Vedelate toiduainete ultraheli pastöriseerimine
Ultraheli pastöriseerimine on mittetermiline steriliseerimisprotsess mikroobide, nagu E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus ja paljude teiste inaktiveerimiseks, et vältida mikroobset riknemist ning saavutada toidu ja jookide pikaajaline stabiilsus.
Toidu ja jookide mittetermiline pastöriseerimine ultraheli töötlusega (sonikeerimisega)
Ultraheli pastöriseerimine on mittetermiline alternatiivne tehnoloogia, mida kasutatakse toidu riknemisele kaasaaitavate organismide ja ensüümide hävitamiseks või inaktiveerimiseks. Ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) saab pastöriseerida konserve, piima, piimatooteid, mune, mahlu, väikese alkoholisisaldusega jooke ja muid vedelaid toiduaineid. Ultraheli töötlus üksi, samuti ultraheli koos kõrgendatud temperatuuri ja rõhuga (tuntud kui termo-mano-sonikeerimine) võib tõhusalt pastöriseerida mahlu, piima, piimatooteid, vedelaid mune ja muid toiduaineid. Täiustatud ultraheli pastöriseerimine ületab traditsioonilisi pastöriseerimismeetodeid, kuna ultraheli ei mõjuta kahjulikult töödeldud toiduainete toitainesisaldust ega füüsikalisi omadusi. Ultraheli või termo-mano-sonikeerimise kasutamine vedelate toiduainete pastöriseerimiseks võib anda toitaineterikka toote, mille kvaliteet on kõrgem kui traditsioonilisel lühiajalisel kõrgtemperatuurilisel (HTST) pastöriseerimisel.
Uurimused, näiteks Beslar et al. (2015), leidsid, et ultraheli töötlus võib pakkuda olulisi eeliseid mahlade töötlemisel, sealhulgas paremaid kvaliteedinäitajaid, nagu saagis, ekstraktsioon, hägusus, reoloogilised omadused ja värvus, ning pikemat säilivusaega.
Ultraheli pastöriseerimine on mittetermiline meetod mikroobide inaktiveerimiseks vedelas toidus. Madala töötlemistemperatuuri tõttu kaitstakse toitaineid ja maitseaineid termilise lagunemise eest. Seeläbi annab ultraheli pastöriseerimine kvaliteetseid toidutooteid.
Escherichia coli (a) ja Staphylococcus aureus’e (b) ellujäämiskõverad õunamahlas pärast ultraheli töötlust (UT) erinevatel temperatuuridel ja pärast kuumtöötlust (HT) samadel temperatuuridel.
pilt ja uuring: Baboli et al. 2015
Kuidas ultraheli pastöriseerimine toimib?
Mikroobide ultrahelitöötlusel põhinev inaktiveerimine ja hävitamine on mittetermiline meetod, mis tähendab, et selle peamine toimimispõhimõte ei põhine kuumusel. Ultraheli pastöriseerimine tuleneb peamiselt akustilise kavitatsiooni mõjudest. Akustilise / ultraheli kavitatsiooni nähtus on tuntud kohalikult kõrgete temperatuuride, rõhkude ja vastavate erinevuste poolest, mis esinevad pisikeste kavitatsioonimullide sees ja ümber. Lisaks tekitab akustiline kavitatsioon väga intensiivseid nihkejõude, vedelikujuge ja turbulentsi. Need hävitavad jõud põhjustavad mikroobirakkudele ulatuslikke kahjustusi, näiteks rakkude perforatsiooni ja lõhkumist. Rakkude perforatsioon ja lõhkumine on ultraheliga töödeldud rakkudel esinevad ainulaadsed mõjud, mida põhjustavad peamiselt kavitatsiooni tekitatud vedelikujoad.
Ultraheli pastöriseerimine põhineb akustilisel kavitatsioonil ja selle hüdrodünaamilistel nihkejõududel
Miks ultraheli töötlus ületab traditsioonilist pastöriseerimist
Toiduaine- ja joogitööstus kasutab tavapärast pastöriseerimist laialdaselt, et inaktiveerida või hävitada mikroobe, näiteks baktereid, pärmseeni ja seeni, et vältida mikrobioloogilist riknemist ning anda oma toodetele pikem säilivusaeg ja stabiilsus. Tavapärane pastöriseerimine toimib lühiajalise töötlusena kõrgendatud temperatuuril, mis on tavaliselt alla 100 °C (212 °F). Täpne temperatuur ja kestus kohandatakse tavaliselt vastavalt konkreetsele toidutootele ja mikroobidele, mis tuleb inaktiveerida. Pastöriseerimisprotsessi tõhusust määrab mikroobide inaktiveerimise määr, mida mõõdetakse logaritmilise vähenemisena. Logaritmiline vähenemine mõõdab inaktiveeritud mikroobide protsenti kindlal temperatuuril kindla aja jooksul. Temperatuuritöötluse tingimusi ja mikroobide inaktiveerimise määra mõjutavad nii mikroobide liik kui ka toidutoote koostis. Traditsioonilisel kuumutamisel põhineval pastöriseerimisel on mitu puudust, alates ebapiisavast mikroobide inaktiveerimisest kuni negatiivse mõjuni toidutootele ning töödeldava toote ebaühtlase kuumenemiseni. Ebapiisav kuumutamine liiga lühikese pastöriseerimisaja või liiga madala temperatuuri tõttu annab madala logaritmilise vähenemise määra ja sellele järgneva mikrobioloogilise riknemise. Liiga ulatuslik kuumtöötlus võib põhjustada toote halvenemist, näiteks kõrbenud kõrvalmaitseid, ning toitainete väiksemat sisaldust temperatuuritundlike toitainete hävimise tõttu.
Tavapärase pastöriseerimise puudused
- võib hävitada või kahjustada olulisi toitaineid
- võib tekitada kõrvalmaitseid
- suur energiavajadus
- ebatõhus kuumakindlate patogeenide hävitamisel
- ei sobi igale toidutootele
UIP16000 on täistööstuslik ultraheli homogenisaator toidu ja jookide inline-pastöriseerimiseks.
Piima- ja piimatoodete ultraheli pastöriseerimine
Sonikeerimist, termosonikeerimist ja termo-mano-sonikeerimist on piima ja piimatoodete pastöriseerimiseks laialdaselt uuritud. Näiteks leiti, et ultraheli kõrvaldas riknemist põhjustavad mikroobid ja potentsiaalsed patogeenid nullini või tasemeteni, mis on vastuvõetavad Lõuna-Aafrika ja Briti piimaseadusandluse kohaselt, isegi kui enne töötlust oli algne inokulaadi kogus 5× suurem lubatust. E. coli elusrakkude arv vähenes 100% pärast 10,0 min ultraheli töötlust. Lisaks näidati, et Pseudomonas fluorescens’i elusrakkude arv vähenes 100% pärast 6,0 min ja Listeria monocytogenes’e arv vähenes 99% pärast 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Uuringud näitasid ka, et termosonikeerimine võib inaktiveerida Listeria innocua’t ja mesofiilseid baktereid toores täispiimas. Ultraheli osutus sobivaks tehnoloogiaks piima pastöriseerimiseks ja homogeniseerimiseks, tagades lühema töötlusaja ilma olulise muutuseta pH-s ja piimhappe sisalduses ning parema välimuse ja konsistentsi võrreldes tavapärase termilise töötlusega. Need asjaolud on kasulikud paljudes piimatöötluse aspektides. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)
Mahlade ja puuviljapüreede ultraheli pastöriseerimine
Ultraheli pastöriseerimist rakendati tõhusa ja kiire alternatiivse pastöriseerimismeetodina, et inaktiveerida Escherichia coli ja Staphylococcus aureus õunamahlas. Kui viljalihavaba õunamahla töödeldi ultraheliga, oli 5-logaritmilise vähenemise aeg E. coli puhul 35 s temperatuuril 60degC ja S. aureus’e puhul 30 s temperatuuril 62degC. Kuigi uuringus leiti, et kõrge viljalihasisaldus muutis ultraheli S. aureus’e suhtes vähem letaalseks, samas kui sellel polnud E. coli’le olulist mõju, tuleb märkida, et rõhku ei rakendatud. Sonikeerimine kõrgendatud rõhul tugevdab oluliselt ultraheli kavitatsiooni ja seeläbi mikroobide inaktiveerimist viskoossemates vedelikes. Ultraheli töötlusel polnud olulist mõju antioksüdantsele aktiivsusele, mis määrati 2,2-difenüül-1-pikrüülhüdrasüül (DPPH) radikaali püüdmise aktiivsuse kaudu, kuid see suurendas oluliselt fenoolide üldsisaldust. Töötlus andis tulemuseks ka stabiilsema ja ühtlasema mahla. (vrd Baboli et al. 2020)
Grampositiivsete ja gramnegatiivsete bakterite ultraheliga inaktiveerimine
Grampositiivsed bakterid, nagu Listeria monocytogenes või Staphylococcus aureus, on üldiselt teadaolevalt vastupidavamad kui gramnegatiivsed bakterid ning peavad paksemate rakuseinte tõttu pikema töötlusaja jooksul vastu selistele pastöriseerimistehnoloogiatele nagu PEF, HPP ja manosonikeerimine (MS). Gramnegatiivsetel bakteritel on kaks – üks välimine ja üks tsütoplasmaatiline – lipiidset rakumembraani, mille vahel on õhuke peptidoglükaanikiht, mis muudab need ultraheliga inaktiveerimisele vastuvõtlikumaks. Grampositiivsetel bakteritel on seevastu ainult üks lipiidne membraan ja paksem peptidoglükaanist sein, mis annab neile suurema vastupidavuse pastöriseerimistöötlustele. Teaduslikes uuringutes võrreldi võimsusultraheli mõju gramnegatiivsetele ja grampositiivsetele bakteritele ning leiti, et sellel oli gramnegatiivsetele bakteritele tugevam inhibeeriv toime. (vrd Monsen et al. 2009) Grampositiivsed bakterid vajavad intensiivsemaid ultraheli tingimusi, st suuremaid amplituude, kõrgemaid temperatuure, kõrgemaid rõhke ja/või pikemat ultraheli töötluse aega. Hielscher Ultrasonicsi võimsusultraheli süsteemid suudavad tagada väga suuri amplituude ning neid saab kasutada kõrgendatud temperatuuridel ja rõhustatavate läbivoolukambriga reaktoritega. See võimaldab intensiivset sonikeerimist / termo-mano-sonikeerimist, et inaktiveerida isegi väga vastupidavaid bakteritüvesid.
Termoduriliste bakterite ultraheliga inaktiveerimine
Termodurilised bakterid on bakterid, mis suudavad pastöriseerimisprotsessi erineval määral üle elada. Termoduriliste bakteriliikide hulka kuuluvad Bacillus, Clostridium ja Enterococci. „Ultraheli töötlus 80% amplituudil 10 min jooksul inaktiveeris siiski B. coagulans’i ja A. flavithermus’e vegetatiivsed rakud lõssis vastavalt 4,53 ja 4,26 logaritmilise astme võrra. Kombineeritud töötlus, mis koosnes pastöriseerimisest (63 kraadi C/30 min) ja sellele järgnevast ultraheli töötlusest, kõrvaldas täielikult ligikaudu log 6 cfu/mL neid rakke lõssis.” (Khanal et al. 2014)
- Suurem tõhusus
- Hävitab termoduriliste bakterid
- Tõhus mitmesuguste mikroobide vastu
- Rakendatav mitmesugustele vedelatele toiduainetele
- Sünergilised efektid
- Toitainete ekstraheerimine
- Energiatõhus
- Lihtne ja ohutu kasutada
- Toiduainetööstuse nõuetele vastav varustus
- CIP / SIP
Ultraheliseadmestik UIP4000hdT toiduainete (nt piimatoodete, piima, mahlade, vedela muna, jookide) mittetermiliseks liinisiseseks pastöriseerimiseks
Suure jõudlusega ultraheli pastöriseerimisseadmed
Hielscher Ultrasonicsil on pikaajaline kogemus võimsusultraheli rakendamisel toidu- ja joogitööstuses ning paljudes teistes tööstusharudes. Meie ultraheliprotsessorid on varustatud kergesti puhastatavate (kohapealne puhastus CIP / kohapealne steriliseerimine SIP) sonotroodide ja läbivoolukambritega (kokkupuutuvad osad). Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad tagada väga suuri amplituude. Amplituude kuni 200µm saab hõlpsasti pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Suured amplituudid on olulised vastupidavamate mikroobide (nt grampositiivsete bakterite) inaktiveerimiseks. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Kõiki sonotroode ja ultraheli läbivoolukambriga reaktoreid saab kasutada kõrgendatud temperatuuridel ja rõhkudel, mis võimaldab usaldusväärset termo-mano-sonikeerimist ja väga tõhusat pastöriseerimist.
Tipptasemel tehnoloogia, kõrge jõudlus ja arenenud tarkvara teevad Hielscher Ultrasonicsi seadmetest usaldusväärsed tööhobused teie toidu pastöriseerimisliinil. Väikese põrandapinna ja mitmekülgsete paigaldusvõimaluste tõttu saab Hielscheri sonikaatoreid hõlpsasti integreerida olemasolevatesse tootmisliinidesse või neid sinna järelpaigaldada.
Palun võtke meiega kohe ühendust, et saada lisateavet meie ultraheli pastöriseerimissüsteemide omaduste ja võimaluste kohta. Arutame teiega hea meelega teie rakendust!
Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20 L | 0,2 kuni 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 L | 2 kuni 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / viited
- S.Z. Salleh-Mack, J.S. Roberts (2007): Ultrasound pasteurization: The effects of temperature, soluble solids, organic acids and pH on the inactivation of Escherichia coli ATCC 25922. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 3, 2007. 323-329.
- Bermúdez-Aguirre, Daniela; Corradini, Maria G.; Mawson, Raymond; Barbosa-Cánovas, Gustavo V. (2009): Modeling the inactivation of Listeria innocua in raw whole milk treated under thermo-sonication. Innovative Food Science and Emerging Technologies 10, 2009. 172–178.
- Michelle Cameron, Lynn D. Mcmaster, Trevor J. Britz (2009): Impact of ultrasound on dairy spoilage microbes and milk components. Dairy Science & Technology, EDP sciences/Springer, 2009, 89 (1), pp.83-98.
- Som Nath Khanal; Sanjeev Anand; Kasiviswanathan Muthukumarappan; MeganHuegli (2014): Inactivation of thermoduric aerobic sporeformers in milk by ultrasonication. Food Control 37(1), 2014. 232-239.
- Balasubramanian Ganesan; Silvana Martini; Jonathan Solorio; Marie K. Wals (2015): Determining the Effects of High Intensity Ultrasound on the Reduction of Microbes in Milk and Orange Juice Using Response Surface Methodology. International Journal of Food Science Volume 2015.
- Baboli, Z.M.; Williams, L.; Chen, G. (2020): Rapid Pasteurization of Apple Juice Using a New Ultrasonic Reactor. Foods 2020, 9, 801.
- Mehmet Başlar, Hatice Biranger Yildirim, Zeynep Hazal Tekin, Mustafa Fatih Ertugay (2015): Ultrasonic Applications for Juice Making. In: M. Ashokkumar (ed.), Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, Springer Science+Business Media Singapore 2015.
- T. Monsen, E. Lövgren, M. Widerström, L. Wallinder (2009): In vitro effect of ultrasound on bacteria and suggested protocol for sonication and diagnosis of prosthetic infections. Journal of Clinical Microbiology 47 (8), 2009. 2496–2501.
Teadmist väärt faktid
Mis on mesofiilsed bakterid?
Mesofiilsed bakterid on bakterite rühm, mis kasvab mõõdukatel temperatuuridel vahemikus 20 °C kuni 45 °C ning mille optimaalne kasvutemperatuur on vahemikus 30–39 °C. Mesofiilsete bakterite näited: E. coli, Propionibacterium freudenreichii, P. acidipropionici, P. jensenii, P. thoenii, P. cyclohexanicum, P. microaerophilum, Lactobacillus plantarum ja paljud teised.
Bakterid, mis eelistavad kõrgemaid temperatuure, on tuntud termofiilsetena. Termofiilsed bakterid kääritavad kõige paremini temperatuuril üle 30°C.