастьоризация е приложена като ефективна и бърза алтернативна техника за пастьоризация с цел инактивиране на Escherichia coli и Staphylococcus aureus в ябълков сок. При ултразвукова обработка на ябълков сок без пулпа времето за 5-log редукция е 35 s за E. coli при 60degC и 30 s за S. aureus при 62degC. Въпреки че в изследването е установено, че високото съдържание на пулпа прави ултразвука по-малко смъртоносен за S. aureus, докато няма значим ефект върху E. coli, трябва да се отбележи, че не е прилагано налягане. Ултразвуковата обработка при повишено налягане значително усилва ултразвуковата кавитация и по този начин микробното инактивиране в по-вискозни течности. Ултразвуковата обработка няма значим ефект върху антиоксидантната активност, определена чрез активността за улавяне на радикали на 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), но значително увеличава общото съдържание на фенолни съединения. Обработката също води до получаване на по-стабилен сок с по-висока еднородност. (вж. Baboli et al. 2020)

Ултразвуково инактивиране на грам-положителни и грам-отрицателни бактерии

Известно е, че грам-положителните бактерии, като Listeria monocytogenes или Staphylococcus aureus, като цяло са по-устойчиви от грам-отрицателните бактерии и издържат по-дълги периоди на обработка с технологии за пастьоризация като PEF, HPP и мано-ултразвукова обработка (MS) поради по-дебелите си клетъчни стени. Грам-отрицателните бактерии имат две липидни клетъчни мембрани – една външна и една цитоплазмена – с тънък слой пептидогликан между тях, което ги прави по-податливи на ултразвуково инактивиране. От друга страна, грам-положителните бактерии имат само една липидна мембрана с по-дебела пептидогликанова стена, което им осигурява по-голяма устойчивост към пастьоризационни обработки. Научни изследвания сравняват ефекта на мощния ултразвук върху грам-отрицателни и грам-положителни бактерии и установяват, че той има по-силен инхибиращ ефект върху грам-отрицателните бактерии. (вж. Monsen et al. 2009) Грам-положителните бактерии изискват по-интензивни условия на ултразвукова обработка, т.е. по-високи амплитуди, по-високи температури, по-високи налягания и/или по-дълго време на ултразвукова обработка. Системите за мощен ултразвук на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди и да работят при повишени температури и с реактори с проточни клетки, които могат да бъдат поставяни под налягане. Това позволява интензивна ултразвукова обработка / термо-мано-ултразвукова обработка за инактивиране дори на много устойчиви бактериални щамове.

Ултразвуково инактивиране на термоустойчиви бактерии

Термоустойчивите бактерии са бактерии, които могат да преживеят процеса на пастьоризация в различна степен. Термоустойчивите видове бактерии включват Bacillus, Clostridium и ентерококи. „Ултразвуковата обработка при 80% амплитуда за 10 min обаче инактивира вегетативните клетки на B. coagulans и A. flavithermus в обезмаслено мляко съответно с 4,53 и 4,26 логаритмични единици. Комбинирана обработка чрез пастьоризация (63 degrees C/30 min), последвана от ултразвукова обработка, напълно елиминира приблизително log 6 cfu/mL от тези клетки в обезмаслено мляко.“ (Khanal et al. 2014)

Високопроизводително оборудване за ултразвукова пастьоризация

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит в прилагането на мощен ултразвук в хранително-вкусовата промишленост, както и в много други промишлени отрасли. Нашите ултразвукови процесори са оборудвани с лесни за почистване (почистване на място CIP / стерилизация на място SIP) сонотроди и проточни клетки (частите в контакт с течността). Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. Високите амплитуди са важни за инактивиране на по-устойчиви микроорганизми (напр. грам-положителни бактерии). За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Всички сонотроди и ултразвукови реактори с проточни клетки могат да работят при повишени температури и налягания, което позволява надеждна термо-мано-ултразвукова обработка и високоефективна пастьоризация.
Най-съвременната технология, високата производителност и усъвършенстваният софтуер превръщат оборудването на Hielscher Ultrasonics в надеждни работни машини във вашата линия за пастьоризация на храни. Благодарение на малката заемана площ и разнообразните възможности за монтаж ултразвуковите устройства на Hielscher могат лесно да се интегрират или да се монтират допълнително в съществуващи производствени линии.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за характеристиките и възможностите на нашите системи за ултразвукова пастьоризация. С удоволствие ще обсъдим вашето приложение с вас!
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: