Παστερίωση υγρών τροφίμων με υπερήχους

Η παστερίωση με υπερήχους είναι μια μη θερμική διεργασία αποστείρωσης για την αδρανοποίηση μικροοργανισμών όπως τα E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus, μεταξύ πολλών άλλων, με σκοπό την πρόληψη της μικροβιακής αλλοίωσης και την επίτευξη μακροχρόνιας σταθερότητας των τροφίμων και των ποτών.

Μη θερμική παστερίωση τροφίμων και ποτών μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Η παστερίωση με υπερήχους είναι μια μη θερμική εναλλακτική τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την καταστροφή ή την αδρανοποίηση οργανισμών και ενζύμων που συμβάλλουν στην αλλοίωση των τροφίμων. Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παστερίωση κονσερβοποιημένων τροφίμων, γάλακτος, γαλακτοκομικών προϊόντων, αυγών, χυμών, ποτών με χαμηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλη και άλλων υγρών τροφίμων. Τόσο η κατεργασία μόνο με υπερήχους όσο και η συνδυασμένη κατεργασία με υπερήχους υπό συνθήκες αυξημένης θερμοκρασίας και πίεσης (γνωστή ως θερμομανοϋπερηχητική κατεργασία) μπορούν να παστεριώσουν αποτελεσματικά χυμούς, γάλα, γαλακτοκομικά προϊόντα, υγρά αυγά και άλλα τρόφιμα. Μια εξελιγμένη κατεργασία παστερίωσης με υπερήχους υπερέχει των παραδοσιακών τεχνικών παστερίωσης, καθώς οι υπέρηχοι δεν επηρεάζουν αρνητικά την περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά και τα φυσικά χαρακτηριστικά των επεξεργασμένων τροφίμων. Η χρήση υπερήχων ή θερμομανοϋπερηχητικής κατεργασίας για την παστερίωση υγρών τροφίμων μπορεί να προσφέρει ένα προϊόν πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, με υψηλότερη ποιότητα από εκείνη που προσφέρει η παραδοσιακή μέθοδος παστερίωσης σε υψηλή θερμοκρασία για σύντομο χρόνο (HTST).
Ερευνητικές μελέτες, όπως αυτή των Beslar et al. (2015), διαπίστωσαν ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στην επεξεργασία χυμών, συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης παραμέτρων ποιότητας όπως η απόδοση, η εκχύλιση, η θολότητα, οι ρεολογικές ιδιότητες και το χρώμα, καθώς και της διάρκειας ζωής.

Καμπύλες επιβίωσης των Escherichia coli (a) και Staphylococcus aureus (b) σε χυμό μήλου μετά από κατεργασία με υπερήχους (UT) σε διαφορετικές θερμοκρασίες και μετά από θερμική κατεργασία (HT) στις ίδιες θερμοκρασίες.
εικόνα και μελέτη: Baboli et al. 2015

Πώς λειτουργεί η παστερίωση με υπερήχους;

Η αδρανοποίηση και η καταστροφή μικροοργανισμών με υπερήχους είναι μια μη θερμική τεχνική, πράγμα που σημαίνει ότι η κύρια αρχή λειτουργίας της δεν βασίζεται στη θερμότητα. Η παστερίωση με υπερήχους προκαλείται κυρίως από τις επιδράσεις της ακουστικής σπηλαίωσης. Το φαινόμενο της ακουστικής / υπερηχητικής σπηλαίωσης είναι γνωστό για τις τοπικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, καθώς και τις αντίστοιχες διαφορές τους, που εμφανίζονται μέσα και γύρω από τις μικροσκοπικές φυσαλίδες σπηλαίωσης. Επιπλέον, η ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί πολύ έντονες δυνάμεις διάτμησης, πίδακες υγρού και στροβιλισμούς. Αυτές οι καταστροφικές δυνάμεις προκαλούν εκτεταμένες βλάβες στα μικροβιακά κύτταρα, όπως κυτταρική διάτρηση και διάρρηξη. Η κυτταρική διάτρηση και διάρρηξη είναι μοναδικές επιδράσεις που παρατηρούνται σε κύτταρα τα οποία έχουν υποστεί κατεργασία με υπερήχους και προκαλούνται κυρίως από τους πίδακες υγρού που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση.

Η παστερίωση με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση και στις υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης που αυτή δημιουργεί

Γιατί η κατεργασία με υπερήχους υπερέχει της παραδοσιακής παστερίωσης

Η βιομηχανία τροφίμων και ποτών εφαρμόζει ευρέως τη συμβατική παστερίωση για την αδρανοποίηση ή τη θανάτωση μικροοργανισμών, όπως βακτήρια, ζύμες και μύκητες, ώστε να αποτρέψει τη μικροβιακή αλλοίωση και να εξασφαλίσει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και σταθερότητα των προϊόντων της. Η συμβατική παστερίωση βασίζεται σε σύντομη κατεργασία σε αυξημένες θερμοκρασίες, συνήθως κάτω από 100°C (212°F). Η ακριβής θερμοκρασία και η διάρκεια προσαρμόζονται συνήθως στο συγκεκριμένο τρόφιμο και στους μικροοργανισμούς που πρέπει να αδρανοποιηθούν. Η αποτελεσματικότητα μιας διεργασίας παστερίωσης καθορίζεται από τον βαθμό μικροβιακής αδρανοποίησης, ο οποίος μετράται ως λογαριθμική μείωση. Η λογαριθμική μείωση μετρά το ποσοστό των αδρανοποιημένων μικροοργανισμών σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Οι συνθήκες της θερμικής κατεργασίας και ο βαθμός μικροβιακής αδρανοποίησης επηρεάζονται από το είδος των μικροοργανισμών καθώς και από τη σύσταση του τροφίμου. Η παραδοσιακή παστερίωση με θερμότητα παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα, από την ανεπαρκή μικροβιακή αδρανοποίηση και τις αρνητικές επιδράσεις στο τρόφιμο έως την ανομοιόμορφη θέρμανση σε όλη τη μάζα του υπό κατεργασία προϊόντος. Η ανεπαρκής θέρμανση λόγω υπερβολικά σύντομης διάρκειας παστερίωσης ή υπερβολικά χαμηλής θερμοκρασίας οδηγεί σε μικρή λογαριθμική μείωση και επακόλουθη μικροβιακή αλλοίωση. Η υπερβολική θερμική κατεργασία μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση του προϊόντος, όπως ανεπιθύμητη γεύση καμένου, και χαμηλότερη θρεπτική πυκνότητα λόγω καταστροφής των θερμοευαίσθητων θρεπτικών συστατικών.

Μειονεκτήματα της συμβατικής παστερίωσης

• μπορεί να καταστρέψει ή να υποβαθμίσει σημαντικά θρεπτικά συστατικά
• μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητες γεύσεις
• υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις
• αναποτελεσματική στη θανάτωση θερμοανθεκτικών παθογόνων
• δεν εφαρμόζεται σε κάθε τρόφιμο

Παστερίωση γαλακτοκομικών προϊόντων με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους, η κατεργασία με υπερήχους σε συνδυασμό με θερμότητα και η κατεργασία με υπερήχους σε συνδυασμό με θερμότητα και πίεση έχουν μελετηθεί εκτενώς για την παστερίωση γάλακτος και γαλακτοκομικών προϊόντων. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι οι υπέρηχοι μείωσαν τους αλλοιογόνους μικροοργανισμούς και τους δυνητικά παθογόνους μικροοργανισμούς στο μηδέν ή σε επίπεδα αποδεκτά από τη νομοθεσία της Νότιας Αφρικής και της Βρετανίας για το γάλα, ακόμη και όταν πριν από την κατεργασία υπήρχαν αρχικά φορτία ενοφθαλμίσματος 5× υψηλότερα από τα επιτρεπόμενα. Ο αριθμός των βιώσιμων κυττάρων E. coli μειώθηκε κατά 100% μετά από 10,0 min κατεργασίας με υπερήχους. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι ο αριθμός των βιώσιμων κυττάρων Pseudomonas fluorescens μειώθηκε κατά 100% μετά από 6,0 min και ο αριθμός των βιώσιμων κυττάρων Listeria monocytogenes μειώθηκε κατά 99% μετά από 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Η έρευνα έδειξε επίσης ότι η κατεργασία με υπερήχους σε συνδυασμό με θερμότητα μπορεί να αδρανοποιήσει τη Listeria innocua και τα μεσόφιλα βακτήρια στο νωπό πλήρες γάλα. Αποδείχθηκε ότι οι υπέρηχοι αποτελούν βιώσιμη τεχνολογία για την παστερίωση και την ομογενοποίηση του γάλακτος, με συντομότερους χρόνους κατεργασίας χωρίς σημαντικές μεταβολές στο pH και στην περιεκτικότητα σε γαλακτικό οξύ, καθώς και με καλύτερη εμφάνιση και σύσταση σε σύγκριση με τη συμβατική θερμική κατεργασία. Τα στοιχεία αυτά προσφέρουν πλεονεκτήματα σε πολλές πτυχές της επεξεργασίας γαλακτοκομικών προϊόντων. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Παστερίωση χυμών και πουρέδων φρούτων με υπερήχους

Η παστερίωση με υπερήχους εφαρμόστηκε ως αποτελεσματική και ταχεία εναλλακτική τεχνική παστερίωσης για την αδρανοποίηση των Escherichia coli και Staphylococcus aureus σε χυμό μήλου. Όταν ο χυμός μήλου χωρίς πολτό υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους, ο χρόνος για μείωση κατά 5 λογαριθμικές μονάδες ήταν 35 s για την E. coli στους 60degC και 30 s για τον S. aureus στους 62degC. Παρότι στη μελέτη διαπιστώθηκε ότι η υψηλή περιεκτικότητα σε πολτό καθιστούσε τους υπερήχους λιγότερο θανατηφόρους για τον S. aureus, ενώ δεν είχε σημαντική επίδραση στην E. coli, πρέπει να σημειωθεί ότι δεν εφαρμόστηκε πίεση. Η κατεργασία με υπερήχους υπό αυξημένες πιέσεις εντείνει σημαντικά τη σπηλαίωση υπερήχων και, συνεπώς, τη μικροβιακή αδρανοποίηση σε υγρά υψηλότερου ιξώδους. Η κατεργασία με υπερήχους δεν είχε σημαντική επίδραση στην αντιοξειδωτική δράση, όπως αυτή προσδιορίστηκε μέσω της ικανότητας δέσμευσης της ρίζας 2,2-διφαινυλο-1-πικρυλυδραζυλίου (DPPH), αλλά αύξησε σημαντικά τη συνολική περιεκτικότητα σε φαινολικές ενώσεις. Η κατεργασία οδήγησε επίσης σε πιο σταθερό χυμό με μεγαλύτερη ομοιομορφία. (πρβλ. Baboli et al. 2020)

Αδρανοποίηση θετικών κατά Gram και αρνητικών κατά Gram βακτηρίων με υπερήχους

Τα θετικά κατά Gram βακτήρια, όπως τα Listeria monocytogenes ή Staphylococcus aureus, είναι γενικά γνωστό ότι είναι πιο ανθεκτικά από τα αρνητικά κατά Gram βακτήρια και αντέχουν σε τεχνολογίες παστερίωσης όπως οι PEF, HPP και η κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση (MS) για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα επεξεργασίας λόγω των παχύτερων κυτταρικών τοιχωμάτων τους. Τα αρνητικά κατά Gram βακτήρια διαθέτουν δύο λιπιδικές κυτταρικές μεμβράνες – μία εξωτερική και μία κυτταροπλασματική – με ένα λεπτό στρώμα πεπτιδογλυκάνης ανάμεσά τους, γεγονός που τα καθιστά πιο ευάλωτα στην αδρανοποίηση με υπερήχους. Από την άλλη πλευρά, τα θετικά κατά Gram βακτήρια διαθέτουν μόνο μία λιπιδική μεμβράνη με παχύτερο τοίχωμα πεπτιδογλυκάνης, το οποίο τους προσδίδει μεγαλύτερη αντοχή στις επεξεργασίες παστερίωσης. Επιστημονικές μελέτες συνέκριναν την επίδραση των υπερήχων ισχύος σε αρνητικά κατά Gram και θετικά κατά Gram βακτήρια και διαπίστωσαν ότι είχαν ισχυρότερη ανασταλτική επίδραση στα αρνητικά κατά Gram βακτήρια. (βλ. Monsen et al. 2009) Τα θετικά κατά Gram βακτήρια απαιτούν εντονότερες συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους, δηλαδή υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, υψηλότερες θερμοκρασίες, υψηλότερες πιέσεις και/ή μεγαλύτερο χρόνο κατεργασίας με υπερήχους. Τα συστήματα υπερήχων ισχύος της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης και μπορούν να λειτουργούν σε αυξημένες θερμοκρασίες και με αντιδραστήρες κυψελίδας ροής που μπορούν να τεθούν υπό πίεση. Αυτό επιτρέπει την έντονη κατεργασία με υπερήχους / θερμική κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση για την αδρανοποίηση ακόμη και πολύ ανθεκτικών βακτηριακών στελεχών.

Αδρανοποίηση θερμοάντοχων βακτηρίων με υπερήχους

Τα θερμοάντοχα βακτήρια είναι βακτήρια που μπορούν να επιβιώσουν, σε διαφορετικό βαθμό, από τη διαδικασία παστερίωσης. Στα θερμοάντοχα βακτήρια περιλαμβάνονται τα Bacillus, Clostridium και οι εντερόκοκκοι. «Ωστόσο, η κατεργασία με υπερήχους σε πλάτος ταλάντωσης 80% για 10 min αδρανοποίησε τα βλαστικά κύτταρα των B. coagulans και A. flavithermus σε αποβουτυρωμένο γάλα κατά 4,53 και 4,26 λογαριθμικές μονάδες, αντίστοιχα. Μια συνδυασμένη επεξεργασία παστερίωσης (63 βαθμοί C/30 min), ακολουθούμενη από κατεργασία με υπερήχους, εξάλειψε πλήρως περίπου log 6 cfu/mL αυτών των κυττάρων σε αποβουτυρωμένο γάλα.» (Khanal et al. 2014)

Εξοπλισμός παστερίωσης με υπερήχους υψηλής απόδοσης

Η Hielscher Ultrasonics διαθέτει μακρόχρονη εμπειρία στην εφαρμογή υπερήχων ισχύος στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών, καθώς και σε πολλούς άλλους βιομηχανικούς κλάδους. Οι επεξεργαστές υπερήχων μας είναι εξοπλισμένοι με ηχοτρόδια και κυψελίδες ροής που καθαρίζονται εύκολα (επιτόπιος καθαρισμός CIP / επιτόπια αποστείρωση SIP) και αποτελούν τα μέρη που έρχονται σε επαφή με το υγρό. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Τα υψηλά πλάτη ταλάντωσης είναι σημαντικά για την αδρανοποίηση πιο ανθεκτικών μικροοργανισμών (π.χ. θετικών κατά Gram βακτηρίων). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις σας. Όλα τα ηχοτρόδια και οι αντιδραστήρες κυψελίδας ροής υπερήχων μπορούν να λειτουργούν σε αυξημένες θερμοκρασίες και πιέσεις, επιτρέποντας αξιόπιστη θερμική κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση και εξαιρετικά αποτελεσματική παστερίωση.
Η τεχνολογία αιχμής, η υψηλή απόδοση και το προηγμένο λογισμικό καθιστούν τον εξοπλισμό της Hielscher Ultrasonics αξιόπιστο στυλοβάτη της γραμμής παστερίωσης τροφίμων σας. Χάρη στον μικρό απαιτούμενο χώρο εγκατάστασης και τις ευέλικτες επιλογές εγκατάστασης, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν ή να προστεθούν εκ των υστέρων σε υπάρχουσες γραμμές παραγωγής.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα χαρακτηριστικά και τις δυνατότητες των συστημάτων παστερίωσης με υπερήχους που διαθέτουμε. Θα χαρούμε να συζητήσουμε μαζί σας την εφαρμογή σας!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: