Ultraschall-Pasteurisierung flüssiger Lebensmittel

Die Ultraschall-Pasteurisierung ist ein nicht-thermisches Sterilisationsverfahren zur Inaktivierung von Mikroben wie Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus sowie zahlreicher anderer Bakterien, um mikrobiellen Verderb zu verhindern und eine langfristige Stabilität der verarbeiteten Lebensmittel und Getränke zu erreichen.

Nicht-thermische Pasteurisierung von Lebensmitteln & Getränke mittels Ultraschall

Die Ultraschallpasteurisierung ist eine nicht-thermische alternative Technologie, die verwendet wird, um Organismen und Enzyme, welche zum Verderben von Lebensmitteln beitragen, zu zerstören bzw. zu deaktivieren. Ultraschall kann zur Pasteurisierung von Konserven, Milch, Milchprodukten, Eiern, Säften, Getränken mit geringem Alkoholgehalt und anderen flüssigen Lebensmitteln verwendet werden. Sowohl Ultraschall allein als auch Ultraschall in Kombination mit erhöhten Wärme- und Druckbedingungen (bekannt als Thermo-Mano-Ultraschall) kann Säfte, Milch, Molkereiprodukte, Flüssigei und andere Lebensmittelprodukte effizient pasteurisieren. Eine hochentwickelte Ultraschall-Pasteurisierung übertrifft herkömmliche Pasteurisierungstechniken, da Ultraschall den Nährstoffgehalt und die physikalischen Eigenschaften der behandelten Lebensmittelprodukte nicht beeinträchtigt. Die Verwendung von Ultraschall oder Thermo-Mano-Ultraschall zur Pasteurisierung von flüssigen Lebensmitteln kann ein nährstoffreiches Produkt von höherer Qualität liefern als die traditionelle Hochtemperatur-Kurzzeit-Pasteurisierung (HTST).
Forschungsstudien wie z. B. von Beslar et al. (2015) ergaben, dass die Ultraschallbehandlung erhebliche Vorteile für die Verarbeitung von Säften bieten kann. So kann eine Ultraschallbehandlung Qualitätsfaktoren, wie z.B. Ertrag, Extraktion, Trübung, rheologische Eigenschaften und Farbe sowie die Lagerfähigkeit deutlich verbessern.

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

Wie funktioniert die Ultraschall-Pasteurisierung?

Die Inaktivierung und Zerstörung von Mikroben durch Ultraschall ist eine nicht-thermische Technik, d.h. ihr Hauptwirkprinzip basiert nicht auf Wärme. Die Ultraschallpasteurisierung wird hauptsächlich durch die Effekte der akustischen Kavitation verursacht. Das Phänomen der akustischen Kavitation (Ultraschall-Kavitation) ist bekannt für seine lokal hohen Temperaturen, Drücke und entsprechenden Differentiale, welche in und um die winzigen Kavitationsblasen auftreten. Darüber hinaus erzeugt die akustische Kavitation sehr intensive Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen und Turbulenzen. Diese zerstörerischen Kräfte verursachen umfangreiche Schäden an mikrobiellen Zellen, wie z.B. Zellperforation und Disruption. Zellperforation und Disruption sind einzigartige Effekte, welche in ultraschall-behandelten Zellen beobachtet werden könnnen und hauptsächlich durch die durch Kavitation erzeugten Flüssigkeitsstrahlen verursacht werden.

Die Ultraschallpasteurisierung basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften

Ultraschall übertrifft die traditionelle Pasteurisierung

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie wird die konventionelle Pasteurisierung häufig angewendet, um Mikroben wie Bakterien, Hefe und Pilze zu inaktivieren bzw. abzutöten, um mikrobiellen Verderb zu verhindern und um den verarbeiteten Produkten eine längere Haltbarkeit und Stabilität zu verleihen. Die konventionelle Pasteurisierung wird durch eine kurze Behandlung bei erhöhten Temperaturen von meist unter 100°C (212°F) erreicht. Die genaue Temperatur und Dauer wird normalerweise auf das jeweilige Lebensmittel und die Mikroben, die inaktiviert werden sollen, abgestimmt. Die Effektivität eines Pasteurisierungsprozesses wird durch die mikrobielle Inaktivierungsrate bestimmt, welche als log-Reduktion gemessen wird. Die log-Reduktion misst den Prozentsatz der inaktivierten Mikroben bei einer bestimmten Temperatur über eine bestimmte Zeit. Die Bedingungen der Temperaturbehandlung und die mikrobielle Inaktivierungsrate werden sowohl von der Art der Mikroben als auch von der Zusammensetzung des Lebensmittels beeinflusst. Die traditionelle hitzebasierte Pasteurisierung hat mehrere Nachteile, die von einer unzureichenden mikrobiellen Inaktivierung über negative Auswirkungen auf das Lebensmittel bis hin zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des behandelten Produkts reichen. Unzureichende Erwärmung durch zu kurze Pasteurisierungsdauer oder zu niedrige Temperatur führt zu einer geringen log-Reduktionsrate und nachfolgendem mikrobiellen Verderb. Eine zu starke Erhitzung kann die Qualität des Produkts beeinträchtigen, z.B. durch verbrannte Aromen und eine geringere Nährstoffdichte aufgrund der Zerstörung temperaturempfindlicher Nährstoffe.

Nachteile der konventionellen Pasteurisierung

• kann wichtige Nährstoffe zerstören
• kann Fehlaromen verursachen
• hoher Energiebedarf
• unwirksam gegen hitzebeständige Bakterien
• nicht bei jedem Lebensmittel anwendbar

Ultraschall-Pasteurisierung von Molkereiprodukten

Die Pasteurisierung von Milch und Milchprodukten mit Ultraschall, Thermo-Schall und Thermo-Mano-Schall wurde bereits eingehend erforscht. So wurde beispielsweise festgestellt, dass Ultraschall den Verderb und potenzielle Krankheitserreger auf Null oder auf ein nach den südafrikanischen und britischen Milchgesetzen akzeptables Niveau reduziert, selbst wenn die anfängliche Inokulum-Belastung vor der Behandlung fünfmal höher als zulässig war. Die Anzahl lebensfähiger Zellen von E. coli wurde nach 10,0 Minuten Ultraschallbehandlung um 100 % reduziert. Außerdem wurde gezeigt, dass die Anzahl lebensfähiger Zellen von Pseudomonas fluorescens nach 6,0 Minuten um 100 % und die von Listeria monocytogenes nach 10,0 Minuten um 99 % reduziert wurde (Cameron et al. 2009).
Die Forschung hat auch gezeigt, dass die Thermo-Ultraschallbehandlung Listeria innocua und mesophile Bakterien in roher Vollmilch inaktivieren kann. Es wurde gezeigt, dass Ultraschall eine praktikable Technologie für die Pasteurisierung und Homogenisierung von Milch ist, welche kürzere Verarbeitungszeiten ohne wesentliche Änderungen des pH-Werts und des Milchsäuregehalts sowie ein besseres Aussehen und eine bessere Konsistenz im Vergleich zur herkömmlichen thermischen Behandlung aufweist. Diese Faktoren sind in vielen Aspekten der Milchverarbeitung von Vorteil. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurisierung von Säften und Fruchtpürees mit Ultraschall

Die Ultraschallpasteurisierung wurde als effiziente und schnelle alternative Pasteurisierungstechnik eingesetzt, um Escherichia coli und Staphylococcus aureus in Apfelsaft zu inaktivieren. Bei der Ultraschallbehandlung des pulpefreien Apfelsaftes betrug die 5-Log-Reduktionszeit 35 s für E. coli bei 60°C und 30s für S. aureus bei 62°C. Obwohl in der Studie festgestellt wurde, dass ein hoher Fruchtfleischgehalt den Ultraschall für S. aureus weniger tödlich machte, während der Pulpegehalt des Saftes keinerlei signifikanten Effekt auf die Inaktivierung von E. coli hatte. Es sollte allerdings beachtet werden, dass bei der Ultraschallverarbeitung kein Druck (Mano-Ultraschall) angewendet wurde. Die Ultraschallbehandlung unter erhöhtem Druck intensiviert die Ultraschallkavitation und damit die mikrobielle Inaktivierung auch in viskoseren Flüssigkeiten erheblich. Die Studie zeigte ebenfalls, dass sie Ultraschallbehandlung keine signifikante Auswirkung auf die antioxidative Aktivität, bestimmt durch die 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)-Radikalfängeraktivität, hatte. Ultraschall erhöhte den Gesamtphenolgehalt des Saftes signifikant. Die Behandlung führte zudem zu einem stabileren Saft mit einer deutlich gleichmäßigeren Konsistenz. (vgl. Baboli et al. 2020)

Ultraschall-Inaktivierung von grampositiven und gramnegativen Bakterien

Grampositive Bakterien, wie z.B. Listeria monocytogenes oder Staphylococcus aureus, sind bekanntermaßen widerstandsfähiger als gramnegative Bakterien und widerstehen Pasteurisierungstechnologien wie PEF, HPP und Mano-Ultraschall (MS) aufgrund ihrer dickeren Zellwände für eine längere Behandlungsdauer. Gramnegative Bakterien haben zwei – eine externe und eine zytoplasmatische – Lipid-Zellmembranen mit einer dünnen Peptidoglykanschicht dazwischen, was sie anfälliger für die Inaktivierung durch Ultraschall macht. Auf der anderen Seite haben gram-positive Bakterien nur eine einzelne Lipidmembran mit einer dickeren Peptidoglycanwand, was ihnen mehr Widerstand gegen Pasteurisierungsbehandlungen verleiht. Wissenschaftliche Untersuchungen verglichen die Wirkung von Hochleistungs-Ultraschall auf gram-negative und gram-positive Bakterien und stellten fest, dass Leistungsultraschall eine stärkere hemmende Wirkung auf gram-negative Bakterien hat. (vgl. Monsen et al. 2009) Gram-positive Bakterien benötigen intensivere Ultraschallbedingungen, d.h. höhere Amplituden, höhere Temperaturen, höhere Drücke und/oder längere Beschallungszeiten. Die Hochleistungs-Ultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern und können bei erhöhten Temperaturen und mit druckbeaufschlagbaren Durchflusszellenreaktoren betrieben werden. Dies ermöglicht eine intensive Beschallung / Thermo-Mano-Beschallung, um auch sehr resistente Bakterienstämme zu inaktivieren.

Inaktivierung von thermodurischen Bakterien mit Ultraschall

Thermodurische Bakterien sind Bakterien, welche in unterschiedlichem Ausmaß den Pasteurisierungsprozess überleben können. Zu den thermodurischen Bakterienarten gehören Bacillus, Clostridium und Enterokokken. "Eine Ultraschallbehandlung bei 80 % Amplitude für 10 min inaktivierte die vegetativen Zellen von B. coagulans und A. flavithermus in Magermilch um 4,53 bzw. 4,26 logs. Eine kombinierte Behandlung aus Pasteurisierung (63°C/30 min) und anschließender Ultraschallbehandlung eliminierte etwa log 6 cfu/mL dieser Zellen in Magermilch vollständig." (Khanal et al. 2014)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Pasteurisierung

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Anwendung von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- & Getränkeindustrie sowie in zahlreichen anderen Branchen. Unsere Ultraschall-Prozessoren sind mit leicht zu reinigenden (Clean-in-Place CIP / Sterilize-in-Place SIP) Sonotroden und Durchflusszellen (diese Teile kommen in Kontakt mit den Lebensmitteln) ausgestattet. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Hohe Amplituden sind wichtig, um widerstandsfähigere Mikroben (z.B. gram-positive Bakterien) zu inaktivieren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Sonotroden und Ultraschall-Durchflussreaktoren können unter erhöhten Temperaturen und Drücken betrieben werden, was eine zuverlässige Thermo-Mano-Sonorisierung und hocheffektive Pasteurisierung ermöglicht.
Modernste Technik, hohe Leistung und ausgefeilte Software machen Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren zu zuverlässigen Arbeitsmaschinen in Ihrer Lebensmittel-Verarbeitung. Mit geringem Platzbedarf und vielseitigen Installationsmöglichkeiten lassen sich Hielscher Ultraschallgeräte problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren bzw. nachrüsten.
Bitte kontaktieren Sie uns, um mehr über die Eigenschaften und Möglichkeiten unserer Ultraschall-Pasteurisierungssysteme zu erfahren. Gerne besprechen wir Ihre Anwendung mit Ihnen und beraten Sie entsprechend!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: