Pasteurización ultrasónica de alimentos líquidos

La pasteurización ultrasónica es un proceso de esterilización no térmico que inactiva microorganismos como E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans y Anoxybacillus flavithermus, entre muchos otros, para prevenir el deterioro microbiano y lograr una estabilidad a largo plazo de los alimentos y las bebidas.

Pasteurización no térmica de alimentos y bebidas mediante sonicación

La pasteurización ultrasónica es una tecnología alternativa no térmica que se utiliza para destruir o desactivar organismos y enzimas que contribuyen al deterioro de los alimentos. La ultrasonicación puede utilizarse para pasteurizar alimentos en conserva, leche, productos lácteos, huevos, zumos, bebidas con bajo contenido de alcohol y otros alimentos líquidos. Tanto la ultrasonicación por sí sola como los ultrasonidos combinados con condiciones de temperatura y presión elevadas –lo que se conoce como termosonicación bajo presión– permiten pasteurizar eficazmente zumos, leche, productos lácteos, huevo líquido y otros productos alimentarios. Un tratamiento sofisticado de pasteurización ultrasónica supera a las técnicas tradicionales de pasteurización, ya que los ultrasonidos no afectan negativamente al contenido de nutrientes ni a las características físicas de los productos alimentarios tratados. El uso de ultrasonidos o de termosonicación bajo presión para pasteurizar productos alimentarios líquidos puede proporcionar un producto rico en nutrientes y de mayor calidad que el obtenido mediante el método tradicional de pasteurización a alta temperatura durante un tiempo breve (HTST).
Estudios de investigación como el de Beslar et al. (2015) observaron que el tratamiento ultrasónico puede ofrecer ventajas significativas para el procesamiento de zumos, entre ellas la mejora de factores de calidad como el rendimiento, la extracción, la turbidez, las propiedades reológicas y el color, así como de la vida útil.

Curvas de supervivencia de Escherichia coli (a) y Staphylococcus aureus (b) en zumo de manzana tras el tratamiento con ultrasonidos (UT) a distintas temperaturas y tras el tratamiento térmico (HT) a las mismas temperaturas.
Imagen y estudio: Baboli et al. 2015

¿Cómo funciona la pasteurización ultrasónica?

La inactivación y destrucción de microorganismos mediante ultrasonidos es una técnica no térmica, lo que significa que su principal mecanismo de acción no se basa en el calor. La pasteurización ultrasónica se produce principalmente por los efectos de la cavitación acústica. El fenómeno de la cavitación acústica / ultrasónica se caracteriza por las altas temperaturas y presiones locales, así como por sus respectivos diferenciales, que se producen dentro y alrededor de las diminutas burbujas de cavitación. Además, la cavitación acústica genera fuerzas de cizallamiento muy intensas, chorros de líquido y turbulencias. Estas fuerzas destructivas provocan daños extensos en las células microbianas, como la perforación y la ruptura celular. La perforación y la ruptura celular son efectos singulares observados en las células tratadas con ultrasonidos, causados principalmente por los chorros de líquido generados por la cavitación.

La pasteurización ultrasónica se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas

Por qué la sonicación supera a la pasteurización tradicional

La industria alimentaria y de bebidas utiliza ampliamente la pasteurización convencional para inactivar o eliminar microorganismos como bacterias, levaduras y hongos, con el fin de prevenir el deterioro microbiano y prolongar la vida útil y la estabilidad de sus productos. La pasteurización convencional consiste en un tratamiento breve a temperaturas elevadas, normalmente inferiores a 100 °C (212 °F). La temperatura y la duración exactas suelen ajustarse al producto alimentario específico y a los microorganismos que deben inactivarse. La eficacia de un proceso de pasteurización se determina mediante la tasa de inactivación microbiana, que se mide como reducción logarítmica. La reducción logarítmica mide el porcentaje de microorganismos inactivados a una temperatura específica durante un tiempo determinado. Tanto el tipo de microorganismos como la composición del producto alimentario influyen en las condiciones del tratamiento térmico y en la tasa de inactivación microbiana. La pasteurización tradicional basada en el calor presenta varias desventajas, como una inactivación microbiana insuficiente, efectos negativos sobre el producto alimentario y un calentamiento desigual en el conjunto del producto tratado. Un calentamiento insuficiente debido a una duración demasiado breve de la pasteurización o a una temperatura demasiado baja da lugar a una baja reducción logarítmica y al posterior deterioro microbiano. Un tratamiento térmico excesivo puede provocar el deterioro del producto, por ejemplo, sabores indeseados a quemado y una menor densidad nutricional debido a la destrucción de nutrientes sensibles a la temperatura.

Desventajas de la pasteurización convencional

• puede destruir o dañar nutrientes importantes
• puede provocar sabores indeseados
• altos requisitos energéticos
• ineficaz para eliminar patógenos resistentes al calor
• no es aplicable a todos los productos alimentarios

Pasteurización ultrasónica de productos lácteos

La sonicación, la termosonicación y la termosonicación bajo presión se han investigado ampliamente para la pasteurización de leche y productos lácteos. Por ejemplo, se comprobó que los ultrasonidos eliminaban los microorganismos causantes del deterioro y los posibles patógenos hasta reducirlos a cero o a niveles aceptables según la legislación sudafricana y británica sobre la leche, incluso cuando, antes del tratamiento, las cargas iniciales del inóculo eran 5× superiores a las permitidas. Los recuentos de células viables de E. coli se redujeron en un 100% tras 10,0 min de ultrasonicación. Además, se demostró que los recuentos viables de Pseudomonas fluorescens se redujeron en un 100% tras 6,0 min, y los de Listeria monocytogenes, en un 99% tras 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
La investigación también demostró que la termosonicación puede inactivar Listeria innocua y bacterias mesófilas en leche entera cruda. Se comprobó que los ultrasonidos eran una tecnología viable para la pasteurización y homogeneización de la leche, con tiempos de procesamiento más cortos, sin cambios importantes en el pH ni en el contenido de ácido láctico, y con un mejor aspecto y consistencia en comparación con el tratamiento térmico convencional. Estos resultados son ventajosos en muchos aspectos del procesamiento de productos lácteos. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurización ultrasónica de zumos y purés de frutas

La pasteurización ultrasónica se aplicó como una técnica alternativa de pasteurización eficaz y rápida para inactivar Escherichia coli y Staphylococcus aureus en zumo de manzana. Cuando se procesó con ultrasonidos el zumo de manzana sin pulpa, el tiempo necesario para una reducción de 5 log fue de 35 s para E. coli a 60degC y de 30 s para S. aureus a 62degC. Aunque el estudio observó que un alto contenido de pulpa hacía que los ultrasonidos fueran menos letales para S. aureus, mientras que no tenía un efecto significativo sobre E. coli, cabe señalar que no se aplicó presión. La sonicación a presiones elevadas intensifica significativamente la cavitación ultrasónica y, con ello, la inactivación microbiana en líquidos más viscosos. El tratamiento con ultrasonidos no tuvo un efecto significativo sobre la actividad antioxidante, determinada mediante la capacidad de captación del radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazil (DPPH), pero aumentó significativamente el contenido fenólico total. El tratamiento también dio lugar a un zumo más estable y uniforme. (cf. Baboli et al. 2020)

Inactivación ultrasónica de bacterias grampositivas y gramnegativas

En general, se sabe que las bacterias grampositivas, como Listeria monocytogenes o Staphylococcus aureus, son más resistentes que las bacterias gramnegativas y soportan tecnologías de pasteurización como PEF, HPP y la sonicación bajo presión (MS) durante periodos de tratamiento más largos debido al mayor grosor de sus paredes celulares. Las bacterias gramnegativas tienen dos membranas celulares lipídicas –una externa y otra citoplasmática– con una fina capa de peptidoglicano entre ellas, lo que las hace más susceptibles a la inactivación ultrasónica. Por otro lado, las bacterias grampositivas tienen una sola membrana lipídica con una pared de peptidoglicano más gruesa, lo que les confiere una mayor resistencia a los tratamientos de pasteurización. Las investigaciones científicas compararon el efecto de los ultrasonidos de potencia sobre bacterias gramnegativas y grampositivas y observaron un mayor efecto inhibidor sobre las bacterias gramnegativas. (cf. Monsen et al. 2009) Las bacterias grampositivas requieren condiciones de ultrasonidos más intensas, es decir, amplitudes, temperaturas y presiones más altas y/o tiempos de sonicación más largos. Los sistemas de ultrasonidos de potencia de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas y funcionar a temperaturas elevadas y con reactores de celda de flujo presurizables. Esto permite una sonicación / termosonicación bajo presión intensa para inactivar incluso cepas bacterianas muy resistentes.

Inactivación ultrasónica de bacterias termodúricas

Las bacterias termodúricas son bacterias que pueden sobrevivir, en distinta medida, al proceso de pasteurización. Entre las bacterias termodúricas se encuentran Bacillus, Clostridium y Enterococci. «Sin embargo, la ultrasonicación a una amplitud del 80% durante 10 min inactivó las células vegetativas de B. coagulans y A. flavithermus en leche desnatada, con reducciones de 4,53 y 4,26 log, respectivamente. Un tratamiento combinado de pasteurización (63 grados C/30 min) seguido de ultrasonicación eliminó por completo aproximadamente log 6 cfu/mL de estas células en leche desnatada». (Khanal et al. 2014)

Equipos de pasteurización ultrasónica de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics cuenta con una amplia experiencia en la aplicación de ultrasonidos de potencia en la industria alimentaria y de bebidas, así como en muchos otros sectores industriales. Nuestros procesadores ultrasónicos están equipados con sonotrodos y celdas de flujo –las partes en contacto con el líquido– fáciles de limpiar (limpieza in situ CIP / esterilización in situ SIP). Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas. Es posible mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Las amplitudes altas son importantes para inactivar los microorganismos más resistentes (p. ej., las bacterias grampositivas). Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. Todos los sonotrodos y reactores ultrasónicos de celda de flujo pueden funcionar a temperaturas y presiones elevadas, lo que permite una termosonicación bajo presión fiable y una pasteurización muy eficaz.
La tecnología de vanguardia, el alto rendimiento y un software sofisticado convierten a los equipos de Hielscher Ultrasonics en herramientas de trabajo fiables para su línea de pasteurización de alimentos. Gracias a su reducido espacio de instalación y a sus versátiles opciones de montaje, los sonicadores Hielscher pueden integrarse o incorporarse fácilmente a líneas de producción existentes.
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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: