Ultrazvučna pasterizacija tečne hrane

Ultrazvučna pasterizacija je proces netermalne sterilizacije za inaktivaciju mikroba kao što su E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus između mnogih drugih kako bi se spriječilo mikrobno kvarenje i postigla dugotrajna stabilnost hrane i pića.

Netermalna pasterizacija hrane & Beverages by Sonication

Ultrazvučna pasterizacija je netermalna alternativna tehnologija koja se koristi za uništavanje ili deaktivaciju organizama i enzima koji doprinose kvarenju hrane. Ultrazvuk se može koristiti za pasterizaciju konzervirane hrane, mlijeka, mliječnih proizvoda, jaja, sokova, pića sa niskim sadržajem alkohola i druge tečne hrane. Sama ultrazvuk, kao i ultrazvuk u kombinaciji s povišenim uvjetima topline i tlaka (poznati kao termo-mano-sonifikacija) mogu efikasno pasterizirati sokove, mlijeko, mliječne proizvode, tečna jaja i druge prehrambene proizvode. Sofisticirani ultrazvučni tretman pasterizacije nadmašuje tradicionalne tehnike pasterizacije jer ultrazvuk ne utiče negativno na sadržaj nutrijenata i fizičke karakteristike tretiranih prehrambenih proizvoda. Korištenjem ultrazvuka ili termo-mano-sonikacije za pasterizaciju tekućih prehrambenih proizvoda može se dobiti proizvod bogat nutrijentima višeg kvaliteta od tradicionalne visokotemperaturne metode pasterizacije kratkog vremena (HTST).
Istraživačke studije kao što su Beslar et al. (2015) su otkrili da ultrazvučni tretman može pružiti značajne prednosti za preradu sokova, uključujući poboljšane faktore kvaliteta, kao što su prinos, ekstrakcija, zamućenost, reološka svojstva i boja, kao i rok trajanja.

Krivulje preživljavanja Escherichia coli (a) i Staphylococcus aureus (b) u soku od jabuke nakon ultrazvučnog tretmana (UT) na različitim temperaturama i nakon toplinske obrade (HT) na istim temperaturama.
slika i studija: Baboli et al. 2015

Kako radi ultrazvučna pasterizacija?

Ultrazvučna inaktivacija i uništavanje mikroba je netermalna tehnika, što znači da njen glavni princip rada nije zasnovan na toploti. Ultrazvučna pasterizacija je uzrokovana uglavnom efektima akustične kavitacije. Fenomen akustične/ultrazvučne kavitacije poznat je po svojim lokalno visokim temperaturama, pritiscima i odgovarajućim razlikama, koji se javljaju u i oko malih kavitacionih mjehurića. Nadalje, akustična kavitacija stvara vrlo intenzivne posmične sile, mlazove tekućine i turbulencije. Ove destruktivne sile uzrokuju velika oštećenja na mikrobnim stanicama, kao što su perforacija i prekid stanica. Perforacija i prekid ćelije su jedinstveni efekti koji se nalaze u ultrazvučno tretiranim ćelijama uzrokovani uglavnom mlazom tečnosti koji nastaje kavitacijom.

Ultrazvučna pasterizacija se zasniva na akustičnoj kavitaciji i njenim hidrodinamičkim silama smicanja

Zašto sonication nadmašuje tradicionalnu pasterizaciju

Industrija hrane i pića široko primjenjuje konvencionalnu pasterizaciju kako bi inaktivirala ili ubila mikrobe kao što su bakterije, kvasac i gljivice kako bi spriječila mikrobiološko kvarenje i dala svojim proizvodima duži vijek trajanja i stabilnost. Konvencionalna pasterizacija radi kratkim tretmanom na povišenim temperaturama obično ispod 100°C (212°F). Točna temperatura i trajanje obično se prilagođavaju specifičnom prehrambenom proizvodu i mikrobima, koji moraju biti inaktivirani. Efikasnost procesa pasterizacije određena je brzinom mikrobne inaktivacije, koja se mjeri kao log redukcija. Dnevnik smanjenja mjeri postotak inaktiviranih mikroba na određenoj temperaturi tokom određenog vremena. Na uslove temperaturne obrade i brzinu mikrobne inaktivacije utiču vrsta mikroba kao i sastav prehrambenog proizvoda. Tradicionalna pasterizacija zasnovana na toploti ima nekoliko nedostataka u rasponu od nedovoljne mikrobne inaktivacije, negativnih efekata na prehrambeni proizvod kao i neravnomernog zagrevanja kroz tretirani proizvod. Nedovoljno zagrijavanje do kratkog trajanja pasterizacije ili preniska temperatura rezultira niskom stopom redukcije trupaca i naknadnim mikrobnim kvarenjem. Previše toplinske obrade može uzrokovati propadanje proizvoda kao što su zagoreni mirisi i manja gustina hranjivih tvari zbog uništenih nutrijenata osjetljivih na temperaturu.

Nedostaci konvencionalne pasterizacije

• može uništiti ili oštetiti važne nutrijente
• može uzrokovati neugodne arome
• visoke energetske zahtjeve
• neefikasan protiv ubijanja patogena otpornih na toplinu
• nije primjenjivo na svaki prehrambeni proizvod

Ultrazvučna pasterizacija mlečnih proizvoda

Sonikacija, termo-sonizacija i termo-mano-sonizacija su široko istražena za pasterizaciju mlijeka i mliječnih proizvoda. Na primjer, otkriveno je da ultrazvuk eliminira kvarenje i potencijalne patogene na nulu ili na nivoe prihvatljive južnoafričkim i britanskim zakonodavstvom o mlijeku, čak i kada je početno opterećenje inokuluma 5 puta veće od dozvoljenog bilo prisutno prije tretmana. Broj živih ćelija E. coli smanjen je za 100% nakon 10,0 minuta ultrazvučne obrade. Nadalje, pokazano je da je živi broj Pseudomonas fluorescens smanjen za 100% nakon 6,0 min, a Listeria monocytogenes je smanjen za 99% nakon 10,0 min. (Cameron et al. 2009.)
Istraživanja su također pokazala da termosonifikacija može inaktivirati Listeria innocua i mezofilne bakterije u sirovom punomasnom mlijeku. Pokazalo se da je ultrazvuk održiva tehnologija za pasterizaciju i homogenizaciju mlijeka, koja pokazuje kraće vrijeme obrade bez značajnih promjena u pH i sadržaju mliječne kiseline, uz bolji izgled i konzistenciju u poređenju sa konvencionalnom termičkom obradom. Ove činjenice su korisne u mnogim aspektima prerade mlijeka. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009.)

Ultrazvučna pasterizacija sokova i voćnih pirea

Ultrazvučna pasterizacija je primijenjena kao efikasna i brza alternativna tehnika pasterizacije u cilju inaktivacije Escherichia coli i Staphylococcus aureus u soku od jabuke. Kada je sok od jabuke bez pulpe obrađen ultrazvučno, vrijeme redukcije od 5 log je bilo 35 s za E. coli na 60°C i 30 s za S. aureus na 62°C. Iako je u studiji utvrđeno da visok sadržaj pulpe čini ultrazvuk manje smrtonosnim za S. aureus, dok nije imao značajniji učinak na E. coli, treba napomenuti da nije primijenjen nikakav pritisak. Sonikacija pod povišenim pritiscima značajno intenzivira ultrazvučnu kavitaciju, a time i mikrobnu inaktivaciju u viskoznijim tekućinama. Tretman ultrazvukom nije imao značajan uticaj na antioksidativnu aktivnost koju određuje aktivnost uklanjanja radikala 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH), ali je značajno povećao ukupan sadržaj fenola. Tretman je također rezultirao stabilnijim sokom sa većom ujednačenošću. (usp. Baboli et al. 2020.)

Ultrazvučna inaktivacija gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija

Gram pozitivne bakterije, kao što su Listeria monocytogenes ili Staphylococcus aureus, općenito su poznate po tome da su otpornije od gram-negativnih bakterija i da izdržavaju tehnologije pasterizacije kao što su PEF, HPP i mano-sonikacija (MS) za duži period tretmana zbog debljih ćelija zidovi. Gram-negativne bakterije imaju dva – jedna eksterna i jedna citoplazmatska – lipidne ćelijske membrane sa tankim slojem peptidoglikana među njima, što ih čini podložnijim ultrazvučnoj inaktivaciji. S druge strane, gram-pozitivne bakterije imaju samo jednu lipidnu membranu sa debljim zidom peptidoglikana, što im daje veću otpornost na tretmane pasterizacije. Naučna istraživanja su upoređivala učinak snažnog ultrazvuka na gram-negativne i gram-pozitivne bakterije i otkrila da ima jači inhibitorni učinak na gram-negativne bakterije. (cf. Monsen et al. 2009.) Gram-pozitivne bakterije zahtijevaju intenzivnije ultrazvučne uslove, tj. veće amplitude, više temperature, veće pritiske i/ili duže vrijeme sonikacije. Hielscher Ultrasonics-ov energetski ultrazvučni sistemi mogu isporučiti vrlo velike amplitude i mogu raditi na povišenim temperaturama i sa reaktorima s protočnim ćelijama pod pritiskom. Ovo omogućava intenzivnu sonikaciju/termo-mano-sonizaciju kako bi se inaktivirali čak i vrlo otporni sojevi bakterija.

Ultrazvučna inaktivacija termoduričkih bakterija

Termodurične bakterije su bakterije koje mogu preživjeti, u različitoj mjeri, proces pasterizacije. Termoduričke vrste bakterija uključuju Bacillus, Clostridium i Enterococci. “Ultrazvuk pri 80% amplitude tokom 10 minuta, međutim, inaktivirao je vegetativne ćelije B. coagulans i A. flavithermus u obranom mlijeku za 4,53, odnosno 4,26 log. Kombinovani tretman pasterizacije (63 stepena C/30 min) praćen ultrazvukom potpuno je eliminisao približno log 6 cfu/mL ovih ćelija u obranom mleku.” (Khanal et al. 2014.)

Ultrazvučna oprema za pasterizaciju visokih performansi

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni ultrazvuka snage u hrani & industriju pića kao i mnoge druge industrijske grane. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (mokrim dijelovima) koje se lako čiste (CIP za čišćenje na mjestu / sterilizacija na mjestu SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno. Visoke amplitude su važne za inaktivaciju otpornijih mikroba (npr. gram-pozitivne bakterije). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Sve sonotrode i reaktori ultrazvučnih protočnih ćelija mogu raditi pod povišenim temperaturama i pritiscima, što omogućava pouzdanu termo-mano-sonizaciju i visoko efikasnu pasterizaciju.
Najmodernija tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver čine Hielscher Ultrasonics’ pouzdani radni konji u vašoj liniji za pasterizaciju hrane. Uz mali otisak i raznovrsne mogućnosti ugradnje, Hielscher ultrasonikatori se mogu lako integrirati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.
Molimo kontaktirajte nas kako biste saznali više o karakteristikama i mogućnostima naših ultrazvučnih sistema za pasterizaciju. Bilo bi nam drago da razgovaramo o vašoj prijavi s vama!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: