Nestemäisten elintarvikkeiden ultraäänipastörointi

Ultraäänipastörointi on ei-terminen sterilointiprosessi, jolla inaktivoidaan muun muassa E.coli-, Pseudomonas fluorescens-, Listeria monocytogenes-, Staphylococcus aureus-, Bacillus coagulans- ja Anoxybacillus flavithermus -mikrobeja mikrobien aiheuttaman pilaantumisen estämiseksi ja elintarvikkeiden ja juomien pitkäaikaisen stabiilisuuden saavuttamiseksi.

Elintarvikkeiden ja juomien ei-terminen pastörointi ultraäänikäsittelyllä

Ultraäänipastörointi on vaihtoehtoinen ei-terminen tekniikka, jolla tuhotaan tai inaktivoidaan elintarvikkeiden pilaantumiseen vaikuttavia eliöitä ja entsyymejä. Ultraäänikäsittelyllä voidaan pastöroida säilykkeitä, maitoa, maitotuotteita, kananmunia, mehuja, vähän alkoholia sisältäviä juomia ja muita nestemäisiä elintarvikkeita. Ultraäänikäsittely yksinään sekä ultraääni yhdistettynä kohotettuun lämpötilaan ja paineeseen (tunnetaan nimellä termo-mano-ultraäänikäsittely) voivat pastöroida tehokkaasti mehuja, maitoa, maitotuotteita, nestemäisiä munatuotteita ja muita elintarvikkeita. Kehittynyt ultraäänipastörointikäsittely on perinteisiä pastörointitekniikoita parempi, sillä ultraääni ei vaikuta haitallisesti käsiteltyjen elintarvikkeiden ravintoainepitoisuuteen eikä fysikaalisiin ominaisuuksiin. Ultraäänen tai termo-mano-ultraäänikäsittelyn käyttäminen nestemäisten elintarvikkeiden pastörointiin voi tuottaa ravintoainerikkaan tuotteen, jonka laatu on parempi kuin perinteisellä korkean lämpötilan lyhytaikaisella pastörointimenetelmällä (HTST) tuotetun tuotteen.
Esimerkiksi Beslar et al. (2015) havaitsivat tutkimuksessaan, että ultraäänikäsittely voi tarjota merkittäviä etuja mehujen käsittelyssä. Näitä ovat laadullisten tekijöiden, kuten saannon, uuton, sameuden, reologisten ominaisuuksien ja värin, sekä säilyvyysajan paraneminen.

Escherichia coli (a)- ja Staphylococcus aureus (b) -bakteerien eloonjäämiskäyrät omenamehussa eri lämpötiloissa suoritetun ultraäänikäsittelyn (UT) ja samoissa lämpötiloissa suoritetun lämpökäsittelyn (HT) jälkeen.
kuva ja tutkimus: Baboli et al. 2015

Miten ultraäänipastörointi toimii?

Mikrobien inaktivointi ja tuhoaminen ultraäänellä on ei-terminen tekniikka, joten sen pääasiallinen toimintaperiaate ei perustu lämpöön. Ultraäänipastörointi perustuu pääasiassa akustisen kavitaation vaikutuksiin. Akustinen eli ultraäänikavitaatio tunnetaan paikallisesti korkeista lämpötiloista ja paineista sekä vastaavista lämpötila- ja paine-eroista, joita esiintyy pienten kavitaatiokuplien sisällä ja ympärillä. Lisäksi akustinen kavitaatio synnyttää erittäin voimakkaita leikkausvoimia, nestesuihkuja ja turbulenssia. Nämä tuhoavat voimat aiheuttavat mikrobisoluille laajoja vaurioita, kuten solujen perforaatiota ja hajotusta. Solujen perforaatio ja hajotus ovat ultraäänikäsitellyissä soluissa havaittavia ainutlaatuisia vaikutuksia, jotka johtuvat pääasiassa kavitaation synnyttämistä nestesuihkuista.

Ultraäänipastörointi perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin

Miksi ultraäänikäsittely on perinteistä pastörointia parempi

Elintarvike- ja juomateollisuus käyttää laajalti tavanomaista pastörointia mikrobien, kuten bakteerien, hiivojen ja sienten, inaktivointiin tai tappamiseen mikrobien aiheuttaman pilaantumisen estämiseksi sekä tuotteiden säilyvyysajan ja stabiilisuuden parantamiseksi. Tavanomainen pastörointi perustuu lyhyeen käsittelyyn kohotetussa lämpötilassa, joka on yleensä alle 100°C (212°F). Tarkka lämpötila ja käsittelyaika sovitetaan tavallisesti kyseisen elintarvikkeen ja inaktivoitavien mikrobien mukaan. Pastörointiprosessin tehokkuus määräytyy mikrobien inaktivointiasteen perusteella, jota mitataan logaritmisena vähenemänä. Logaritminen vähenemä mittaa tietyssä lämpötilassa tietyn ajan kuluessa inaktivoitujen mikrobien prosenttiosuutta. Lämpökäsittelyn olosuhteisiin ja mikrobien inaktivointiasteeseen vaikuttavat sekä mikrobien tyyppi että elintarvikkeen koostumus. Perinteisellä lämpöön perustuvalla pastöroinnilla on useita haittoja, kuten riittämätön mikrobien inaktivointi, haitalliset vaikutukset elintarvikkeeseen ja käsiteltävän tuotteen epätasainen lämpeneminen. Liian lyhyestä pastörointiajasta tai liian alhaisesta lämpötilasta johtuva riittämätön kuumennus aiheuttaa vähäisen logaritmisen vähenemän ja sitä seuraavan mikrobien aiheuttaman pilaantumisen. Liiallinen lämpökäsittely voi heikentää tuotteen laatua esimerkiksi aiheuttamalla palaneita sivumakuja ja alentamalla ravintoainetiheyttä lämpöherkkien ravintoaineiden tuhoutumisen vuoksi.

Tavanomaisen pastöroinnin haitat

• voi tuhota tai vaurioittaa tärkeitä ravintoaineita
• voi aiheuttaa sivumakuja
• suuri energiantarve
• tehoton lämpöä kestävien taudinaiheuttajien tappamisessa
• ei sovellu kaikkiin elintarvikkeisiin

Maitotuotteiden ultraäänipastörointi

Ultraäänikäsittelyä, termo-ultraäänikäsittelyä ja termo-mano-ultraäänikäsittelyä on tutkittu laajasti maidon ja maitotuotteiden pastöroinnissa. Esimerkiksi ultraäänen havaittiin poistavan pilaantumista aiheuttavat mikrobit ja mahdolliset taudinaiheuttajat kokonaan tai vähentävän niiden määrän Etelä-Afrikan ja Britannian maitoa koskevan lainsäädännön hyväksymälle tasolle, vaikka alkuperäinen mikrobikuormitus ennen käsittelyä oli 5× suurempi kuin sallittu. Elinkykyisten E. coli -solujen määrä väheni 100% 10,0 min kestäneen ultraäänikäsittelyn jälkeen. Lisäksi osoitettiin, että elinkykyisten Pseudomonas fluorescens -solujen määrä väheni 100% 6,0 min jälkeen ja Listeria monocytogenes -solujen määrä väheni 99% 10,0 min jälkeen. (Cameron et al. 2009)
Tutkimukset osoittivat myös, että termo-ultraäänikäsittely voi inaktivoida Listeria innocua -bakteereja ja mesofiilisiä bakteereja raa’assa täysmaidossa. Ultraäänen osoitettiin olevan käyttökelpoinen tekniikka maidon pastörointiin ja homogenointiin: käsittelyajat olivat lyhyempiä ilman merkittäviä muutoksia pH:ssa tai maitohappopitoisuudessa, ja ulkonäkö ja koostumus olivat parempia kuin tavanomaisessa lämpökäsittelyssä. Nämä seikat ovat eduksi monissa maitotuotteiden käsittelyn vaiheissa. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Mehujen ja hedelmäsoseiden ultraäänipastörointi

Ultraäänipastörointia käytettiin tehokkaana ja nopeana vaihtoehtoisena pastörointitekniikkana Escherichia coli- ja Staphylococcus aureus -bakteerien inaktivointiin omenamehussa. Kun hedelmälihaa sisältämätöntä omenamehua käsiteltiin ultraäänellä, 5 logaritmiyksikön vähenemään tarvittava aika oli E. coli -bakteerilla 35 s lämpötilassa 60degC ja S. aureus -bakteerilla 30 s lämpötilassa 62degC. Vaikka tutkimuksessa havaittiin, että suuri hedelmälihapitoisuus vähensi ultraäänen tappavaa vaikutusta S. aureus -bakteeriin, mutta sillä ei ollut merkittävää vaikutusta E. coli -bakteeriin, on huomattava, ettei käsittelyssä käytetty painetta. Ultraäänikäsittely kohotetussa paineessa voimistaa merkittävästi ultraäänikavitaatiota ja siten mikrobien inaktivointia viskoosisemmissa nesteissä. Ultraäänikäsittelyllä ei ollut merkittävää vaikutusta antioksidanttiaktiivisuuteen, joka määritettiin 2,2-difenyyli-1-pikryylihydratsyyliradikaalien (DPPH) sieppausaktiivisuuden perusteella, mutta se lisäsi merkittävästi kokonaisfenolipitoisuutta. Käsittely tuotti myös stabiilimpaa ja tasalaatuisempaa mehua. (vrt. Baboli et al. 2020)

Grampositiivisten ja gramnegatiivisten bakteerien inaktivointi ultraäänellä

Grampositiivisten bakteerien, kuten Listeria monocytogenes- ja Staphylococcus aureus -bakteerien, tiedetään yleisesti olevan gramnegatiivisia bakteereja vastustuskykyisempiä ja kestävän pastörointitekniikoita, kuten PEF, HPP ja mano-ultraäänikäsittely (MS), pidempään paksumpien soluseiniensä vuoksi. Gramnegatiivisilla bakteereilla on kaksi lipidikalvoa – yksi ulompi ja yksi sytoplasminen – joiden välissä on ohut peptidoglykaanikerros. Tämä tekee niistä herkempiä ultraäänellä tapahtuvalle inaktivoinnille. Grampositiivisilla bakteereilla puolestaan on vain yksi lipidikalvo ja paksumpi peptidoglykaaniseinä, mikä antaa niille paremman vastustuskyvyn pastörointikäsittelyjä vastaan. Tieteellisissä tutkimuksissa verrattiin suuritehoisen ultraäänen vaikutusta gramnegatiivisiin ja grampositiivisiin bakteereihin ja havaittiin, että sillä oli voimakkaampi estävä vaikutus gramnegatiivisiin bakteereihin. (vrt. Monsen et al. 2009) Grampositiiviset bakteerit vaativat voimakkaampia ultraäänikäsittelyn olosuhteita eli suurempia amplitudeja, korkeampia lämpötiloja, korkeampia paineita ja/tai pidempää ultraäänikäsittelyaikaa. Hielscher Ultrasonicsin suuritehoiset ultraäänijärjestelmät voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja, ja niitä voidaan käyttää kohotetuissa lämpötiloissa sekä paineistettavien virtauskennoreaktorien kanssa. Tämä mahdollistaa voimakkaan ultraäänikäsittelyn tai termo-mano-ultraäänikäsittelyn jopa erittäin vastustuskykyisten bakteerikantojen inaktivoimiseksi.

Pastörointia kestävien bakteerien inaktivointi ultraäänellä

Pastörointia kestävät bakteerit ovat bakteereja, jotka voivat selviytyä pastörointiprosessista vaihtelevassa määrin. Tällaisia bakteereja ovat Bacillus, Clostridium ja enterokokit. ”Ultraäänikäsittely 80% amplitudilla 10 min ajan kuitenkin inaktivoi B. coagulans- ja A. flavithermus -bakteerien vegetatiivisia soluja rasvattomassa maidossa vastaavasti 4,53 ja 4,26 logaritmiyksikön verran. Yhdistelmäkäsittely, jossa pastörointia (63 astetta C/30 min) seurasi ultraäänikäsittely, poisti kokonaan noin log 6 cfu/mL näitä soluja rasvattomasta maidosta.” (Khanal et al. 2014)

Suorituskykyiset ultraäänipastörointilaitteet

Hielscher Ultrasonicsilla on pitkä kokemus suuritehoisen ultraäänen käytöstä elintarvike- ja juomateollisuudessa sekä monilla muilla teollisuudenaloilla. Ultraääniprosessorimme on varustettu helposti puhdistettavilla sonotrodeilla ja virtauskennoilla (nesteen kanssa kosketuksissa olevat osat), jotka voidaan puhdistaa paikallaan (CIP) ja steriloida paikallaan (SIP). Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm amplitudeja voidaan käyttää helposti jatkuvassa 24/7-käytössä. Suuret amplitudit ovat tärkeitä vastustuskykyisempien mikrobien (esim. grampositiivisten bakteerien) inaktivoimiseksi. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Kaikkia sonotrodeja ja ultraäänivirtauskennoreaktoreita voidaan käyttää kohotetuissa lämpötiloissa ja paineissa, mikä mahdollistaa luotettavan termo-mano-ultraäänikäsittelyn ja erittäin tehokkaan pastöroinnin.
Huipputekniikka, suuri suorituskyky ja kehittynyt ohjelmisto tekevät Hielscher Ultrasonicsin laitteista luotettavia työjuhtia elintarvikkeiden pastörointilinjallasi. Pienen tilantarpeen ja monipuolisten asennusvaihtoehtojen ansiosta Hielscherin ultraäänilaitteet voidaan helposti integroida tai jälkiasentaa olemassa oleviin tuotantolinjoihin.
Ota meihin yhteyttä nyt ja tutustu ultraäänipastörointijärjestelmiemme ominaisuuksiin ja suorituskykyyn. Keskustelemme mielellämme kanssasi käyttökohteestasi!
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: