Ultrazvučna pasterizacija tekućih namirnica

Ultrazvučna pasterizacija je nетermalni postupak sterilizacije za inaktivaciju mikroba kao što su E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans i Anoxybacillus flavithermus, među mnogim drugima, kako bi se spriječilo mikrobiološko kvarenje i postigla dugotrajna stabilnost hrane i pića.

Netermalna pasterizacija hrane i pića ultrazvučnom obradom (sonikacijom)

Ultrazvučna pasterizacija je netermalna alternativna tehnologija koja se koristi za uništavanje ili deaktivaciju organizama i enzima koji doprinose kvarenju hrane. Ultrazvučna obrada (sonikacija) može se koristiti za pasterizaciju konzervirane hrane, mlijeka, mliječnih proizvoda, jaja, sokova, pića s niskim sadržajem alkohola i drugih tekućih namirnica. Sama ultrazvučna obrada, kao i ultrazvuk u kombinaciji s povišenom toplotom i uvjetima povišenog pritiska (poznata kao termo-mano-sonikacija), može efikasno pasterizirati sokove, mlijeko, mliječne proizvode, tečna jaja i druge prehrambene proizvode. Sofisticirana ultrazvučna pasterizacija nadmašuje tradicionalne tehnike pasterizacije, jer ultrazvuk ne utječe nepovoljno na sadržaj hranjivih tvari i fizička svojstva tretiranih prehrambenih proizvoda. Primjena ultrazvuka ili termo-mano-sonikacije za pasterizaciju tekućih prehrambenih proizvoda može dati proizvod bogat hranjivim tvarima i više kvalitete od tradicionalne metode pasterizacije na visokoj temperaturi u kratkom vremenu (HTST).
Istraživanja, kao što je ono autora Beslar et al. (2015), pokazala su da ultrazvučni tretman može pružiti značajne prednosti u preradi sokova, uključujući poboljšane faktore kvalitete, kao što su prinos, ekstrakcija, zamućenost, reološka svojstva i boja, kao i rok trajanja.

Krive preživljavanja bakterija Escherichia coli (a) i Staphylococcus aureus (b) u soku od jabuke nakon ultrazvučnog tretmana (UT) pri različitim temperaturama i nakon toplinskog tretmana (HT) pri istim temperaturama.
slika i studija: Baboli et al. 2015

Kako funkcionira ultrazvučna pasterizacija?

Ultrazvučna inaktivacija i uništavanje mikroba je netermalna tehnika, što znači da se njeno osnovno radno načelo ne zasniva na toploti. Ultrazvučna pasterizacija uzrokovana je uglavnom efektima akustične kavitacije. Fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije poznat je po lokalno visokim temperaturama, pritiscima i odgovarajućim razlikama među njima, koji se javljaju u sićušnim kavitacijskim mjehurićima i oko njih. Osim toga, akustična kavitacija stvara veoma intenzivne smične sile, tekuće mlazeve i turbulencije. Te razorne sile uzrokuju opsežna oštećenja mikrobnih ćelija, kao što su perforacija i razgradnja ćelija. Perforacija i razgradnja ćelija jedinstveni su efekti uočeni kod ultrazvučno tretiranih ćelija, a uzrokuju ih uglavnom tekući mlazevi koje stvara kavitacija.

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

Zašto ultrazvučna obrada (sonikacija) nadmašuje tradicionalnu pasterizaciju

Industrija hrane i pića široko primjenjuje konvencionalnu pasterizaciju kako bi inaktivirala ili uništila mikrobe kao što su bakterije, kvasci i gljivice, da bi spriječila mikrobiološko kvarenje i svojim proizvodima osigurala duži rok trajanja i stabilnost. Konvencionalna pasterizacija djeluje kratkotrajnim tretmanom na povišenim temperaturama, obično ispod 100°C (212°F). Tačna temperatura i trajanje obično se prilagođavaju konkretnom prehrambenom proizvodu i mikrobima koje je potrebno inaktivirati. Efikasnost procesa pasterizacije određuje se stopom mikrobne inaktivacije, koja se mjeri kao logaritamska redukcija. Logaritamska redukcija mjeri postotak inaktiviranih mikroba na određenoj temperaturi tokom određenog vremena. Uvjeti temperaturnog tretmana i stopa mikrobne inaktivacije ovise o vrsti mikroba, kao i o sastavu prehrambenog proizvoda. Tradicionalna pasterizacija zasnovana na toploti ima nekoliko nedostataka, od nedovoljne mikrobne inaktivacije i negativnih efekata na prehrambeni proizvod do neravnomjernog zagrijavanja tretiranog proizvoda. Nedovoljno zagrijavanje zbog prekratkog trajanja pasterizacije ili preniske temperature rezultira niskom stopom logaritamske redukcije i posljedičnim mikrobnim kvarenjem. Previše toplinske obrade može uzrokovati pogoršanje proizvoda, kao što su zagorjele neugodne arome, i manju gustoću hranjivih tvari zbog uništenih hranjivih tvari osjetljivih na temperaturu.

Nedostaci konvencionalne pasterizacije

• može uništiti ili oštetiti važne hranjive tvari
• može uzrokovati neugodne arome
• visoke potrebe za energijom
• neefikasna u uništavanju patogena otpornih na toplotu
• nije primjenjiva na svaki prehrambeni proizvod

Ultrazvučna pasterizacija mliječnih proizvoda

Ultrazvučna obrada (sonikacija), termo-sonikacija i termo-mano-sonikacija naširoko su istraživane za pasterizaciju mlijeka i mliječnih proizvoda. Na primjer, utvrđeno je da ultrazvuk eliminira uzročnike kvarenja i potencijalne patogene do nule ili do nivoa prihvatljivih prema južnoafričkom i britanskom zakonodavstvu o mlijeku, čak i kada su prije tretmana bila prisutna početna opterećenja inokulumom 5× veća od dopuštenih. Broj održivih ćelija E. coli smanjen je za 100% nakon 10,0 min ultrazvučne obrade. Nadalje, pokazano je da je broj održivih ćelija Pseudomonas fluorescens smanjen za 100% nakon 6,0 min, a Listeria monocytogenes smanjena je za 99% nakon 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Istraživanja su također pokazala da termo-sonikacija može inaktivirati Listeria innocua i mezofilne bakterije u sirovom punomasnom mlijeku. Pokazalo se da je ultrazvuk održiva tehnologija za pasterizaciju i homogenizaciju mlijeka, uz kraće vrijeme obrade bez važnih promjena pH vrijednosti i sadržaja mliječne kiseline, te uz bolji izgled i konzistenciju u poređenju s konvencionalnim termičkim tretmanom. Ove činjenice su korisne u mnogim aspektima prerade mliječnih proizvoda. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvučna pasterizacija sokova i voćnih pirea

Ultrazvučna pasterizacija primijenjena je kao efikasna i brza alternativna tehnika pasterizacije za inaktivaciju bakterija Escherichia coli i Staphylococcus aureus u soku od jabuke. Kada je sok od jabuke bez pulpe ultrazvučno obrađen, vrijeme za 5-log redukciju bilo je 35 s za E. coli na 60degC i 30 s za S. aureus na 62degC. Iako je u studiji utvrđeno da je visok sadržaj pulpe učinio ultrazvuk manje smrtonosnim za S. aureus, dok nije imao značajan efekt na E. coli, treba napomenuti da nije primijenjen pritisak. Ultrazvučna obrada (sonikacija) pod povišenim pritiscima značajno pojačava ultrazvučnu kavitaciju, a time i mikrobnu inaktivaciju u viskoznijim tekućinama. Ultrazvučni tretman nije imao značajan efekt na antioksidativnu aktivnost određenu aktivnošću hvatanja radikala 2,2-difenil-1-pikrilhidrazila (DPPH), ali je značajno povećao ukupni sadržaj fenola. Tretman je također rezultirao stabilnijim sokom veće uniformnosti. (cf. 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 kao otpornije od gram-negativnih bakterija i zbog debljih ćelijskih zidova podnose tehnologije pasterizacije kao što su PEF, HPP i mano-sonikacija (MS) tokom dužih perioda tretmana. Gram-negativne bakterije imaju dvije – jednu vanjsku i jednu citoplazmatsku – lipidne ćelijske membrane s tankim slojem peptidoglikana između njih, zbog čega su podložnije ultrazvučnoj inaktivaciji. S druge strane, gram-pozitivne bakterije imaju samo jednu lipidnu membranu s debljim zidom od peptidoglikana, što im daje veću otpornost na tretmane pasterizacije. Naučna istraživanja uporedila su učinak snažnog ultrazvuka na gram-negativne i gram-pozitivne bakterije i utvrdila da je imao jači inhibitorni efekt na gram-negativne bakterije. (cf. Monsen et al. 2009) Gram-pozitivne bakterije zahtijevaju intenzivnije uvjete ultrazvuka, tj. veće amplitude, više temperature, veće pritiske i/ili duže vrijeme ultrazvučne obrade. Ultrazvučni sistemi tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti veoma visoke amplitude i mogu se koristiti na povišenim temperaturama te s protočnim reaktorima pod pritiskom. To omogućuje intenzivnu ultrazvučnu obradu (sonikaciju) / termo-mano-sonikaciju radi inaktivacije čak i veoma otpornih sojeva bakterija.

Ultrazvučna inaktivacija termodurnih bakterija

Termodurne bakterije su bakterije koje u različitoj mjeri mogu preživjeti proces pasterizacije. Termodurne vrste bakterija uključuju Bacillus, Clostridium i Enterococci. “Ultrazvučna obrada pri amplitudi od 80% tokom 10 min, međutim, inaktivirala je vegetativne ćelije B. coagulans i A. flavithermus u obranom mlijeku za 4,53, odnosno 4,26 logaritamskih jedinica. Kombinirani tretman pasterizacije (63 degrees C/30 min) praćen ultrazvučnom obradom potpuno je eliminirao približno log 6 cfu/mL tih ćelija u obranom mlijeku.” (Khanal et al. 2014)

Visokoučinkovita oprema za ultrazvučnu pasterizaciju

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni snažnog ultrazvuka u industriji hrane i pića, kao i u mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (dijelovima u kontaktu s medijem) koje se lako čiste (čišćenje na mjestu CIP / sterilizacija na mjestu SIP). Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti veoma visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Visoke amplitude važne su za inaktivaciju otpornijih mikroba (npr. gram-pozitivnih bakterija). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Sve sonotrode i ultrazvučni reaktori s protočnom ćelijom mogu se koristiti pod povišenim temperaturama i pritiscima, što omogućuje pouzdanu termo-mano-sonikaciju i veoma efikasnu pasterizaciju.
Najsuvremenija tehnologija, visoke performanse i sofisticiran softver čine uređaje tvrtke Hielscher Ultrasonics pouzdanim radnim konjima u vašoj liniji za pasterizaciju hrane. Zahvaljujući maloj površini koju zauzimaju i raznovrsnim opcijama ugradnje, Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se lako integrirati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o karakteristikama i mogućnostima naših sistema za ultrazvučnu pasterizaciju. Rado ćemo s vama razgovarati o vašoj primjeni!
Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: