Pasteurisation par ultrasons des aliments liquides

La pasteurisation par ultrasons est un procédé de stérilisation non thermique permettant 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 l’altération microbienne et d’assurer la stabilité à long terme des aliments et des boissons.

Pasteurisation non thermique des aliments et boissons par sonication

La pasteurisation par ultrasons est une technologie alternative non thermique utilisée pour détruire ou désactiver les organismes et les enzymes qui contribuent à l’altération des aliments. L’ultrasonication peut être utilisée pour pasteuriser les conserves alimentaires, le lait, les produits laitiers, les œufs, les jus, les boissons à faible teneur en alcool et d’autres aliments liquides. L’ultrasonication seule, ainsi que les ultrasons combinés à des conditions de chaleur et de pression élevées (connus sous le nom de thermo-mano-sonication), peuvent pasteuriser efficacement les jus, le lait, les produits laitiers, les œufs liquides et d’autres produits alimentaires. Un traitement de pasteurisation par ultrasons élaboré surpasse les techniques de pasteurisation traditionnelles, car les ultrasons n’affectent pas négativement la teneur en nutriments ni les caractéristiques physiques des produits alimentaires traités. L’utilisation des ultrasons ou de la thermo-mano-sonication pour pasteuriser des produits alimentaires liquides peut fournir un produit riche en nutriments, d’une qualité supérieure à celle obtenue par la méthode de pasteurisation traditionnelle à haute température et courte durée (HTST).
Des études de recherche, comme celle de Beslar et al. (2015), ont montré que le traitement par ultrasons peut apporter des avantages significatifs pour la transformation des jus, notamment l’amélioration de 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 du jus de pomme après un traitement par ultrasons (UT) à différentes températures et après un traitement thermique (HT) aux mêmes températures.
image et 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 ne repose pas sur la chaleur. La pasteurisation par ultrasons est principalement due aux effets de la cavitation acoustique. Le phénomène de cavitation acoustique / ultrasonore est connu pour ses températures et pressions localement élevées, ainsi que pour les différentiels correspondants, qui se produisent dans et autour des minuscules bulles de cavitation. En outre, la cavitation acoustique génère des forces de cisaillement très intenses, des jets de liquide et des turbulences. Ces forces destructrices causent des dommages importants aux cellules microbiennes, tels que la perforation et la rupture des cellules. La perforation et la rupture cellulaires sont des effets uniques observés dans les cellules traitées par ultrasons, principalement causés par les jets de liquide générés par la cavitation.

La pasteurisation par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques

Pourquoi la sonication surpasse la pasteurisation traditionnelle

L’industrie des aliments et des boissons applique largement la pasteurisation conventionnelle pour inactiver ou tuer des microbes tels que les bactéries, les levures et les champignons, afin de prévenir l’altération microbienne et de conférer à ses produits une durée de conservation et une stabilité plus longues. La pasteurisation conventionnelle consiste en un traitement court 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 procédé de pasteurisation est déterminée par le taux d’inactivation microbienne, qui est mesuré en réduction logarithmique. La réduction logarithmique mesure le pourcentage de microbes inactivés à une température donnée sur une durée donnée. 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 traditionnelle basée sur la chaleur présente plusieurs inconvénients, allant d’une inactivation microbienne insuffisante à des effets négatifs sur le produit alimentaire, en passant par un chauffage inégal à travers le produit traité. Un chauffage insuffisant, dû à une durée de pasteurisation trop courte ou à une température trop basse, entraîne un faible taux de réduction logarithmique et, par la suite, une altération microbienne. Un traitement thermique excessif peut entraîner une détérioration du produit, comme des arrière-goûts de brûlé, et une densité nutritionnelle moindre due à la destruction des nutriments sensibles à la température.

Inconvénients de la pasteurisation conventionnelle

• peut détruire ou endommager des nutriments importants
• peut provoquer des arrière-goûts
• besoins énergétiques élevés
• inefficace pour tuer les pathogènes résistants à la chaleur
• ne s’applique pas à tous les produits alimentaires

Pasteurisation par ultrasons 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, il a été constaté que les ultrasons éliminaient les microorganismes d’altération et les pathogènes potentiels jusqu’à zéro ou jusqu’à des niveaux acceptables selon les législations laitières sud-africaine et britannique, même lorsque des charges d’inoculum initiales 5× plus élevées que celles autorisées étaient présentes avant le traitement. Le nombre de cellules viables d’E. coli a été réduit de 100% après 10,0 min d’ultrasonication. Il a en outre été démontré que le nombre de cellules viables de Pseudomonas fluorescens était réduit de 100% après 6,0 min et que celui de Listeria monocytogenes était réduit de 99% après 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
La recherche a également démontré que la thermo-sonication 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, avec des temps de traitement plus courts sans modifications importantes du pH et de la teneur en acide lactique, ainsi qu’un meilleur aspect et une meilleure consistance par rapport au traitement thermique conventionnel. Ces faits sont avantageux pour de nombreux aspects de la transformation laitière. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurisation par ultrasons des jus et des purées de fruits

La pasteurisation par ultrasons a été appliquée en tant que technique de pasteurisation alternative efficace et rapide afin d’inactiver Escherichia coli et Staphylococcus aureus dans du jus de pomme. Lorsque le jus de pomme sans pulpe a été traité par ultrasons, le temps de réduction de 5 log était de 35 s pour E. coli à 60degC et de 30 s pour S. aureus à 62degC. Bien que l’étude ait constaté qu’une teneur élevée en pulpe rendait les ultrasons moins létaux pour S. aureus, alors qu’elle n’avait aucun effet significatif sur E. coli, il convient de noter qu’aucune pression n’a été appliquée. La sonication sous pression élevée intensifie considérablement la cavitation ultrasonore et, par conséquent, l’inactivation microbienne dans les liquides plus visqueux. Le traitement par ultrasons n’a eu aucun effet significatif sur l’activité antioxydante déterminée par l’activité de piégeage des radicaux 2,2-diphényl-1-picrylhydrazyle (DPPH), mais il a significativement augmenté la teneur en composés phénoliques totaux. Le traitement a également permis d’obtenir un jus plus stable et d’une plus grande uniformité. (cf. Baboli et al. 2020)

Inactivation par ultrasons des bactéries Gram positives et Gram négatives

Les bactéries Gram positives, telles que Listeria monocytogenes ou Staphylococcus aureus, sont en général connues pour être plus résistantes que les bactéries Gram négatives et résistent plus longtemps aux technologies de pasteurisation telles que le PEF, le HPP et la mano-sonication (MS) en raison de parois cellulaires plus épaisses. Les bactéries Gram négatives possèdent deux membranes cellulaires lipidiques – une externe et une cytoplasmique – séparées par une fine couche de peptidoglycane, ce qui les rend plus sensibles à l’inactivation par ultrasons. En revanche, les bactéries Gram positives ne possèdent qu’une seule membrane lipidique avec une paroi de peptidoglycane plus épaisse, ce qui leur confère une plus grande résistance aux traitements de pasteurisation. Des travaux 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 fort sur les bactéries Gram négatives. (cf. Monsen et al. 2009) Les bactéries Gram positives nécessitent des conditions ultrasonores plus intenses, c’est-à-dire des amplitudes plus élevées, des températures plus élevées, des pressions plus élevées et/ou une durée de sonication plus longue. Les systèmes à ultrasons de puissance de Hielscher Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées et peuvent fonctionner à des températures élevées et avec des réacteurs à cellule à circulation pressurisables. Cela permet une sonication / thermo-mano-sonication intense afin d’inactiver même des souches bactériennes très résistantes.

Inactivation par ultrasons des bactéries thermodurantes

Les bactéries thermodurantes sont des bactéries capables de survivre, dans une mesure variable, au procédé de pasteurisation. Les espèces bactériennes thermodurantes comprennent Bacillus, Clostridium et les entérocoques. « L’ultrasonication à 80% d’amplitude pendant 10 min a toutefois inactivé les cellules végétatives de B. coagulans et d’A. flavithermus dans le lait écrémé de 4,53 et 4,26 log, respectivement. Un traitement combiné de pasteurisation (63 degrés C/30 min) suivi d’une ultrasonication a complètement éliminé environ log 6 cfu/mL de ces cellules dans le lait écrémé. » (Khanal et al. 2014)

Équipements de pasteurisation par ultrasons haute performance

Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience dans l’application des ultrasons de puissance dans l’industrie des aliments et des boissons ainsi que dans de nombreuses autres branches industrielles. Nos processeurs à ultrasons sont équipés de sonotrodes et de cellules à circulation (les pièces en contact avec le produit) faciles à nettoyer (nettoyage en place CIP / stérilisation en place SIP). Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Des amplitudes élevées sont importantes pour inactiver les microbes plus résistants (p. ex. les bactéries Gram positives). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles. Toutes les sonotrodes et tous les réacteurs à cellule à circulation à ultrasons peuvent fonctionner à des températures et pressions élevées, ce qui permet une thermo-mano-sonication fiable et une pasteurisation hautement efficace.
Une technologie de pointe, des performances élevées et un logiciel sophistiqué font des appareils Hielscher Ultrasonics de véritables bêtes de somme fiables dans votre ligne de pasteurisation alimentaire. Grâce à leur faible encombrement et à leurs options d’installation polyvalentes, les ultrasonicateurs Hielscher peuvent être facilement intégrés ou installés a posteriori 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 ultrasonicateurs :