La pasteurisation par ultrasons est un procédé de stérilisation non thermique qui permet d'inactiver des microbes tels que E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus, parmi beaucoup d'autres, afin de prévenir la détérioration microbienne et d'assurer la stabilité à long terme des aliments et des boissons.

Pasteurisation non thermique des aliments & Boissons par sonication

La pasteurisation ultrasonique est une technologie alternative non thermique qui est utilisée pour détruire ou désactiver les organismes et les enzymes qui contribuent à l'altération des aliments. Les ultrasons peuvent être utilisés pour pasteuriser les aliments en conserve, le lait, les produits laitiers, les œufs, les jus, les boissons à faible teneur en alcool et d'autres aliments liquides. L'ultrason seul ainsi que les ultrasons combinés à des conditions de chaleur et de pression élevées (connus sous le nom de thermo-mano-sonication) peuvent efficacement pasteuriser les jus, le lait, les produits laitiers, les œufs liquides et d'autres produits alimentaires. Un traitement sophistiqué de pasteurisation par ultrasons excelle dans les techniques de pasteurisation traditionnelles car les ultrasons n'ont pas d'effet négatif sur la teneur en nutriments et les caractéristiques physiques des produits alimentaires traités. L'utilisation des ultrasons ou de la thermo-mano-sonisation pour pasteuriser les produits alimentaires liquides peut fournir un produit riche en nutriments d'une qualité supérieure à la méthode traditionnelle de pasteurisation à haute température et courte durée (HTST).
Des études telles que celles de Beslar et al. (2015) ont montré que le traitement par ultrasons peut apporter des avantages significatifs pour la transformation des jus, notamment en améliorant les facteurs de qualité, tels que le rendement, l'extraction, la turbidité, les propriétés rhéologiques et la couleur, ainsi que la durée de conservation.

Courbes de survie d'Escherichia coli (a) et de Staphylococcus aureus (b) dans le jus de pomme après un traitement par ultrasons (UT) à différentes températures et après un traitement thermique (HT) aux mêmes températures.
de l'image et de l'étude : Baboli et al. 2015

Comment fonctionne la pasteurisation par ultrasons ?

L'inactivation et la destruction des microbes par ultrasons est une technique non thermique, ce qui signifie que son principe de fonctionnement principal n'est pas basé sur la chaleur. La pasteurisation par ultrasons est principalement causée par les effets de la cavitation acoustique. Le phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique est connu pour ses températures localement élevées, ses pressions et ses différentiels respectifs, qui se produisent dans et autour des minuscules bulles de cavitation. De plus, la cavitation acoustique génère des forces de cisaillement très intenses, des jets de liquide et des turbulences. Ces forces destructrices provoquent des dommages importants sur les cellules microbiennes, tels que la perforation et la perturbation des cellules. La perforation et la perturbation des cellules sont des effets uniques que l'on retrouve dans les cellules traitées par ultrasons et qui sont principalement causés par les jets de liquide générés par la cavitation.

La pasteurisation ultrasonique est basée sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques

Pourquoi la sonication surpasse la pasteurisation traditionnelle

L'industrie alimentaire et des boissons applique largement la pasteurisation conventionnelle pour inactiver ou tuer les microbes tels que les bactéries, les levures et les champignons afin d'empêcher la détérioration microbienne et de donner à leurs produits une durée de vie et une stabilité plus longues. La pasteurisation conventionnelle fonctionne par un traitement de courte durée à des températures élevées, généralement inférieures à 100°C (212°F). La température et la durée exactes sont normalement adaptées au produit alimentaire spécifique et aux microbes, qui doivent être inactivés. L'efficacité d'un processus de pasteurisation est déterminée par le taux d'inactivation des microbes, qui est mesuré par la réduction logarithmique. La réduction logarithmique mesure le pourcentage de microbes inactivés à une température spécifique pendant une durée spécifique. Les conditions du traitement thermique et le taux d'inactivation microbienne sont influencés par le type de microbes ainsi que par la composition du produit alimentaire. La pasteurisation thermique traditionnelle présente plusieurs inconvénients, notamment une inactivation microbienne insuffisante, des effets négatifs sur le produit alimentaire ainsi qu'un chauffage inégal du produit traité. Un chauffage insuffisant, une durée de pasteurisation trop courte ou une température trop basse entraînent un faible taux de réduction logarithmique et une détérioration microbienne ultérieure. Un traitement thermique trop important peut entraîner une détérioration du produit, par exemple des arômes brûlés, et une diminution de la densité des éléments nutritifs en raison de la destruction des éléments nutritifs sensibles à la température.

Inconvénients de la pasteurisation conventionnelle

• peut détruire ou endommager des nutriments importants
• peut provoquer des saveurs désagréables
• des besoins énergétiques élevés
• inefficace pour tuer les agents pathogènes résistants à la chaleur
• ne s'applique pas à tous les produits alimentaires

Pasteurisation ultrasonique des produits laitiers

La sonication, la thermo-sonication et la thermo-mano-sonication ont fait l'objet de nombreuses recherches pour la pasteurisation du lait et des produits laitiers. Par exemple, on a constaté que les ultrasons éliminaient les germes d'altération et les pathogènes potentiels à zéro ou à des niveaux acceptables par les législations sud-africaine et britannique sur le lait, même lorsque des charges initiales d'inoculum 5 fois plus élevées que celles autorisées étaient présentes avant le traitement. Le nombre de cellules viables d'E. coli a été réduit de 100 % après 10 minutes d'ultrasons. En outre, il a été démontré que le nombre de cellules viables de Pseudomonas fluorescens était réduit de 100 % après 6 minutes et celui de Listeria monocytogenes de 99 % après 10 minutes (Cameron et al. 2009).
La recherche a également démontré que la thermosonification peut inactiver Listeria innocua et les bactéries mésophiles dans le lait cru entier. Les ultrasons se sont révélés être une technologie viable pour la pasteurisation et l'homogénéisation du lait, présentant des temps de traitement plus courts sans changements importants du pH et de la teneur en acide lactique, ainsi qu'une meilleure apparence et une meilleure consistance par rapport au traitement thermique classique. Ces faits sont avantageux dans de nombreux aspects de la transformation du lait. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurisation par ultrasons des jus et des purées de fruits

La pasteurisation par ultrasons a été appliquée comme une technique de pasteurisation alternative efficace et rapide afin d'inactiver Escherichia coli et Staphylococcus aureus dans le jus de pomme. Lorsque le jus de pomme sans pulpe était traité par ultrasons, le temps de réduction de 5 log était de 35 s pour E. coli à 60°C et de 30 s pour S. aureus à 62°C. Bien que l'étude ait révélé qu'une teneur élevée en pulpe rendait les ultrasons moins mortels pour S. aureus, alors qu'ils n'avaient aucun effet significatif sur E. coli, il convient de noter qu'aucune pression n'a été appliquée. La sonication sous des pressions élevées intensifie considérablement la cavitation ultrasonore et donc l'inactivation microbienne dans les liquides plus visqueux. Le traitement par ultrasons n'a pas eu d'effet significatif sur l'activité antioxydante déterminée par l'activité de piégeage des radicaux 2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl (DPPH), mais il a augmenté de manière significative le contenu phénolique total. Le traitement a également permis d'obtenir un jus plus stable et plus uniforme. (cf. Baboli et al. 2020)

Inactivation par ultrasons des bactéries à Gram positif et à Gram négatif

Les bactéries à Gram positif, telles que Listeria monocytogenes ou Staphylococcus aureus, sont en général connues pour être plus résistantes que les bactéries à Gram négatif et supportent les technologies de pasteurisation telles que PEF, HPP et la mano-sonication (MS) pendant une période de traitement plus longue en raison de leurs parois cellulaires plus épaisses. Les bactéries gram-négatives ont deux – une externe et une cytoplasmique – des membranes cellulaires lipidiques comportant une fine couche de peptidoglycane, ce qui les rend plus sensibles à l'inactivation des ultrasons. D'autre part, les bactéries gram-positives n'ont qu'une seule membrane lipidique avec une paroi peptidoglycane plus épaisse, ce qui leur confère une plus grande résistance aux traitements de pasteurisation. Des études scientifiques ont comparé l'effet des ultrasons de puissance sur les bactéries gram-négatives et gram-positives et ont constaté qu'ils avaient un effet inhibiteur plus important sur les bactéries gram-négatives. (cf. Monsen et al. 2009) Les bactéries gram-positives nécessitent des conditions d'ultrasons plus intenses, c'est-à-dire des amplitudes plus importantes, des températures plus élevées, des pressions plus élevées et/ou une durée de sonication plus longue. Les systèmes à ultrasons de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées et peuvent fonctionner à des températures élevées et avec des réacteurs à cellules de flux pressurisables. Cela permet une sonication / thermo-mano-sonication intense afin d'inactiver même les souches de bactéries très résistantes.

Inactivation ultrasonique des bactéries thermoduriques

Les bactéries thermoduriques sont des bactéries qui peuvent survivre, à des degrés divers, au processus de pasteurisation. Les espèces de bactéries thermoduriques comprennent le Bacillus, le Clostridium et les Enterococci. "L'échographie à 80% d'amplitude pendant 10 minutes a cependant inactivé les cellules végétatives de B. coagulans et A. flavithermus dans le lait écrémé de 4,53 et 4,26 logs, respectivement. Un traitement combiné de pasteurisation (63 degrés C/30 min) suivi d'une ultrasonification a complètement éliminé environ log 6 cfu/mL de ces cellules dans le lait écrémé". (Khanal et al. 2014)

Équipement de pasteurisation ultrasonique à haute performance

Hielscher Ultrasonics a une longue expérience dans l'application des ultrasons de puissance dans l'alimentation & l'industrie des boissons ainsi que de nombreuses autres branches industrielles. Nos processeurs à ultrasons sont équipés de sonotrodes et de cellules à flux (les parties humides) faciles à nettoyer (NEP propre en place / SEP stérilisé en place). Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être exploitées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Les amplitudes élevées sont importantes pour inactiver les microbes plus résistants (par exemple, les bactéries à Gram positif). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Toutes les sonotrodes et les réacteurs à cellules à flux ultrasonique peuvent fonctionner à des températures et des pressions élevées, ce qui permet une thermo-mano-sonication fiable et une pasteurisation très efficace.
Une technologie de pointe, des performances élevées et des logiciels sophistiqués font de Hielscher Ultrasons’ des chevaux de travail fiables dans votre ligne de pasteurisation alimentaire. Avec un faible encombrement et des options d'installation polyvalentes, les ultrasonateurs Hielscher peuvent être facilement intégrés ou installés ultérieurement dans des lignes de production existantes.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: