Ultrazvuková pasterace tekutých potravin

Ultrazvuková pasterace je netermický sterilizační proces k inaktivaci mikrobů, jako jsou E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus a mnoho dalších, s cílem zabránit mikrobiálnímu kažení a dosáhnout dlouhodobé stability potravin a nápojů.

Netermická pasterace potravin a nápojů pomocí sonikace

Ultrazvuková pasterace je netermická alternativní technologie, která se používá ke zničení nebo deaktivaci organismů a enzymů přispívajících ke kažení potravin. Ultrasonikaci lze použít k pasteraci konzervovaných potravin, mléka, mléčných výrobků, vajec, šťáv, nápojů s nízkým obsahem alkoholu a dalších tekutých potravin. Samotná ultrasonikace i ultrazvuk v kombinaci se zvýšenou teplotou a tlakem (známé jako termo-mano-sonikace) mohou účinně pasterovat šťávy, mléko, mléčné výrobky, tekutá vejce a další potravinářské produkty. Propracované ultrazvukové pasterační ošetření předčí tradiční pasterační techniky, protože ultrazvuk nepříznivě neovlivňuje obsah živin ani fyzikální vlastnosti ošetřených potravinářských produktů. Použití ultrazvuku nebo termo-mano-sonikace k pasteraci tekutých potravinářských produktů může poskytnout produkt bohatý na živiny s vyšší kvalitou než tradiční metoda vysokoteplotní krátkodobé pasterace (HTST).
Výzkumné studie, například od Beslar et al. (2015), zjistily, že ultrazvukové ošetření může přinést významné výhody při zpracování šťáv, včetně zlepšených parametrů kvality, jako je výtěžnost, extrakce, zákal, reologické vlastnosti a barva, jakož i trvanlivost.

Křivky přežití Escherichia coli (a) a Staphylococcus aureus (b) v jablečné šťávě po ultrazvukovém ošetření (UT) při různých teplotách a po tepelném ošetření (HT) při stejných teplotách.
obrázek a studie: Baboli et al. 2015

Jak funguje ultrazvuková pasterace?

Ultrazvuková inaktivace a destrukce mikrobů je netermická technika, což znamená, že její hlavní princip fungování není založen na teplu. Ultrazvuková pasterace je způsobena především účinky akustické kavitace. Fenomén akustické / ultrazvukové kavitace je známý lokálně vysokými teplotami, tlaky a příslušnými rozdíly, které vznikají v drobných kavitačních bublinách a kolem nich. Akustická kavitace navíc generuje velmi intenzivní smykové síly, kapalinové trysky a turbulence. Tyto destruktivní síly způsobují rozsáhlé poškození mikrobiálních buněk, jako je perforace a dezintegrace buněk. Perforace a dezintegrace buněk jsou jedinečné účinky pozorované u ultrazvukem ošetřených buněk, způsobené především kapalinovými tryskami generovanými kavitací.

Ultrazvuková pasterace je založena na akustické kavitaci a jejích hydrodynamických smykových silách

Proč sonikace předčí tradiční pasteraci

Potravinářský a nápojový průmysl široce využívá konvenční pasteraci k inaktivaci nebo usmrcení mikrobů, jako jsou bakterie, kvasinky a houby, aby zabránil mikrobiálnímu kažení a zajistil svým produktům delší trvanlivost a stabilitu. Konvenční pasterace spočívá v krátkém ošetření při zvýšených teplotách obvykle nižších než 100°C (212°F). Přesná teplota a doba se obvykle přizpůsobují konkrétnímu potravinářskému produktu a mikrobům, které musí být inaktivovány. Účinnost pasteračního procesu je určena mírou mikrobiální inaktivace, která se měří jako logaritmická redukce. Logaritmická redukce měří procento inaktivovaných mikrobů při určité teplotě za určitou dobu. Podmínky tepelného ošetření a míru mikrobiální inaktivace ovlivňuje typ mikrobů i složení potravinářského produktu. Tradiční pasterace založená na teple má několik nevýhod, od nedostatečné mikrobiální inaktivace přes negativní účinky na potravinářský produkt až po nerovnoměrný ohřev ošetřovaného produktu. Nedostatečný ohřev v důsledku příliš krátké doby pasterace nebo příliš nízké teploty vede k nízké míře logaritmické redukce a následnému mikrobiálnímu kažení. Příliš intenzivní tepelné ošetření může způsobit zhoršení kvality produktu, například spálené pachutě, a nižší nutriční hustotu v důsledku zničení teplotně citlivých živin.

Nevýhody konvenční pasterace

• může zničit nebo poškodit důležité živiny
• může způsobit pachutě
• vysoké energetické nároky
• neúčinná při usmrcování tepelně odolných patogenů
• nepoužitelná pro každý potravinářský produkt

Ultrazvuková pasterace mléčných výrobků

Sonikace, termo-sonikace a termo-mano-sonikace byly rozsáhle zkoumány pro pasteraci mléka a mléčných výrobků. Bylo například zjištěno, že ultrazvuk eliminuje mikroorganismy způsobující kažení a potenciální patogeny na nulu nebo na úrovně přijatelné podle jihoafrické a britské legislativy pro mléko, a to i tehdy, když byla před ošetřením přítomna počáteční zátěž inokula 5× vyšší, než je povoleno. Počty životaschopných buněk E. coli byly sníženy o 100% po 10,0 min ultrasonikace. Dále bylo prokázáno, že počty životaschopných buněk Pseudomonas fluorescens byly sníženy o 100% po 6,0 min a Listeria monocytogenes byla snížena o 99% po 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Výzkum rovněž prokázal, že termo-sonikace dokáže inaktivovat Listeria innocua a mezofilní bakterie v syrovém plnotučném mléce. Ukázalo se, že ultrazvuk je životaschopnou technologií pro pasteraci a homogenizaci mléka, která vykazuje kratší doby zpracování bez významných změn pH a obsahu kyseliny mléčné, spolu s lepším vzhledem a konzistencí ve srovnání s konvenčním tepelným ošetřením. Tyto skutečnosti jsou výhodné v mnoha aspektech zpracování mléka. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvuková pasterace šťáv a ovocných pyré

Ultrazvuková pasterace byla použita jako účinná a rychlá alternativní pasterační technika k inaktivaci Escherichia coli a Staphylococcus aureus v jablečné šťávě. Při ultrazvukovém zpracování jablečné šťávy bez dužiny činila doba 5-log redukce 35 s pro E. coli při 60degC a 30 s pro S. aureus při 62degC. Přestože studie zjistila, že vysoký obsah dužiny snižoval letální účinek ultrazvuku na S. aureus, zatímco na E. coli neměl významný vliv, je třeba poznamenat, že nebyl aplikován žádný tlak. Sonikace za zvýšeného tlaku významně intenzifikuje ultrazvukovou kavitaci, a tím i mikrobiální inaktivaci ve viskóznějších kapalinách. Ultrazvukové ošetření nemělo významný vliv na antioxidační aktivitu stanovenou pomocí aktivity zhášení radikálů sloučeniny 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), ale významně zvýšilo celkový obsah fenolických látek. Ošetření rovněž vedlo ke stabilnější šťávě s vyšší homogenitou. (srov. Baboli et al. 2020)

Ultrazvuková inaktivace grampozitivních a gramnegativních bakterií

Grampozitivní bakterie, jako je Listeria monocytogenes nebo Staphylococcus aureus, jsou obecně známé tím, že jsou odolnější než gramnegativní bakterie a díky silnějším buněčným stěnám odolávají pasteračním technologiím, jako jsou PEF, HPP a mano-sonikace (MS), po delší dobu ošetření. Gramnegativní bakterie mají dvě – jednu vnější a jednu cytoplazmatickou – lipidové buněčné membrány s tenkou vrstvou peptidoglykanu mezi nimi, což je činí náchylnějšími k ultrazvukové inaktivaci. Naproti tomu grampozitivní bakterie mají pouze jednu lipidovou membránu se silnější peptidoglykanovou stěnou, což jim dává větší odolnost vůči pasteračnímu ošetření. Vědecké studie porovnávaly účinek výkonového ultrazvuku na gramnegativní a grampozitivní bakterie a zjistily, že měl silnější inhibiční účinek na gramnegativní bakterie. (srov. Monsen et al. 2009) Grampozitivní bakterie vyžadují intenzivnější ultrazvukové podmínky, tj. vyšší amplitudy, vyšší teploty, vyšší tlaky a/nebo delší dobu sonikace. Výkonové ultrazvukové systémy Hielscher Ultrasonics dokážou poskytovat velmi vysoké amplitudy a lze je provozovat při zvýšených teplotách a s natlakovatelnými reaktory s průtokovou celou. To umožňuje intenzivní sonikaci / termo-mano-sonikaci k inaktivaci i velmi odolných bakteriálních kmenů.

Ultrazvuková inaktivace termodurních bakterií

Termodurní bakterie jsou bakterie, které mohou v různé míře přežít pasterační proces. Mezi termodurní druhy bakterií patří Bacillus, Clostridium a Enterococci. „Ultrasonikace při 80% amplitudě po dobu 10 min však inaktivovala vegetativní buňky B. coagulans a A. flavithermus v odstředěném mléce o 4,53, resp. 4,26 logu. Kombinované ošetření pasterací (63 stupňů C/30 min) s následnou ultrasonikací zcela eliminovalo přibližně log 6 cfu/mL těchto buněk v odstředěném mléce.“ (Khanal et al. 2014)

Vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro pasteraci

Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s aplikací výkonového ultrazvuku v potravinářském a nápojovém průmyslu i v mnoha dalších průmyslových odvětvích. Naše ultrazvukové procesory jsou vybaveny snadno čistitelnými (čištění na místě CIP / sterilizace na místě SIP) sonotrodami a průtokovými celami (části ve styku s médiem). Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou poskytovat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Vysoké amplitudy jsou důležité pro inaktivaci odolnějších mikrobů (např. grampozitivních bakterií). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zákaznicky upravené ultrazvukové sonotrody. Všechny sonotrody a ultrazvukové reaktory s průtokovou celou lze provozovat za zvýšených teplot a tlaků, což umožňuje spolehlivou termo-mano-sonikaci a vysoce účinnou pasteraci.
Špičková technologie, vysoký výkon a propracovaný software činí z ultrazvukových přístrojů Hielscher Ultrasonics spolehlivé tahouny ve vaší lince na pasteraci potravin. Díky malým nárokům na prostor a všestranným možnostem instalace lze ultrazvukové přístroje Hielscher snadno integrovat do stávajících výrobních linek nebo je do nich dodatečně doplnit.
Kontaktujte nás nyní a zjistěte více o funkcích a možnostech našich ultrazvukových pasteračních systémů. Rádi s vámi probereme vaši aplikaci!
Níže uvedená tabulka poskytuje orientační údaje o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: