Ultrazvučna pasterizacija tekuće hrane

Ultrazvučna pasterizacija je proces netermalne sterilizacije za inaktivaciju mikroba kao što su E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus između mnogih drugih kako bi se spriječilo mikrobno kvarenje i postigla dugoročna stabilnost hrane i pića.

Netermička pasterizacija hrane & Pića ultrazvukom

Ultrazvučna pasterizacija je netermalna alternativna tehnologija koja se koristi za uništavanje ili deaktiviranje organizama i enzima koji doprinose kvarenju hrane. Ultrasonication se može koristiti za pasterizaciju konzervirane hrane, mlijeka, mliječnih proizvoda, jaja, sokova, pića s niskim udjelom alkohola i druge tekuće hrane. Samo ultrazvuk, kao i ultrazvuk u kombinaciji s uvjetima povišene topline i tlaka (poznato kao termo-mano-sonication) mogu učinkovito pasterizirati sokove, mlijeko, mliječne proizvode, tekuća jaja i druge prehrambene proizvode. Sofisticirani ultrazvučni tretman pasterizacije nadmašuje tradicionalne tehnike pasterizacije jer ultrazvuk ne utječe negativno na sadržaj hranjivih tvari i fizičke karakteristike tretiranih prehrambenih proizvoda. Korištenje ultrazvuka ili termo-mano-sonifikacije u svrhu pasterizacije tekućih prehrambenih proizvoda može osigurati proizvod bogat hranjivim tvarima s višom kvalitetom od tradicionalne metode kratkotrajne pasterizacije na visokoj temperaturi (HTST).
Istraživačke studije poput Beslar et al. (2015) otkrili su da ultrazvučna obrada može pružiti značajne prednosti za preradu sokova uključujući poboljšane čimbenike kvalitete, kao što su prinos, ekstrakcija, zamućenost, reološka svojstva i boja kao i rok trajanja.

Krivulje preživljavanja Escherichia coli (a) i Staphylococcus aureus (b) u soku od jabuke nakon ultrazvučne obrade (UT) na različitim temperaturama i nakon toplinske obrade (HT) na istim temperaturama.
slika i studija: Baboli et al. 2015

Kako radi ultrazvučna pasterizacija?

Ultrazvučna inaktivacija i uništavanje mikroba je netermalna tehnika, što znači da se njen glavni princip rada ne temelji na toplini. Ultrazvučna pasterizacija uzrokovana je uglavnom učincima akustične kavitacije. Fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije poznat je po svojim lokalno visokim temperaturama, pritiscima i odgovarajućim razlikama, koje se javljaju u i oko sićušnih kavitacijskih mjehurića. Nadalje, akustična kavitacija stvara vrlo intenzivne sile smicanja, mlazove tekućine i turbulencije. Ove destruktivne sile uzrokuju veliku štetu na mikrobnim stanicama, kao što su perforacija i prekid stanica. Perforacija i ometanje stanica jedinstveni su učinci koji se nalaze u ultrazvučno tretiranim stanicama uzrokovani uglavnom mlazovima tekućine koje stvara kavitacija.

Ultrazvučna pasterizacija temelji se na akustičnoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim silama smicanja

Zašto sonikacija nadmašuje tradicionalnu pasterizaciju

Industrija hrane i pića naširoko primjenjuje konvencionalnu pasterizaciju kako bi inaktivirala ili ubila mikrobe kao što su bakterije, kvasci i gljivice kako bi spriječila mikrobno kvarenje i kako bi svojim proizvodima dala dulji rok trajanja i stabilnost. Konvencionalna pasterizacija djeluje kratkim tretmanom na povišenim temperaturama obično ispod 100°C (212°F). Točna temperatura i trajanje obično se prilagođavaju određenom prehrambenom proizvodu i mikrobima koji moraju biti inaktivirani. Učinkovitost procesa pasterizacije određena je stopom inaktivacije mikroba, koja se mjeri kao log redukcije. Log redukcija mjeri postotak inaktiviranih mikroba na određenoj temperaturi tijekom određenog vremena. Na uvjete temperaturne obrade i brzinu inaktivacije mikroba utječe vrsta mikroba kao i sastav prehrambenog proizvoda. Tradicionalna pasterizacija temeljena na toplini ima nekoliko nedostataka u rasponu od nedovoljne inaktivacije mikroba, negativnih učinaka na prehrambeni proizvod kao i neravnomjernog zagrijavanja kroz tretirani proizvod. Nedovoljno zagrijavanje zbog prekratkog trajanja pasterizacije ili preniske temperature rezultira niskom stopom redukcije dnevnika i naknadnim mikrobnim kvarenjem. Previše toplinske obrade može uzrokovati kvarenje proizvoda kao što je neugodan okus zagorjelog i manju gustoću hranjivih tvari zbog uništenih hranjivih tvari osjetljivih na temperaturu.

Nedostaci konvencionalne pasterizacije

• može uništiti ili oštetiti važne hranjive tvari
• može uzrokovati neugodne okuse
• visoki energetski zahtjevi
• neučinkovit protiv ubijanja patogena otpornih na toplinu
• nije primjenjivo na svaki prehrambeni proizvod

Ultrazvučna pasterizacija mliječnih proizvoda

Ultrazvuk, termo-sonication i termo-mano-sonication su naširoko istraživani za pasterizaciju mlijeka i mliječnih proizvoda. Na primjer, utvrđeno je da ultrazvuk eliminira kvarenje i potencijalne patogene do nule ili do razina prihvatljivih južnoafričkim i britanskim zakonodavstvom o mlijeku, čak i kada su prije tretmana bile prisutne početne količine inokuluma 5 puta veće od dopuštene. Broj živih stanica E. coli smanjen je za 100% nakon 10,0 minuta ultrazvučne obrade. Nadalje, pokazalo se da je broj živih Pseudomonas fluorescens smanjen za 100% nakon 6,0 minuta, a Listeria monocytogenes smanjen je za 99% nakon 10,0 minuta. (Cameron i dr. 2009.)
Istraživanja su također pokazala da termosonifikacija može inaktivirati Listeria innocua i mezofilne bakterije u sirovom punomasnom mlijeku. Pokazalo se da je ultrazvuk održiva tehnologija za pasterizaciju i homogenizaciju mlijeka, koja pokazuje kraće vrijeme obrade bez značajnih promjena u pH i sadržaju mliječne kiseline, zajedno s boljim izgledom i konzistencijom u usporedbi s konvencionalnom toplinskom obradom. Ove činjenice su korisne u mnogim aspektima prerade mliječnih proizvoda. (Bermúdez-Aguirre i dr. 2009.)

Ultrazvučna pasterizacija sokova i voćnih pirea

Ultrazvučna pasterizacija primijenjena je kao učinkovita i brza alternativna tehnika pasterizacije u cilju inaktivacije Escherichie coli i Staphylococcus aureusa u soku od jabuke. Kada je sok od jabuke bez pulpe ultrazvučno obrađen, vrijeme redukcije od 5-log bilo je 35 s za E. coli na 60°C i 30 s za S. aureus na 62°C. Iako je u studiji utvrđeno da visok sadržaj pulpe čini ultrazvuk manje smrtonosnim za S. aureus, dok nije imao značajan učinak na E. coli, treba napomenuti da nije primijenjen pritisak. Sonikacija pod povišenim tlakom značajno pojačava ultrazvučnu kavitaciju, a time i inaktivaciju mikroba u viskoznijim tekućinama. Tretman ultrazvukom nije imao značajan učinak na antioksidacijsku aktivnost utvrđenu aktivnošću hvatanja radikala 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH), ali je značajno povećao ukupni sadržaj fenola. Tretman je također rezultirao stabilnijim sokom s većom ujednačenošću. (usp. Baboli et al. 2020.)

Ultrazvučna inaktivacija gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija

Gram pozitivne bakterije, kao što su Listeria monocytogenes ili Staphylococcus aureus, općenito se zna da su otpornije od gram-negativnih bakterija i podnose tehnologije pasterizacije kao što su PEF, HPP i mano-sonication (MS) tijekom duljeg razdoblja liječenja zbog debljih stanica zidova. Gram-negativne bakterije imaju dva – jedan vanjski i jedan citoplazmatski – lipidne stanične membrane s tankim slojem peptidoglikana među njima, što ih čini osjetljivijima na ultrazvučnu inaktivaciju. S druge strane, gram-pozitivne bakterije imaju samo jednu lipidnu membranu s debljom peptidoglikanskom stijenkom, što im daje veću otpornost na tretmane pasterizacijom. Znanstvena istraživanja uspoređivala su djelovanje snažnog ultrazvuka na gram-negativne i gram-pozitivne bakterije i otkrila da ima jači inhibitorni učinak na gram-negativne bakterije. (usp. Monsen et al. 2009.) Gram-pozitivne bakterije zahtijevaju intenzivnije ultrazvučne uvjete, tj. veće amplitude, više temperature, više tlakove i/ili duže vrijeme sonikacije. Hielscher Ultrasonics 'power-ultrazvuk sustavi mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i može raditi na povišenim temperaturama i s tlačnim reaktorima protočne ćelije. To omogućuje intenzivnu sonikaciju / termo-mano-sonizaciju kako bi se deaktivirali čak i vrlo otporni sojevi bakterija.

Ultrazvučna inaktivacija termodurskih bakterija

Termodurne bakterije su bakterije koje mogu preživjeti, u različitoj mjeri, proces pasterizacije. Termodurne vrste bakterija uključuju Bacillus, Clostridium i Enterococci. „Međutim, ultrazvuk pri 80% amplitude tijekom 10 minuta deaktivirao je vegetativne stanice B. coagulans i A. flavithermus u obranom mlijeku za 4,53, odnosno 4,26 log. Kombinirani tretman pasterizacije (63 stupnja C/30 min) praćen ultrazvučnom obradom potpuno je eliminirao približno log 6 cfu/mL ovih stanica u obranom mlijeku.” (Khanal i dr. 2014.)

Visokoučinkovita ultrazvučna oprema za pasterizaciju

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni snažnog ultrazvuka u hrani & industriji pića kao i mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (mokri dijelovi) koje se lako čiste (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Visoke amplitude su važne za inaktivaciju otpornijih mikroba (npr. gram-pozitivnih bakterija). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Sve sonotrode i ultrazvučne protočne ćelije reaktori mogu raditi pod povišenim temperaturama i pritiscima, što omogućuje pouzdanu termo-mano-sonication i vrlo učinkovitu pasterizaciju.
Najsuvremenija tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver čine Hielscher Ultrasonics’ pouzdani radni konji u vašoj liniji za pasterizaciju hrane. S malom površinom i raznovrsnim mogućnostima ugradnje, Hielscher ultrasonicators se mogu lako integrirati ili retro-ugraditi u postojeće proizvodne linije.
Kontaktirajte nas kako biste saznali više o značajkama i mogućnostima naših ultrazvučnih sustava za pasterizaciju. Bilo bi nam drago porazgovarati o vašoj prijavi s vama!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: