Ultraschallpasteurisierung flüssiger Lebensmittel

Die Ultraschallpasteurisierung ist ein nichtthermisches Sterilisationsverfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen wie E. coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus und vielen weiteren, um mikrobiellen Verderb zu verhindern und eine langfristige Stabilität von Lebensmitteln und Getränken zu erzielen.

Nichtthermische Pasteurisierung von Lebensmitteln und Getränken durch Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallpasteurisierung ist eine alternative nichtthermische Technologie zur Zerstörung oder Inaktivierung von Organismen und Enzymen, die zum Verderb von Lebensmitteln beitragen. Ultraschall kann zur Pasteurisierung von Konserven, Milch, Milchprodukten, Eiern, Säften, Getränken mit geringem Alkoholgehalt und anderen flüssigen Lebensmitteln eingesetzt werden. Sowohl Ultraschall allein als auch Ultraschall in Kombination mit erhöhten Temperaturen und Drücken (bekannt als Thermo-Mano-Sonikation) können Säfte, Milch, Milchprodukte, Flüssigei und andere Lebensmittel effizient pasteurisieren. Eine technisch ausgereifte Ultraschallpasteurisierung ist herkömmlichen Pasteurisierungsverfahren überlegen, da Ultraschall den Nährstoffgehalt und die physikalischen Eigenschaften der behandelten Lebensmittel nicht beeinträchtigt. Der Einsatz von Ultraschall oder Thermo-Mano-Sonikation zur Pasteurisierung flüssiger Lebensmittel kann ein nährstoffreiches Produkt von höherer Qualität liefern als die herkömmliche Kurzzeiterhitzung (HTST).
Forschungsarbeiten wie die von Beslar et al. (2015) haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung erhebliche Vorteile bei der Verarbeitung von Säften bieten kann. Dazu gehören Verbesserungen bei Qualitätsfaktoren wie Ausbeute, Extraktion, Trübung, rheologischen Eigenschaften und Farbe sowie bei der Haltbarkeit.

Überlebenskurven von Escherichia coli (a) und Staphylococcus aureus (b) in Apfelsaft nach Ultraschallbehandlung (UT) bei verschiedenen Temperaturen und nach Wärmebehandlung (HT) bei denselben Temperaturen.
Abbildung und Studie: Baboli et al. 2015

Wie funktioniert die Ultraschallpasteurisierung?

Die Inaktivierung und Zerstörung von Mikroorganismen durch Ultraschall ist ein nichtthermisches Verfahren. Das bedeutet, dass ihr wesentliches Wirkprinzip nicht auf Wärme beruht. Die Ultraschallpasteurisierung wird hauptsächlich durch die Wirkungen der akustischen Kavitation verursacht. Das Phänomen der akustischen Kavitation bzw. Ultraschallkavitation ist für lokal hohe Temperaturen und Drücke sowie die entsprechenden Temperatur- und Druckunterschiede bekannt, die in und um die winzigen Kavitationsblasen auftreten. Darüber hinaus erzeugt die akustische Kavitation sehr starke Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen und Turbulenzen. Diese zerstörerischen Kräfte verursachen umfangreiche Schäden an mikrobiellen Zellen, etwa Zellperforation und Zellaufschluss. Zellperforation und Zellaufschluss sind einzigartige Effekte bei ultraschallbehandelten Zellen, die hauptsächlich durch die bei der Kavitation entstehenden Flüssigkeitsstrahlen verursacht werden.

Die Ultraschallpasteurisierung beruht auf akustischer Kavitation und den damit verbundenen hydrodynamischen Scherkräften

Warum die Ultraschallbehandlung der herkömmlichen Pasteurisierung überlegen ist

Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie setzt die herkömmliche Pasteurisierung in großem Umfang ein, um Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Pilze zu inaktivieren oder abzutöten, mikrobiellen Verderb zu verhindern und die Haltbarkeit und Stabilität ihrer Produkte zu verlängern. Die herkömmliche Pasteurisierung erfolgt durch eine kurze Behandlung bei erhöhten Temperaturen, die üblicherweise unter 100°C (212°F) liegen. Die genaue Temperatur und Behandlungsdauer werden normalerweise an das jeweilige Lebensmittel und die zu inaktivierenden Mikroorganismen angepasst. Die Wirksamkeit eines Pasteurisierungsverfahrens wird durch die mikrobielle Inaktivierungsrate bestimmt, die als logarithmische Reduktion gemessen wird. Die logarithmische Reduktion misst den prozentualen Anteil der Mikroorganismen, die bei einer bestimmten Temperatur innerhalb einer bestimmten Zeit inaktiviert werden. Die Bedingungen der Temperaturbehandlung und die mikrobielle Inaktivierungsrate werden sowohl von der Art der Mikroorganismen als auch von der Zusammensetzung des Lebensmittels beeinflusst. Die herkömmliche wärmebasierte Pasteurisierung hat mehrere Nachteile, darunter eine unzureichende mikrobielle Inaktivierung, negative Auswirkungen auf das Lebensmittel sowie eine ungleichmäßige Erwärmung innerhalb des behandelten Produkts. Eine unzureichende Erwärmung durch eine zu kurze Pasteurisierungsdauer oder eine zu niedrige Temperatur führt zu einer geringen logarithmischen Reduktion und anschließendem mikrobiellen Verderb. Eine zu starke Wärmebehandlung kann die Produktqualität beeinträchtigen, etwa durch einen verbrannten Fehlgeschmack und eine geringere Nährstoffdichte infolge der Zerstörung temperaturempfindlicher Nährstoffe.

Nachteile der herkömmlichen Pasteurisierung

• kann wichtige Nährstoffe zerstören oder schädigen
• kann Fehlgeschmack verursachen
• hoher Energiebedarf
• unwirksam bei der Abtötung hitzeresistenter Krankheitserreger
• nicht auf jedes Lebensmittel anwendbar

Ultraschallpasteurisierung von Milchprodukten

Ultraschallbehandlung, Thermo-Sonikation und Thermo-Mano-Sonikation wurden umfassend für die Pasteurisierung von Milch und Milchprodukten untersucht. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Ultraschall Verderbniserreger und potenzielle Krankheitserreger vollständig oder bis auf Werte eliminieren kann, die nach den südafrikanischen und britischen Rechtsvorschriften für Milch zulässig sind. Dies war selbst dann der Fall, wenn die anfängliche Keimbelastung vor der Behandlung 5× höher als zulässig war. Die Anzahl lebensfähiger E.-coli-Zellen wurde nach 10,0 min Ultraschallbehandlung um 100% reduziert. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Anzahl lebensfähiger Pseudomonas-fluorescens-Zellen nach 6,0 min um 100% und die Anzahl lebensfähiger Listeria-monocytogenes-Zellen nach 10,0 min um 99% reduziert wurde. (Cameron et al. 2009)
Forschungsarbeiten zeigten außerdem, dass Thermo-Sonikation Listeria innocua und mesophile Bakterien in roher Vollmilch inaktivieren kann. Ultraschall erwies sich als praktikable Technologie zur Pasteurisierung und Homogenisierung von Milch, mit kürzeren Verarbeitungszeiten ohne wesentliche Veränderungen des pH-Werts und des Milchsäuregehalts sowie einem besseren Aussehen und einer besseren Konsistenz im Vergleich zur herkömmlichen Wärmebehandlung. Diese Eigenschaften sind für viele Bereiche der Milchverarbeitung vorteilhaft. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultraschallpasteurisierung von Säften und Fruchtpürees

Die Ultraschallpasteurisierung wurde als effizientes und schnelles alternatives Pasteurisierungsverfahren zur Inaktivierung von Escherichia coli und Staphylococcus aureus in Apfelsaft eingesetzt. Bei der Ultraschallbehandlung von fruchtfleischfreiem Apfelsaft betrug die Zeit bis zu einer Reduktion um 5 Log-Stufen für E. coli bei 60degC 35 s und für S. aureus bei 62degC 30 s. Obwohl die Studie ergab, dass ein hoher Fruchtfleischgehalt die abtötende Wirkung von Ultraschall auf S. aureus verringerte, während er keinen signifikanten Einfluss auf E. coli hatte, ist zu beachten, dass kein Druck angelegt wurde. Die Beschallung unter erhöhtem Druck verstärkt die Ultraschallkavitation und damit die mikrobielle Inaktivierung in viskoseren Flüssigkeiten erheblich. Die Ultraschallbehandlung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die antioxidative Aktivität, die anhand der Radikalfängeraktivität gegenüber 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) bestimmt wurde, erhöhte jedoch den Gesamtphenolgehalt signifikant. Die Behandlung führte außerdem zu einem stabileren Saft mit höherer Gleichmäßigkeit. (vgl. Baboli et al. 2020)

Ultraschallinaktivierung grampositiver und gramnegativer Bakterien

Grampositive Bakterien wie Listeria monocytogenes oder Staphylococcus aureus gelten allgemein als widerstandsfähiger als gramnegative Bakterien und halten aufgrund ihrer dickeren Zellwände Pasteurisierungstechnologien wie PEF, HPP und Mano-Sonikation (MS) über längere Behandlungszeiten stand. Gramnegative Bakterien besitzen zwei Lipidmembranen – eine äußere und eine zytoplasmatische – mit einer dünnen Peptidoglykanschicht dazwischen, wodurch sie empfindlicher gegenüber der Ultraschallinaktivierung sind. Grampositive Bakterien hingegen besitzen nur eine einzige Lipidmembran mit einer dickeren Peptidoglykanwand, die ihnen eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Pasteurisierungsbehandlungen verleiht. Wissenschaftliche Untersuchungen verglichen die Wirkung von Leistungsultraschall auf gramnegative und grampositive Bakterien und stellten fest, dass er eine stärkere hemmende Wirkung auf gramnegative Bakterien hatte. (vgl. Monsen et al. 2009) Grampositive Bakterien erfordern intensivere Ultraschallbedingungen, also höhere Amplituden, höhere Temperaturen, höhere Drücke und/oder längere Beschallungszeiten. Die Leistungsultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern und bei erhöhten Temperaturen sowie mit druckbeaufschlagbaren Durchflusszellenreaktoren betrieben werden. Dies ermöglicht eine intensive Beschallung bzw. Thermo-Mano-Sonikation, um selbst sehr widerstandsfähige Bakterienstämme zu inaktivieren.

Ultraschallinaktivierung thermodurer Bakterien

Thermodure Bakterien sind Bakterien, die den Pasteurisierungsprozess in unterschiedlichem Ausmaß überleben können. Zu den thermoduren Bakterien zählen Bacillus, Clostridium und Enterokokken. „Eine Ultraschallbehandlung bei 80% Amplitude für 10 min inaktivierte jedoch die vegetativen Zellen von B. coagulans und A. flavithermus in Magermilch um 4,53 bzw. 4,26 Log-Stufen. Eine kombinierte Behandlung aus Pasteurisierung (63 Grad C/30 min) und anschließender Ultraschallbehandlung eliminierte etwa log 6 cfu/mL dieser Zellen in Magermilch vollständig.“ (Khanal et al. 2014)

Hochleistungsanlagen zur Ultraschallpasteurisierung

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit dem Einsatz von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in vielen weiteren Industriezweigen. Unsere Ultraschallprozessoren sind mit leicht zu reinigenden Sonotroden und Durchflusszellen ausgestattet, die die produktberührten Teile bilden und eine Reinigung im eingebauten Zustand (Clean-in-Place, CIP) sowie eine Sterilisation im eingebauten Zustand (Sterilize-in-Place, SIP) ermöglichen. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Hohe Amplituden sind wichtig, um widerstandsfähigere Mikroorganismen zu inaktivieren (z.B. grampositive Bakterien). Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Sonotroden und Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren können bei erhöhten Temperaturen und Drücken betrieben werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Thermo-Mano-Sonikation und eine hochwirksame Pasteurisierung.
Modernste Technologie, hohe Leistung und ausgereifte Software machen die Geräte von Hielscher Ultrasonics zu zuverlässigen Arbeitstieren in Ihrer Lebensmittelpasteurisierungslinie. Dank ihres geringen Platzbedarfs und vielseitiger Installationsmöglichkeiten lassen sich die Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder nachrüsten.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: