پاستوریزاسیون فراصوتی مواد غذایی مایع
پاستوریزاسیون فراصوتی فرایندی غیرحرارتی برای استریل‌سازی است که میکروب‌هایی مانند E.coli، Pseudomonas fluorescens، Listeria monocytogenes، Staphylococcus aureus، Bacillus coagulans، Anoxybacillus flavithermus و بسیاری دیگر را غیرفعال می‌کند تا از فساد میکروبی جلوگیری شود و مواد غذایی و نوشیدنی‌ها به پایداری بلندمدت برسند.
پاستوریزاسیون غیرحرارتی مواد غذایی و نوشیدنی‌ها با فراصوت‌دهی
پاستوریزاسیون فراصوتی یک فناوری جایگزین غیرحرارتی است که برای از بین بردن یا غیرفعال‌سازی جانداران و آنزیم‌های دخیل در فساد مواد غذایی به کار می‌رود. از فراصوت‌دهی می‌توان برای پاستوریزه کردن غذاهای کنسروی، شیر، محصولات لبنی، تخم‌مرغ، آب‌میوه‌ها، نوشیدنی‌های کم‌الکل و دیگر مواد غذایی مایع استفاده کرد. فراصوت‌دهی به‌تنهایی و نیز فراصوت همراه با دما و فشار بالا که به فراصوت‌دهی حرارتی–فشاری معروف است، می‌تواند آب‌میوه‌ها، شیر، محصولات لبنی، تخم‌مرغ مایع و دیگر محصولات غذایی را به‌طور مؤثر پاستوریزه کند. فرایند پیشرفتهٔ پاستوریزاسیون فراصوتی بر روش‌های سنتی پاستوریزاسیون برتری دارد، زیرا فراصوت بر محتوای مواد مغذی و ویژگی‌های فیزیکی محصولات غذایی تحت تیمار اثر نامطلوبی نمی‌گذارد. استفاده از فراصوت یا فراصوت‌دهی حرارتی–فشاری برای پاستوریزه کردن محصولات غذایی مایع می‌تواند محصولی سرشار از مواد مغذی و با کیفیت بالاتر از روش سنتی پاستوریزاسیون در دمای بالا و زمان کوتاه (HTST) فراهم کند.
مطالعات پژوهشی، از جمله مطالعهٔ Beslar et al. (2015)، نشان داده‌اند که تیمار فراصوتی می‌تواند مزایای چشمگیری برای فرآوری آب‌میوه‌ها فراهم کند؛ از جمله بهبود عوامل کیفی مانند بازده، استخراج، کدورت، خواص رئولوژیکی و رنگ و همچنین ماندگاری.
پاستوریزاسیون فراصوتی روشی غیرحرارتی برای غیرفعال‌سازی میکروب‌ها در مواد غذایی مایع است. به‌دلیل پایین بودن دمای فرآوری، مواد مغذی و ترکیبات طعم‌دهنده در برابر تجزیهٔ حرارتی محافظت می‌شوند. به‌این‌ترتیب، پاستوریزاسیون فراصوتی به تولید محصولات غذایی باکیفیت می‌انجامد.
منحنی‌های بقای Escherichia coli (a) و Staphylococcus aureus (b) در آب سیب پس از تیمار فراصوتی (UT) در دماهای مختلف و پس از تیمار حرارتی (HT) در همان دماها.
تصویر و مطالعه: Baboli et al. 2015
پاستوریزاسیون فراصوتی چگونه عمل می‌کند؟
غیرفعال‌سازی و از بین بردن میکروب‌ها با فراصوت روشی غیرحرارتی است؛ یعنی سازوکار اصلی عملکرد آن بر گرما استوار نیست. پاستوریزاسیون فراصوتی عمدتاً از اثرات کاویتاسیون آکوستیکی ناشی می‌شود. پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی / فراصوتی به دماها و فشارهای بالای موضعی و اختلاف‌های دما و فشار متناظر با آن‌ها شناخته می‌شود که درون و پیرامون حباب‌های بسیار ریز کاویتاسیون رخ می‌دهند. افزون بر این، کاویتاسیون آکوستیکی نیروهای برشی بسیار شدید، جت‌های مایع و آشفتگی ایجاد می‌کند. این نیروهای تخریب‌کننده آسیب گسترده‌ای به سلول‌های میکروبی وارد می‌کنند، از جمله سوراخ‌شدن سلول و تخریب سلولی. سوراخ‌شدن و تخریب سلولی از اثرات منحصربه‌فرد مشاهده‌شده در سلول‌های تحت تیمار فراصوتی هستند که عمدتاً بر اثر جت‌های مایع تولیدشده توسط کاویتاسیون ایجاد می‌شوند.
پاستوریزاسیون فراصوتی بر کاویتاسیون آکوستیکی و نیروهای برشی هیدرودینامیکی آن استوار است
چرا فراصوت‌دهی بر پاستوریزاسیون سنتی برتری دارد
صنایع غذایی و نوشیدنی به‌طور گسترده از پاستوریزاسیون متداول برای غیرفعال‌سازی یا کشتن میکروب‌هایی مانند باکتری‌ها، مخمرها و قارچ‌ها استفاده می‌کنند تا از فساد میکروبی جلوگیری کرده و ماندگاری و پایداری بیشتری به محصولات خود بدهند. پاستوریزاسیون متداول با تیمار کوتاه‌مدت در دماهای بالا، معمولاً کمتر از 100°C (212°F)، انجام می‌شود. دما و مدت دقیق معمولاً متناسب با محصول غذایی مشخص و میکروب‌هایی که باید غیرفعال شوند تنظیم می‌شود. اثربخشی فرایند پاستوریزاسیون بر اساس میزان غیرفعال‌سازی میکروبی تعیین می‌شود که به‌صورت کاهش لگاریتمی اندازه‌گیری می‌گردد. کاهش لگاریتمی، درصد میکروب‌های غیرفعال‌شده را در دمایی مشخص طی زمانی مشخص اندازه‌گیری می‌کند. شرایط تیمار حرارتی و میزان غیرفعال‌سازی میکروبی تحت تأثیر نوع میکروب‌ها و نیز ترکیب محصول غذایی قرار دارند. پاستوریزاسیون سنتی مبتنی بر گرما معایب متعددی دارد، از غیرفعال‌سازی ناکافی میکروبی و اثرات نامطلوب بر محصول غذایی گرفته تا گرم‌شدن غیریکنواخت در سراسر محصول تحت تیمار. گرمادهی ناکافی ناشی از کوتاه بودن بیش‌ازحد مدت پاستوریزاسیون یا پایین بودن بیش‌ازحد دما، به میزان پایین کاهش لگاریتمی و در پی آن فساد میکروبی منجر می‌شود. تیمار حرارتی بیش‌ازحد می‌تواند باعث افت کیفیت محصول شود؛ برای مثال، طعم‌های نامطلوب سوختگی ایجاد کند و به‌دلیل از بین رفتن مواد مغذی حساس به دما، تراکم مواد مغذی را کاهش دهد.
معایب پاستوریزاسیون متداول
- ممکن است مواد مغذی مهم را از بین ببرد یا به آن‌ها آسیب برساند
- ممکن است طعم‌های نامطلوب ایجاد کند
- نیاز زیاد به انرژی
- در کشتن عوامل بیماری‌زای مقاوم به حرارت مؤثر نیست
- برای همهٔ محصولات غذایی قابل استفاده نیست
دستگاه UIP16000 یک هموژنایزر فراصوتی تمام‌صنعتی برای پاستوریزاسیون درون‌خطی مواد غذایی و نوشیدنی‌ها است.
پاستوریزاسیون فراصوتی محصولات لبنی
فراصوت‌دهی، فراصوت‌دهی حرارتی و فراصوت‌دهی حرارتی–فشاری به‌طور گسترده برای پاستوریزاسیون شیر و محصولات لبنی بررسی شده‌اند. برای نمونه، مشخص شد که فراصوت می‌تواند عوامل فساد و عوامل بالقوهٔ بیماری‌زا را به صفر یا به سطوح قابل‌قبول بر اساس مقررات شیر در آفریقای جنوبی و بریتانیا کاهش دهد، حتی زمانی که بار میکروبی تلقیح‌شدهٔ اولیه پیش از تیمار 5× بیشتر از حد مجاز بود. تعداد سلول‌های زندهٔ E. coli پس از 10٫0 min فراصوت‌دهی به میزان 100% کاهش یافت. همچنین نشان داده شد که تعداد سلول‌های زندهٔ Pseudomonas fluorescens پس از 6٫0 min به میزان 100% و Listeria monocytogenes پس از 10٫0 min به میزان 99% کاهش یافت. (Cameron et al. 2009)
پژوهش‌ها همچنین نشان دادند که فراصوت‌دهی حرارتی می‌تواند Listeria innocua و باکتری‌های مزوفیل را در شیر کامل خام غیرفعال کند. مشخص شد که فراصوت فناوری قابل‌استفاده‌ای برای پاستوریزاسیون و همگن‌سازی شیر است که در مقایسه با تیمار حرارتی متداول، زمان فرآوری کوتاه‌تر، بدون تغییرات مهم در pH و محتوای اسید لاکتیک، و نیز ظاهر و قوام بهتری فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها در بسیاری از جنبه‌های فرآوری محصولات لبنی مزیت به شمار می‌روند. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)
پاستوریزاسیون فراصوتی آب‌میوه‌ها و پوره‌های میوه
پاستوریزاسیون فراصوتی به‌عنوان روشی جایگزین، کارآمد و سریع برای پاستوریزاسیون به‌منظور غیرفعال‌سازی Escherichia coli و Staphylococcus aureus در آب سیب به کار گرفته شد. هنگام فرآوری فراصوتی آب سیب بدون پالپ، زمان لازم برای کاهش 5 لگاریتمی برای E. coli در 60degC برابر با 35 s و برای S. aureus در 62degC برابر با 30 s بود. اگرچه در این مطالعه مشخص شد که محتوای بالای پالپ، اثر کشندگی فراصوت بر S. aureus را کاهش می‌دهد، درحالی‌که تأثیر معناداری بر E. coli ندارد، باید توجه داشت که هیچ فشاری اعمال نشده بود. فراصوت‌دهی تحت فشارهای بالا، کاویتاسیون فراصوتی و در نتیجه غیرفعال‌سازی میکروبی را در مایعات با گرانروی بیشتر به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند. تیمار فراصوتی بر فعالیت آنتی‌اکسیدانی که با سنجش فعالیت مهار رادیکال 2,2-دی‌فنیل-1-پیکریل‌هیدرازیل (DPPH) تعیین شد، تأثیر معناداری نداشت، اما محتوای فنولی کل را به‌طور معناداری افزایش داد. این تیمار همچنین به تولید آب‌میوه‌ای پایدارتر و یکنواخت‌تر منجر شد. (رجوع کنید به Baboli et al. 2020)
غیرفعال‌سازی فراصوتی باکتری‌های گرم‌مثبت و گرم‌منفی
باکتری‌های گرم‌مثبت، مانند Listeria monocytogenes یا Staphylococcus aureus، عموماً مقاوم‌تر از باکتری‌های گرم‌منفی شناخته می‌شوند و به‌دلیل ضخیم‌تر بودن دیواره‌های سلولی، در برابر فناوری‌های پاستوریزاسیون مانند PEF، HPP و فراصوت‌دهی فشاری (MS) برای مدت طولانی‌تری مقاومت می‌کنند. باکتری‌های گرم‌منفی دارای دو غشای سلولی لیپیدی – یکی خارجی و دیگری سیتوپلاسمی – با لایه‌ای نازک از پپتیدوگلیکان میان آن‌ها هستند که آن‌ها را نسبت به غیرفعال‌سازی فراصوتی حساس‌تر می‌کند. در مقابل، باکتری‌های گرم‌مثبت تنها یک غشای لیپیدی با دیوارهٔ پپتیدوگلیکانی ضخیم‌تر دارند که مقاومت بیشتری در برابر تیمارهای پاستوریزاسیون به آن‌ها می‌دهد. بررسی‌های علمی اثر فراصوت پرتوان بر باکتری‌های گرم‌منفی و گرم‌مثبت را مقایسه کرده‌اند و نشان داده‌اند که اثر بازدارندگی آن بر باکتری‌های گرم‌منفی قوی‌تر است. (رجوع کنید به Monsen et al. 2009) باکتری‌های گرم‌مثبت به شرایط فراصوتی شدیدتری نیاز دارند؛ یعنی دامنه‌های بالاتر، دماهای بالاتر، فشارهای بالاتر و/یا زمان طولانی‌تر فراصوت‌دهی. سامانه‌های فراصوت پرتوان Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی فراهم کنند و در دماهای بالا و با راکتورهای سلول جریانِ قابل‌فشارگذاری به کار گرفته شوند. این قابلیت امکان فراصوت‌دهی / فراصوت‌دهی حرارتی–فشاری شدید را برای غیرفعال‌سازی حتی سویه‌های باکتریایی بسیار مقاوم فراهم می‌کند.
غیرفعال‌سازی فراصوتی باکتری‌های مقاوم به حرارت
باکتری‌های مقاوم به حرارت باکتری‌هایی هستند که می‌توانند به درجات مختلف از فرایند پاستوریزاسیون جان سالم به در ببرند. انواع باکتری‌های مقاوم به حرارت شامل Bacillus، Clostridium و Enterococci هستند. «بااین‌حال، فراصوت‌دهی با دامنهٔ 80% به‌مدت 10 min، سلول‌های رویشی B. coagulans و A. flavithermus را در شیر بدون چربی به‌ترتیب به میزان 4٫53 و 4٫26 لگاریتم غیرفعال کرد. تیمار ترکیبی پاستوریزاسیون (63 degrees C/30 min) و پس از آن فراصوت‌دهی، تقریباً log 6 cfu/mL از این سلول‌ها را در شیر بدون چربی به‌طور کامل از بین برد.» (Khanal et al. 2014)
- کارایی بالاتر
- باکتری‌های مقاوم به حرارت را می‌کشد
- بر میکروب‌های گوناگون مؤثر است
- برای انواع مواد غذایی مایع قابل استفاده است
- اثرات هم‌افزایی
- استخراج مواد مغذی
- بهره‌وری بالا در مصرف انرژی
- کاربری آسان و ایمن
- تجهیزات مناسب برای تماس با مواد غذایی
- CIP / SIP
مجموعهٔ فراصوتی UIP4000hdT برای پاستوریزاسیون غیرحرارتی درون‌خطی محصولات غذایی (مانند محصولات لبنی، شیر، آب‌میوه‌ها، تخم‌مرغ مایع و نوشیدنی‌ها)
تجهیزات پاستوریزاسیون فراصوتی با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics تجربه‌ای طولانی در کاربرد فراصوت پرتوان در صنایع غذایی و نوشیدنی و همچنین بسیاری از دیگر شاخه‌های صنعتی دارد. پردازشگرهای فراصوتی ما به سونوتْرودها و سلول‌های جریان (قطعات در تماس با سیال) مجهز هستند که به‌آسانی تمیز می‌شوند (شست‌وشو در محل CIP / استریل‌سازی در محل SIP). پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی فراهم کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. دامنه‌های بالا برای غیرفعال‌سازی میکروب‌های مقاوم‌تر (مانند باکتری‌های گرم‌مثبت) اهمیت دارند. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. همهٔ سونوتْرودها و راکتورهای سلول جریان فراصوتی قابلیت کار در دماها و فشارهای بالا را دارند که امکان فراصوت‌دهی حرارتی–فشاری قابل‌اعتماد و پاستوریزاسیون بسیار مؤثر را فراهم می‌کند.
فناوری روز، عملکرد بالا و نرم‌افزار پیشرفته، تجهیزات Hielscher Ultrasonics را به ابزارهایی پرتلاش و قابل‌اعتماد در خط پاستوریزاسیون مواد غذایی شما تبدیل می‌کنند. سونیکاتورهای Hielscher با اشغال فضای کم و گزینه‌های نصب متنوع، به‌آسانی در خطوط تولید موجود ادغام می‌شوند یا برای ارتقای این خطوط به آن‌ها افزوده می‌شوند.
برای آگاهی بیشتر از ویژگی‌ها و قابلیت‌های سامانه‌های پاستوریزاسیون فراصوتی ما، همین حالا با ما تماس بگیرید. خوشحال می‌شویم دربارهٔ کاربرد موردنظر شما گفت‌وگو کنیم!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فرآوری سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس‌های آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع / مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
باکتری‌های مزوفیل چیستند؟
باکتری‌های مزوفیل به گروهی از باکتری‌ها گفته می‌شود که در دماهای متوسط بین 20 °C و 45 °C رشد می‌کنند و دمای بهینهٔ رشد آن‌ها در محدودهٔ 30–39 °C قرار دارد. از نمونه‌های باکتری‌های مزوفیل می‌توان به E. coli، Propionibacterium freudenreichii، P. acidipropionici، P. jensenii، P. thoenii، P. cyclohexanicum، P. microaerophilum، Lactobacillus plantarum و بسیاری دیگر اشاره کرد.
باکتری‌هایی که دماهای بالاتر را ترجیح می‌دهند، گرمادوست نامیده می‌شوند. باکتری‌های گرمادوست در دماهای بالاتر از 30°C بهترین عملکرد تخمیری را دارند.