Ultrazvučna pasterizacija tekuće hrane

Ultrazvučna pasterizacija netoplinski je postupak sterilizacije za inaktivaciju mikroorganizama kao što su E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus i mnogi drugi radi sprječavanja mikrobnog kvarenja i postizanja dugoročne stabilnosti hrane i pića.

Netoplinska pasterizacija hrane i pića sonikacijom

Ultrazvučna pasterizacija alternativna je netoplinska tehnologija koja se upotrebljava za uništavanje ili deaktivaciju organizama i enzima koji pridonose kvarenju hrane. Ultrazvučna obrada može se upotrebljavati za pasterizaciju konzervirane hrane, mlijeka, mliječnih proizvoda, jaja, sokova, pića s niskim udjelom alkohola i druge tekuće hrane. Sama ultrazvučna obrada, kao i ultrazvuk u kombinaciji s povišenom temperaturom i tlakom (poznato kao termo-mano-sonikacija), može učinkovito pasterizirati sokove, mlijeko, mliječne proizvode, tekuća jaja i druge prehrambene proizvode. Sofisticirana ultrazvučna pasterizacija nadmašuje tradicionalne tehnike pasterizacije jer ultrazvuk ne utječe nepovoljno na sadržaj hranjivih tvari i fizikalna svojstva obrađenih prehrambenih proizvoda. Primjena ultrazvuka ili termo-mano-sonikacije za pasterizaciju tekućih prehrambenih proizvoda može dati proizvod bogat hranjivim tvarima i više kvalitete nego tradicionalna metoda kratkotrajne pasterizacije pri visokoj temperaturi (HTST).
Istraživanja, poput onoga koje su proveli Beslar et al. (2015), pokazala su da ultrazvučna obrada može pružiti značajne prednosti u preradi sokova, uključujući poboljšanje čimbenika kvalitete kao što su prinos, ekstrakcija, mutnoća, reološka svojstva i boja, kao i produljenje roka trajanja.

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

Kako djeluje ultrazvučna pasterizacija?

Ultrazvučna inaktivacija i uništavanje mikroorganizama netoplinska je tehnika, što znači da se njezino glavno načelo djelovanja ne temelji na toplini. Ultrazvučna pasterizacija uglavnom je posljedica učinaka akustične kavitacije. Pojava akustične / ultrazvučne kavitacije poznata je po lokalno visokim temperaturama, tlakovima i pripadajućim razlikama u temperaturi i tlaku koje se javljaju unutar sićušnih kavitacijskih mjehurića i oko njih. Nadalje, akustična kavitacija stvara vrlo intenzivne smične sile, mlazove tekućine i turbulencije. Te razorne sile uzrokuju opsežna oštećenja mikrobnih stanica, poput perforacije i razaranja stanica. Perforacija i razaranje stanica jedinstveni su učinci opaženi u ultrazvučno obrađenim stanicama, uzrokovani uglavnom mlazovima tekućine nastalima kavitacijom.

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

Zašto sonikacija nadmašuje tradicionalnu pasterizaciju

Industrija hrane i pića široko primjenjuje konvencionalnu pasterizaciju za inaktivaciju ili uništavanje mikroorganizama poput bakterija, kvasaca i gljivica kako bi spriječila mikrobno kvarenje te produljila rok trajanja i povećala stabilnost svojih proizvoda. Konvencionalna pasterizacija temelji se na kratkotrajnoj obradi pri povišenim temperaturama, obično nižima od 100°C (212°F). Točna temperatura i trajanje obično se prilagođavaju određenom prehrambenom proizvodu i mikroorganizmima koje je potrebno inaktivirati. Učinkovitost postupka pasterizacije određuje se stopom inaktivacije mikroorganizama, koja se mjeri kao logaritamsko smanjenje. Logaritamsko smanjenje mjeri postotak inaktiviranih mikroorganizama pri određenoj temperaturi tijekom određenog vremena. Na uvjete toplinske obrade i stopu inaktivacije mikroorganizama utječu vrsta mikroorganizama i sastav prehrambenog proizvoda. Tradicionalna pasterizacija koja se temelji na toplini ima nekoliko nedostataka, od nedovoljne inaktivacije mikroorganizama i negativnih učinaka na prehrambeni proizvod do neravnomjernog zagrijavanja u cijelom obrađivanom proizvodu. Nedovoljno zagrijavanje zbog prekratkog trajanja pasterizacije ili preniske temperature dovodi do niske stope logaritamskog smanjenja i naknadnog mikrobnog kvarenja. Prekomjerna toplinska obrada može uzrokovati narušavanje kvalitete proizvoda, primjerice nepoželjan okus po zagorjelom, te manju nutritivnu gustoću zbog uništavanja hranjivih tvari osjetljivih na temperaturu.

Nedostaci konvencionalne pasterizacije

• može uništiti ili oštetiti važne hranjive tvari
• može uzrokovati nepoželjne okuse
• velike potrebe za energijom
• neučinkovita u uništavanju patogena otpornih na toplinu
• nije primjenjiva na svaki prehrambeni proizvod

Ultrazvučna pasterizacija mliječnih proizvoda

Sonikacija, termo-sonikacija i termo-mano-sonikacija opsežno su istraživane za pasterizaciju mlijeka i mliječnih proizvoda. Primjerice, utvrđeno je da ultrazvuk smanjuje broj mikroorganizama koji uzrokuju kvarenje i potencijalnih patogena na nulu ili na razine prihvatljive prema južnoafričkim i britanskim propisima o mlijeku, čak i kada su prije obrade početna mikrobna opterećenja inokuluma bila 5× viša od dopuštenih. Broj živih stanica E. coli smanjen je za 100% nakon 10,0 min ultrazvučne obrade. Nadalje, pokazano je da je broj živih stanica Pseudomonas fluorescens smanjen za 100% nakon 6,0 min, a broj živih stanica Listeria monocytogenes za 99% nakon 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Istraživanja su također pokazala da termo-sonikacija može inaktivirati bakteriju Listeria innocua i mezofilne bakterije u sirovom punomasnom mlijeku. Pokazalo se da je ultrazvuk izvediva tehnologija za pasterizaciju i homogenizaciju mlijeka, uz kraće vrijeme obrade bez značajnih promjena pH i sadržaja mliječne kiseline te bolji izgled i konzistenciju u usporedbi s konvencionalnom toplinskom obradom. Te su značajke korisne u mnogim aspektima prerade mlijeka. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvučna pasterizacija sokova i voćnih kaša

Ultrazvučna pasterizacija primijenjena je kao učinkovita i brza alternativna tehnika pasterizacije za inaktivaciju bakterija Escherichia coli i Staphylococcus aureus u soku od jabuke. Pri ultrazvučnoj obradi soka od jabuke bez pulpe vrijeme potrebno za smanjenje od 5 log iznosilo je 35 s za E. coli pri 60degC i 30 s za S. aureus pri 62degC. Iako je istraživanjem utvrđeno da visok sadržaj pulpe smanjuje smrtonosni učinak ultrazvuka na S. aureus, dok nema značajan učinak na E. coli, treba napomenuti da tlak nije bio primijenjen. Sonikacija pri povišenim tlakovima znatno pojačava ultrazvučnu kavitaciju, a time i inaktivaciju mikroorganizama u viskoznijim tekućinama. Ultrazvučna obrada nije imala značajan učinak na antioksidacijsku aktivnost određenu aktivnošću hvatanja radikala 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), ali je znatno povećala ukupni sadržaj fenolnih spojeva. Obrada je također rezultirala stabilnijim sokom veće ujednačenosti. (usp. Baboli et al. 2020)

Ultrazvučna inaktivacija gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija

Općenito je poznato da su gram-pozitivne bakterije, poput Listeria monocytogenes ili Staphylococcus aureus, otpornije od gram-negativnih bakterija te da zbog debljih staničnih stijenki dulje podnose postupke pasterizacije kao što su PEF, HPP i manosonikacija (MS). Gram-negativne bakterije imaju dvije lipidne stanične membrane – jednu vanjsku i jednu citoplazmatsku – s tankim slojem peptidoglikana između njih, 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 postupke pasterizacije. Znanstvena istraživanja usporedila su učinak ultrazvuka velike snage na gram-negativne i gram-pozitivne bakterije te utvrdila da ima snažniji inhibicijski učinak na gram-negativne bakterije. (usp. Monsen i sur. 2009) Gram-pozitivne bakterije zahtijevaju intenzivnije uvjete ultrazvučne obrade, tj. više amplitude, više temperature, više tlakove i/ili dulje vrijeme sonikacije. Sustavi ultrazvuka velike snage tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude i raditi pri povišenim temperaturama te s reaktorima s protočnim ćelijama koji se mogu staviti pod tlak. To omogućuje intenzivnu sonikaciju / termomanosonikaciju radi inaktivacije čak i vrlo otpornih sojeva bakterija.

Ultrazvučna inaktivacija termodurnih bakterija

Termodurne bakterije su bakterije koje mogu u različitoj mjeri preživjeti postupak pasterizacije. Termodurne bakterije uključuju Bacillus, Clostridium i enterokoke. „Međutim, ultrazvučna obrada pri amplitudi od 80% tijekom 10 min inaktivirala je vegetativne stanice B. coagulans i A. flavithermus u obranom mlijeku, smanjivši njihov broj za 4,53 odnosno 4,26 logaritamskih jedinica. Kombinirani postupak pasterizacije (63 stupnja C/30 min), nakon kojeg je slijedila ultrazvučna obrada, potpuno je eliminirao približno log 6 cfu/mL tih stanica u obranom mlijeku.” (Khanal i sur. 2014)

Ultrazvučna oprema visokih performansi za pasterizaciju

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni ultrazvuka velike snage u industriji hrane i pića te u mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (dijelovima u kontaktu s tekućinom) koje se lako čiste (čišćenje na mjestu CIP / sterilizacija na mjestu SIP). Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Rad pri amplitudama do 200µm može se lako kontinuirano održavati u režimu rada 24/7. Visoke amplitude važne su za inaktivaciju otpornijih mikroorganizama (npr. gram-pozitivnih bakterija). Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Sve sonotrode i ultrazvučni reaktori s protočnim ćelijama mogu raditi pri povišenim temperaturama i tlakovima, što omogućuje pouzdanu termomanosonikaciju i vrlo učinkovitu pasterizaciju.
Najsuvremenija tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver čine uređaje tvrtke Hielscher Ultrasonics pouzdanim radnim strojevima u vašoj liniji za pasterizaciju hrane. Zahvaljujući maloj površini potrebnoj za smještaj i raznovrsnim mogućnostima ugradnje, ultrazvučni uređaji Hielscher mogu se lako integrirati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o značajkama i mogućnostima naših sustava za ultrazvučnu pasterizaciju. Rado ćemo s vama razgovarati o vašoj primjeni!
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: