Ultralydspasteurisering af flydende fødevarer

Ultralydspasteurisering er en ikke-termisk steriliseringsproces til inaktivering af mikroorganismer såsom E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus og mange andre for at forhindre mikrobiel fordærvelse og opnå langvarig stabilitet af fødevarer og drikkevarer.

Ikke-termisk pasteurisering af fødevarer og drikkevarer ved sonikering

Ultralydspasteurisering er en alternativ, ikke-termisk teknologi, som bruges til at ødelægge eller deaktivere organismer og enzymer, der bidrager til fordærvelse af fødevarer. Ultralydsbehandling kan bruges til at pasteurisere konserves, mælk, mejeriprodukter, æg, juice, drikkevarer med lavt alkoholindhold og andre flydende fødevarer. Ultralydsbehandling alene samt ultralyd kombineret med forhøjet temperatur og tryk (kendt som termo-mano-sonikering) kan effektivt pasteurisere juice, mælk, mejeriprodukter, flydende æg og andre fødevarer. En avanceret ultralydspasteuriseringsbehandling overgår traditionelle pasteuriseringsteknikker, da ultralyd ikke påvirker næringsstofindholdet og de fysiske egenskaber af de behandlede fødevarer negativt. Brug af ultralyd eller termo-mano-sonikering til pasteurisering af flydende fødevarer kan give et næringsrigt produkt med højere kvalitet end den traditionelle pasteuriseringsmetode med høj temperatur i kort tid (HTST).
Forskningsstudier, såsom Beslar et al. (2015), viste, at ultralydsbehandling kan give betydelige fordele ved forarbejdning af juice, herunder forbedrede kvalitetsfaktorer såsom udbytte, ekstraktion, uklarhed, reologiske egenskaber og farve samt holdbarhed.

Overlevelseskurver for Escherichia coli (a) og Staphylococcus aureus (b) i æblejuice efter ultralydsbehandling (UT) ved forskellige temperaturer og efter varmebehandling (HT) ved de samme temperaturer.
billede og studie: Baboli et al. 2015

Hvordan virker ultralydspasteurisering?

Inaktivering og ødelæggelse af mikroorganismer med ultralyd er en ikke-termisk teknik, hvilket betyder, at dens primære virkningsprincip ikke er baseret på varme. Ultralydspasteurisering skyldes hovedsageligt virkningerne af akustisk kavitation. Fænomenet akustisk kavitation / ultralydskavitation er kendt for lokalt høje temperaturer og tryk samt de tilhørende temperatur- og trykforskelle, som opstår i og omkring de meget små kavitationsbobler. Desuden genererer akustisk kavitation meget intense forskydningskræfter, væskestråler og turbulens. Disse ødelæggende kræfter forårsager omfattende skader på mikrobielle celler, såsom celleperforering og celleødelæggelse. Celleperforering og celleødelæggelse er unikke virkninger, som findes i ultralydsbehandlede celler, og som hovedsageligt skyldes de væskestråler, der genereres af kavitation.

Ultralydspasteurisering er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter

Hvorfor sonikering overgår traditionel pasteurisering

Fødevare- og drikkevareindustrien anvender i vid udstrækning konventionel pasteurisering til at inaktivere eller dræbe mikroorganismer såsom bakterier, gær og svampe for at forhindre mikrobiel fordærvelse og give deres produkter længere holdbarhed og stabilitet. Konventionel pasteurisering virker ved en kortvarig behandling ved forhøjede temperaturer, som normalt er under 100°C (212°F). Den præcise temperatur og varighed tilpasses normalt den specifikke fødevare og de mikroorganismer, der skal inaktiveres. Effektiviteten af en pasteuriseringsproces bestemmes af den mikrobielle inaktiveringsrate, som måles som log-reduktion. Log-reduktionen måler procentdelen af inaktiverede mikroorganismer ved en bestemt temperatur over et bestemt tidsrum. Varmebehandlingens betingelser og den mikrobielle inaktiveringsrate påvirkes af typen af mikroorganismer samt fødevarens sammensætning. Traditionel varmebaseret pasteurisering har flere ulemper, herunder utilstrækkelig mikrobiel inaktivering, negative virkninger på fødevaren samt ujævn opvarmning gennem det behandlede produkt. Utilstrækkelig opvarmning på grund af for kort pasteuriseringstid eller for lav temperatur resulterer i en lav log-reduktionsrate og efterfølgende mikrobiel fordærvelse. For kraftig varmebehandling kan forårsage forringelse af produktet, såsom brændt bismag og lavere næringsstoftæthed som følge af ødelæggelse af temperaturfølsomme næringsstoffer.

Ulemper ved konventionel pasteurisering

• kan ødelægge eller beskadige vigtige næringsstoffer
• kan forårsage bismag
• højt energibehov
• ineffektiv til at dræbe varmebestandige patogener
• kan ikke anvendes til alle fødevarer

Ultralydspasteurisering af mejeriprodukter

Sonikering, termo-sonikering og termo-mano-sonikering er blevet undersøgt grundigt til pasteurisering af mælk og mejeriprodukter. For eksempel viste det sig, at ultralyd eliminerede fordærvelsesmikroorganismer og potentielle patogener helt eller reducerede dem til niveauer, der er acceptable i henhold til sydafrikansk og britisk mælkelovgivning, selv når de indledende inokulumniveauer før behandlingen var 5× højere end tilladt. Antallet af levedygtige E. coli-celler blev reduceret med 100% efter 10,0 min ultralydsbehandling. Desuden blev det vist, at antallet af levedygtige Pseudomonas fluorescens blev reduceret med 100% efter 6,0 min, og at Listeria monocytogenes blev reduceret med 99% efter 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Forskning viste også, at termo-sonikering kan inaktivere Listeria innocua og mesofile bakterier i rå sødmælk. Ultralyd viste sig at være en anvendelig teknologi til pasteurisering og homogenisering af mælk med kortere behandlingstider uden væsentlige ændringer i pH og mælkesyreindhold samt bedre udseende og konsistens sammenlignet med konventionel termisk behandling. Disse forhold er fordelagtige i mange aspekter af mejeriforarbejdning. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultralydspasteurisering af juice og frugtpuréer

Ultralydspasteurisering blev anvendt som en effektiv og hurtig alternativ pasteuriseringsteknik til at inaktivere Escherichia coli og Staphylococcus aureus i æblejuice. Når æblejuice uden frugtkød blev behandlet med ultralyd, var tiden til en 5-log-reduktion 35 s for E. coli ved 60degC og 30 s for S. aureus ved 62degC. Selvom studiet viste, at et højt indhold af frugtkød gjorde ultralyd mindre dødelig for S. aureus, mens det ikke havde nogen signifikant virkning på E. coli, skal det bemærkes, at der ikke blev anvendt tryk. Sonikering ved forhøjet tryk intensiverer ultralydskavitation betydeligt og dermed også den mikrobielle inaktivering i mere viskøse væsker. Ultralydsbehandling havde ingen signifikant virkning på antioxidantaktiviteten bestemt ved evnen til at neutralisere 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl-radikaler (DPPH), men den øgede det samlede fenolindhold signifikant. Behandlingen resulterede også i mere stabil juice med større ensartethed. (jf. Baboli et al. 2020)

Ultralydsinaktivering af grampositive og gramnegative bakterier

Grampositive bakterier, såsom Listeria monocytogenes eller Staphylococcus aureus, er generelt kendt for at være mere resistente end gramnegative bakterier og for at modstå pasteuriseringsteknologier såsom PEF, HPP og mano-sonikering (MS) i længere behandlingstid på grund af tykkere cellevægge. Gramnegative bakterier har to lipidcellemembraner – en ydre og en cytoplasmatisk – med et tyndt lag peptidoglycan imellem, hvilket gør dem mere følsomme over for ultralydsinaktivering. Grampositive bakterier har derimod kun en enkelt lipidmembran med en tykkere peptidoglycanvæg, hvilket gør dem mere resistente over for pasteuriseringsbehandlinger. Videnskabelige undersøgelser sammenlignede virkningen af højintensiv ultralyd på gramnegative og grampositive bakterier og viste, at den havde en stærkere hæmmende virkning på gramnegative bakterier. (jf. Monsen et al. 2009) Grampositive bakterier kræver mere intense ultralydsbetingelser, dvs. højere amplituder, højere temperaturer, højere tryk og/eller længere sonikeringstid. Hielscher Ultrasonics’ systemer til højintensiv ultralyd kan levere meget høje amplituder og kan anvendes ved forhøjede temperaturer og med gennemstrømningsreaktorer, der kan tryksættes. Dette muliggør intens sonikering / termo-mano-sonikering for at inaktivere selv meget resistente bakteriestammer.

Ultralydsinaktivering af termoduriske bakterier

Termoduriske bakterier er bakterier, som i varierende grad kan overleve pasteuriseringsprocessen. Termoduriske bakteriearter omfatter Bacillus, Clostridium og enterokokker. ”Ultralydsbehandling ved 80% amplitude i 10 min inaktiverede imidlertid de vegetative celler af B. coagulans og A. flavithermus i skummetmælk med henholdsvis 4,53 og 4,26 log-enheder. En kombineret behandling med pasteurisering (63 grader C/30 min) efterfulgt af ultralydsbehandling eliminerede fuldstændigt cirka log 6 cfu/mL af disse celler i skummetmælk.” (Khanal et al. 2014)

Højtydende udstyr til ultralydspasteurisering

Hielscher Ultrasonics har mange års erfaring med anvendelse af højintensiv ultralyd i fødevare- og drikkevareindustrien samt mange andre industrigrene. Vores ultralydsprocessorer er udstyret med rengøringsvenlige sonotroder og gennemstrømningsceller (de væskeberørte dele), som kan rengøres på stedet (CIP) / steriliseres på stedet (SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Høje amplituder er vigtige for at inaktivere mere resistente mikroorganismer (f.eks. grampositive bakterier). Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Alle sonotroder og ultralydsgennemstrømningsreaktorer kan anvendes ved forhøjede temperaturer og tryk, hvilket muliggør pålidelig termo-mano-sonikering og yderst effektiv pasteurisering.
Topmoderne teknologi, høj ydeevne og avanceret software gør Hielscher Ultrasonics’ udstyr til pålidelige arbejdsheste i din pasteuriseringslinje til fødevarer. Med et lille pladsbehov og alsidige installationsmuligheder kan Hielschers ultralydsapparater nemt integreres eller eftermonteres i eksisterende produktionslinjer.
Kontakt os nu for at få mere at vide om funktionerne og kapaciteten i vores ultralydspasteuriseringssystemer. Vi drøfter gerne din anvendelse med dig!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: