פסטור אולטרסוני של מזונות נוזליים

פסטור אולטרסוני הוא תהליך עיקור שאינו תרמי להשבתת מיקרואורגניזמים כגון E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus ורבים אחרים, כדי למנוע קלקול מיקרוביאלי ולהשיג יציבות ארוכת טווח של מזון ומשקאות.

פסטור לא תרמי של מזון ומשקאות באמצעות סוניקציה

פסטור אולטרסוני הוא טכנולוגיה חלופית שאינה תרמית, המשמשת להשמדה או להשבתה של אורגניזמים ואנזימים התורמים לקלקול מזון. ניתן להשתמש בטיפול אולטרסוני לפסטור מזון משומר, חלב, מוצרי חלב, ביצים, מיצים, משקאות בעלי תכולת אלכוהול נמוכה ומזונות נוזליים אחרים. טיפול אולטרסוני לבדו, וכן אולטרסאונד בשילוב תנאי טמפרטורה ולחץ מוגברים (המכונה תרמו־מנו־סוניקציה), יכולים לפסטר ביעילות מיצים, חלב, מוצרי חלב, ביצים נוזליות ומוצרי מזון אחרים. טיפול פסטור אולטרסוני מתוחכם עולה על שיטות הפסטור המסורתיות, שכן אולטרסאונד אינו משפיע לרעה על תכולת רכיבי התזונה ועל המאפיינים הפיזיקליים של מוצרי המזון המטופלים. שימוש באולטרסאונד או בתרמו־מנו־סוניקציה לפסטור מוצרי מזון נוזליים עשוי להניב מוצר עשיר ברכיבי תזונה ובעל איכות גבוהה יותר מזו המתקבלת בשיטת הפסטור המסורתית בטמפרטורה גבוהה לזמן קצר (HTST).
מחקרים, כגון מחקרם של Beslar et al. (2015), מצאו שטיפול אולטרסוני יכול להציע יתרונות משמעותיים בעיבוד מיצים, ובהם שיפור במדדי איכות כגון תפוקה, מיצוי, עכירות, תכונות ריאולוגיות וצבע, וכן בחיי המדף.

עקומות הישרדות של Escherichia coli (a) ושל Staphylococcus aureus (b) במיץ תפוחים לאחר טיפול באולטרסאונד (UT) בטמפרטורות שונות ולאחר טיפול בחום (HT) באותן טמפרטורות.
תמונה ומחקר: Baboli et al. 2015

כיצד פועל פסטור אולטרסוני?

השבתה והשמדה של מיקרואורגניזמים באמצעות אולטרסאונד הן שיטה לא תרמית, כלומר עקרון הפעולה העיקרי שלה אינו מבוסס על חום. פסטור אולטרסוני נגרם בעיקר מהשפעות הקוויטציה האקוסטית. תופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטרסונית מוכרת בזכות הטמפרטורות והלחצים הגבוהים באופן מקומי והפרשי הטמפרטורה והלחץ הנלווים להם, המתרחשים בתוך בועות הקוויטציה הזעירות ובסביבתן. נוסף על כך, קוויטציה אקוסטית יוצרת כוחות גזירה עזים מאוד, סילוני נוזל וזרימות טורבולנטיות. כוחות הרסניים אלה גורמים נזק נרחב לתאים מיקרוביאליים, כגון ניקוב תאים ופירוק תאים. ניקוב תאים ופירוק תאים הם השפעות ייחודיות הנמצאות בתאים שטופלו באולטרסאונד, ונגרמות בעיקר מסילוני הנוזל הנוצרים עקב קוויטציה.

פסטור אולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית ועל כוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

מדוע סוניקציה עולה על הפסטור המסורתי

תעשיית המזון והמשקאות משתמשת בפסטור קונבנציונלי באופן נרחב כדי להשבית או להשמיד מיקרואורגניזמים כגון חיידקים, שמרים ופטריות, למנוע קלקול מיקרוביאלי ולהקנות למוצריה חיי מדף ארוכים יותר ויציבות ממושכת יותר. פסטור קונבנציונלי פועל באמצעות טיפול קצר בטמפרטורות גבוהות, שבדרך כלל נמוכות מ־100°C (212°F). הטמפרטורה המדויקת ומשך הטיפול מותאמים בדרך כלל למוצר המזון המסוים ולמיקרואורגניזמים שיש להשבית. יעילותו של תהליך פסטור נקבעת לפי שיעור השבתת המיקרואורגניזמים, הנמדד כהפחתה לוגריתמית. ההפחתה הלוגריתמית מודדת את אחוז המיקרואורגניזמים שהושבתו בטמפרטורה מסוימת במשך פרק זמן מסוים. תנאי הטיפול התרמי ושיעור השבתת המיקרואורגניזמים מושפעים מסוג המיקרואורגניזמים וכן מהרכב מוצר המזון. לפסטור המסורתי המבוסס על חום יש כמה חסרונות, ובהם השבתה בלתי מספקת של מיקרואורגניזמים, השפעות שליליות על מוצר המזון וכן חימום בלתי אחיד בתוך המוצר המטופל. חימום בלתי מספק בשל משך פסטור קצר מדי או טמפרטורה נמוכה מדי גורם לשיעור הפחתה לוגריתמית נמוך ולקלקול מיקרוביאלי בהמשך. טיפול תרמי מופרז עלול לגרום לירידה באיכות המוצר, כגון טעמי לוואי של חריכה וצפיפות תזונתית נמוכה יותר עקב הרס רכיבי תזונה רגישים לטמפרטורה.

חסרונות הפסטור הקונבנציונלי

• עלול להרוס רכיבי תזונה חשובים או לפגוע בהם
• עלול לגרום לטעמי לוואי
• דרישות אנרגיה גבוהות
• אינו יעיל בהשמדת פתוגנים עמידים לחום
• אינו מתאים לכל מוצר מזון

פסטור אולטרסוני של מוצרי חלב

סוניקציה, תרמו־סוניקציה ותרמו־מנו־סוניקציה נחקרו בהרחבה לצורך פסטור חלב ומוצרי חלב. לדוגמה, נמצא כי אולטרסאונד מפחית מיקרואורגניזמים הגורמים לקלקול ופתוגנים פוטנציאליים לאפס או לרמות המותרות לפי החקיקה הדרום אפריקאית והבריטית בנושא חלב, גם כאשר לפני הטיפול היו עומסי אילוח התחלתיים הגבוהים ב־5× מהמותר. ספירות התאים בני החיות של E. coli פחתו ב־100% לאחר 10.0 min של טיפול אולטרסוני. כמו כן, הוכח כי הספירות של Pseudomonas fluorescens בני חיות פחתו ב־100% לאחר 6.0 min, ואלה של Listeria monocytogenes פחתו ב־99% לאחר 10.0 min. (Cameron et al. 2009)
מחקרים הראו גם כי תרמו־סוניקציה יכולה להשבית Listeria innocua וחיידקים מזופיליים בחלב מלא גולמי. הוכח כי אולטרסאונד הוא טכנולוגיה ישימה לפסטור ולהומוגניזציה של חלב, המאפשרת זמני עיבוד קצרים יותר ללא שינויים משמעותיים ב־pH ובתכולת החומצה הלקטית, לצד מראה ומרקם טובים יותר בהשוואה לטיפול תרמי קונבנציונלי. לעובדות אלה יתרונות בהיבטים רבים של עיבוד מוצרי חלב. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

פסטור אולטרסוני של מיצים ומחיות פרי

פסטור אולטרסוני יושם כטכניקת פסטור חלופית יעילה ומהירה להשבתת Escherichia coli ו־Staphylococcus aureus במיץ תפוחים. כאשר מיץ תפוחים ללא ציפה עבר עיבוד אולטרסוני, הזמן שנדרש להפחתה של 5 סדרי גודל לוגריתמיים היה 35 s עבור E. coli ב־60degC ו־30 s עבור S. aureus ב־62degC. אף שבמחקר נמצא כי תכולת ציפה גבוהה הפחיתה את קטלניות האולטרסאונד כלפי S. aureus, בעוד שלא הייתה לה השפעה משמעותית על E. coli, יש לציין שלא הופעל לחץ. סוניקציה בלחצים מוגברים מעצימה באופן משמעותי את הקוויטציה האולטרסונית, ובכך את השבתת המיקרואורגניזמים בנוזלים צמיגים יותר. לטיפול באולטרסאונד לא הייתה השפעה משמעותית על הפעילות נוגדת החמצון, שנקבעה לפי פעילות לכידת הרדיקלים של 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), אך הוא הגדיל באופן משמעותי את התכולה הפנולית הכוללת. הטיפול הניב גם מיץ יציב יותר ובעל אחידות גבוהה יותר. (ראו Baboli et al. 2020)

השבתה אולטרסונית של חיידקים גראם־חיוביים וגראם־שליליים

חיידקים גראם־חיוביים, כגון Listeria monocytogenes או Staphylococcus aureus, ידועים בדרך כלל כעמידים יותר מחיידקים גראם־שליליים, והם שורדים טיפולים בטכנולוגיות פסטור כגון PEF, HPP ומאנו־סוניקציה (MS) למשכי זמן ארוכים יותר בשל דופנות תאים עבות יותר. לחיידקים גראם־שליליים יש שתי ממברנות תא ליפידיות – אחת חיצונית ואחת ציטופלזמית – וביניהן שכבה דקה של פפטידוגליקן, ולכן הם רגישים יותר להשבתה אולטרסונית. לעומת זאת, לחיידקים גראם־חיוביים יש ממברנה ליפידית אחת בלבד ודופן פפטידוגליקן עבה יותר, המעניקה להם עמידות רבה יותר בפני טיפולי פסטור. מחקרים מדעיים השוו את השפעתו של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה על חיידקים גראם־שליליים וגראם־חיוביים ומצאו כי השפעתו המעכבת הייתה חזקה יותר על חיידקים גראם־שליליים. (ראו Monsen et al. 2009) חיידקים גראם־חיוביים דורשים תנאי אולטרסאונד עזים יותר, כלומר אמפליטודות גבוהות יותר, טמפרטורות גבוהות יותר, לחצים גבוהים יותר ו/או זמן סוניקציה ארוך יותר. מערכות האולטרסאונד בעוצמה גבוהה של Hielscher Ultrasonics יכולות לספק אמפליטודות גבוהות מאוד, וניתן להפעילן בטמפרטורות מוגברות ועם כורי תא זרימה הניתנים להפעלה בלחץ. כך מתאפשרת סוניקציה / תרמו־מאנו־סוניקציה עזה לשם השבתה של זני חיידקים עמידים מאוד.

השבתה אולטרסונית של חיידקים שורדי חום

חיידקים שורדי חום הם חיידקים המסוגלים לשרוד, במידות שונות, את תהליך הפסטור. עם החיידקים שורדי החום נמנים Bacillus, Clostridium ו־Enterococci. ״עם זאת, טיפול באולטרסאונד באמפליטודה של 80% למשך 10 min השבית את התאים הווגטטיביים של B. coagulans ושל A. flavithermus בחלב רזה, בהפחתות של 4.53 ו־4.26 יחידות לוגריתמיות, בהתאמה. טיפול משולב של פסטור (63 degrees C/30 min) ולאחריו טיפול באולטרסאונד חיסל לחלוטין כ־log 6 cfu/mL של תאים אלה בחלב רזה.״ (Khanal et al. 2014)

ציוד לפסטור אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים

ל־Hielscher Ultrasonics ניסיון רב ביישום אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בתעשיית המזון והמשקאות ובענפי תעשייה רבים נוספים. המעבדים האולטרסוניים שלנו מצוידים בסונוטרודות ובתאי זרימה (החלקים הבאים במגע עם הנוזל) הקלים לניקוי (ניקוי במקום CIP / עיקור במקום SIP). המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעילם בקלות באמפליטודות של עד 200µm ברציפות, בפעולה 24/7. אמפליטודות גבוהות חשובות להשבתת מיקרואורגניזמים עמידים יותר (למשל חיידקים גראם־חיוביים). לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית. ניתן להפעיל את כל הסונוטרודות וכורי תא הזרימה האולטרסוניים בטמפרטורות ובלחצים מוגברים, וכך מתאפשרים תרמו־מאנו־סוניקציה אמינה ופסטור יעיל ביותר.
טכנולוגיה מתקדמת ביותר, ביצועים גבוהים ותוכנה מתוחכמת הופכים את המכשירים של Hielscher Ultrasonics לסוסי עבודה אמינים בקו פסטור המזון שלכם. בזכות שטח הצבה קטן ואפשרויות התקנה מגוונות, ניתן לשלב בקלות את מכשירי האולטרסאונד של Hielscher בקווי ייצור קיימים או להתקינם בהם במסגרת שדרוג.
צרו איתנו קשר כעת כדי ללמוד עוד על התכונות והיכולות של מערכות הפסטור האולטרסוני שלנו. נשמח לדון איתכם ביישום שלכם!
הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של מכשירי האולטרסאונד שלנו: