La pastorizzazione a ultrasuoni è un processo di sterilizzazione non termico per inattivare microbi come E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus e molti altri per prevenire il deterioramento microbico e raggiungere la stabilità a lungo termine di alimenti e bevande.

Pastorizzazione non termica degli alimenti & Bevande per sonicazione

La pastorizzazione a ultrasuoni è una tecnologia alternativa non termica che viene utilizzata per distruggere o disattivare gli organismi e gli enzimi che contribuiscono al deterioramento degli alimenti. La pastorizzazione a ultrasuoni può essere usata per pastorizzare cibi in scatola, latte, latticini, uova, succhi, bevande a basso contenuto alcolico e altri cibi liquidi. Gli ultrasuoni da soli e gli ultrasuoni combinati con condizioni di calore e pressione elevati (noti come termo-mano-sonicazione) possono pastorizzare efficacemente succhi, latte, latticini, uova liquide e altri prodotti alimentari. Un sofisticato trattamento di pastorizzazione a ultrasuoni supera le tecniche di pastorizzazione tradizionali, poiché gli ultrasuoni non hanno effetti negativi sul contenuto di sostanze nutritive e sulle caratteristiche fisiche dei prodotti alimentari trattati. L'uso degli ultrasuoni o della termo-mano-sonorizzazione per pastorizzare i prodotti alimentari liquidi può fornire un prodotto ricco di sostanze nutritive con una qualità superiore rispetto al tradizionale metodo di pastorizzazione ad alta temperatura e breve durata (HTST).
Studi di ricerca come quello di Beslar et al. (2015) hanno scoperto che il trattamento ad ultrasuoni può fornire vantaggi significativi per la lavorazione dei succhi di frutta, compresi i fattori di qualità migliorati, come la resa, l'estrazione, la torbidità, le proprietà reologiche e il colore, nonché la durata di conservazione.

Curve di sopravvivenza di Escherichia coli (a) e Staphylococcus aureus (b) nel succo di mela dopo il trattamento a ultrasuoni (UT) a diverse temperature e dopo il trattamento termico (HT) alle stesse temperature.
immagine e studio: Baboli et al. 2015

Come funziona la pastorizzazione a ultrasuoni?

L'inattivazione e la distruzione a ultrasuoni dei microbi è una tecnica non termica, il che significa che il suo principio di funzionamento principale non è basato sul calore. La pastorizzazione a ultrasuoni è causata principalmente dagli effetti della cavitazione acustica. Il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica è noto per le sue temperature localmente elevate, le pressioni e i rispettivi differenziali, che si verificano all'interno e intorno alle minute bolle di cavitazione. Inoltre, la cavitazione acustica genera forze di taglio molto intense, getti di liquido e turbolenze. Queste forze distruttive causano danni estesi alle cellule microbiche, come la perforazione e la rottura delle cellule. La perforazione e la rottura delle cellule sono effetti unici riscontrati nelle cellule trattate con gli ultrasuoni, causati principalmente dai getti di liquido generati dalla cavitazione.

La pastorizzazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e le sue forze di taglio idrodinamiche

Perché la sonicazione supera la pastorizzazione tradizionale

L'industria alimentare e delle bevande applica ampiamente la pastorizzazione convenzionale per inattivare o uccidere microbi come batteri, lieviti e funghi per prevenire il deterioramento microbico e dare ai loro prodotti una maggiore durata e stabilità. La pastorizzazione convenzionale funziona con un breve trattamento a temperature elevate di solito inferiori a 100°C (212°F). La temperatura esatta e la durata sono normalmente adattate al prodotto alimentare specifico e ai microbi che devono essere inattivati. L'efficacia di un processo di pastorizzazione è determinata dal tasso di inattivazione microbica, che si misura come riduzione log. La riduzione log misura la percentuale di microbi inattivati a una temperatura specifica in un tempo specifico. Le condizioni del trattamento della temperatura e il tasso di inattivazione microbica sono influenzati dal tipo di microbi e dalla composizione del prodotto alimentare. La pastorizzazione tradizionale basata sul calore ha diversi svantaggi che vanno da un'inattivazione microbica insufficiente, effetti negativi sul prodotto alimentare e un riscaldamento non uniforme attraverso il prodotto trattato. Un riscaldamento insufficiente a causa della breve durata della pastorizzazione o di una temperatura troppo bassa porta a un basso tasso di riduzione dei log e al conseguente deterioramento microbico. Un trattamento termico eccessivo può causare il deterioramento del prodotto come sapori bruciati e una minore densità di nutrienti a causa della distruzione delle sostanze nutritive sensibili alla temperatura.

Svantaggi della pastorizzazione convenzionale

• può distruggere o danneggiare importanti nutrienti
• può causare off-flavour
• alti requisiti energetici
• inefficace contro gli agenti patogeni resistenti al calore
• non applicabile a tutti i prodotti alimentari

Pastorizzazione a ultrasuoni del latte

La sonicazione, la termosonicazione e la termomano-sonicazione sono state ampiamente studiate per la pastorizzazione del latte e dei prodotti caseari. Ad esempio, è stato riscontrato che gli ultrasuoni eliminano il deterioramento e i potenziali patogeni a zero o a livelli accettabili per la legislazione sudafricana e britannica sul latte, anche quando prima del trattamento erano presenti cariche iniziali di inoculo 5 volte superiori a quelle consentite. La conta delle cellule vitali di E. coli è stata ridotta del 100% dopo 10,0 minuti di ultrasuoni. Inoltre, è stato dimostrato che la conta vitale di Pseudomonas fluorescens è stata ridotta del 100% dopo 6,0 minuti e quella di Listeria monocytogenes del 99% dopo 10,0 minuti (Cameron et al. 2009).
La ricerca ha anche dimostrato che la termosonorizzazione può inattivare la Listeria innocua e i batteri mesofili nel latte intero crudo. Gli ultrasuoni hanno dimostrato di essere una tecnologia valida per la pastorizzazione e l'omogeneizzazione del latte, mostrando tempi di lavorazione più brevi senza importanti cambiamenti nel pH e nel contenuto di acido lattico, insieme a un aspetto e una consistenza migliori rispetto al trattamento termico convenzionale. Questi fatti sono vantaggiosi in molti aspetti della lavorazione del latte. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pastorizzazione a ultrasuoni di succhi e puree di frutta

La pastorizzazione a ultrasuoni è stata applicata come un'efficiente e rapida tecnica di pastorizzazione alternativa per inattivare l'Escherichia coli e lo Staphylococcus aureus nel succo di mela. Quando il succo di mela privo di polpa è stato trattato con gli ultrasuoni, il tempo di riduzione di 5-log è stato di 35 s per E. coli a 60degC e di 30 s per S. aureus a 62degC. Anche se nello studio è stato trovato che l'alto contenuto di polpa ha reso gli ultrasuoni meno letali per S. aureus, mentre non ha avuto alcun effetto significativo su E. coli, va notato che non è stata applicata alcuna pressione. La sonicazione a pressioni elevate intensifica significativamente la cavitazione ultrasonica e quindi l'inattivazione microbica nei liquidi più viscosi. Il trattamento a ultrasuoni non ha avuto alcun effetto significativo sull'attività antiossidante determinata da 2,2-difenil-1-picrylhydrazyl (DPPH), ma ha aumentato significativamente il contenuto fenolico totale. Il trattamento ha anche prodotto un succo più stabile con una maggiore uniformità. (cfr. Baboli et al. 2020)

Inattivazione a ultrasuoni di batteri Gram-Positivi e Gram-Negativi

I batteri gram positivi, come Listeria monocytogenes o Staphylococcus aureus, sono in generale noti per essere più resistenti dei batteri gram negativi e per resistere alle tecnologie di pastorizzazione come PEF, HPP e mano-sonicazione (MS) per periodi di trattamento più lunghi a causa delle pareti cellulari più spesse. I batteri gram-negativi hanno due – uno esterno e uno citoplasmatico – membrane cellulari lipidiche con un sottile strato di peptidoglicano tra di loro, che li rende più suscettibili all'inattivazione ultrasonica. D'altra parte, i batteri gram-positivi hanno una sola membrana lipidica con una parete di peptidoglicano più spessa, che dà loro più resistenza contro i trattamenti di pastorizzazione. Ricerche scientifiche hanno confrontato l'effetto degli ultrasuoni di potenza sui batteri gram-negativi e gram-positivi e hanno scoperto che hanno un effetto inibitorio più forte sui batteri gram-negativi. (cfr. Monsen et al. 2009) I batteri gram-positivi richiedono condizioni di ultrasuoni più intense, vale a dire ampiezze più elevate, temperature più elevate, pressioni più elevate e/o tempi di sonicazione più lunghi. I sistemi a ultrasuoni di potenza della Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate e possono essere utilizzati a temperature elevate e con reattori a celle di flusso pressurizzabili. Questo permette un'intensa sonicazione / termo-mano-sonicazione per inattivare anche ceppi di batteri molto resistenti.

Inattivazione a ultrasuoni di batteri termodurici

I batteri termodurici sono batteri che possono sopravvivere, in varia misura, al processo di pastorizzazione. Le specie di batteri termodurici includono Bacillus, Clostridium ed Enterococchi. "L'ultrasuonazione all'80% di ampiezza per 10 minuti ha inattivato le cellule vegetative di B. coagulans e A. flavithermus nel latte scremato rispettivamente di 4,53 e 4,26 log. Un trattamento combinato di pastorizzazione (63 gradi C/30 min) seguito da ultrasuoni ha eliminato completamente circa log 6 cfu/mL di queste cellule nel latte scremato." (Khanal et al. 2014)

Apparecchiatura di pastorizzazione a ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics ha una lunga esperienza nell'applicazione degli ultrasuoni di potenza nel settore alimentare & l'industria delle bevande e molti altri settori industriali. I nostri processori a ultrasuoni sono dotati di sonotrodi e celle di flusso (le parti umide) facili da pulire (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente eseguite in modo continuo in un funzionamento 24/7. Le ampiezze elevate sono importanti per inattivare i microbi più resistenti (ad esempio, i batteri gram-positivi). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tutti i sonotrodi e i reattori a celle a flusso ultrasonico possono funzionare a temperature e pressioni elevate, il che consente una termo-mano-sonorizzazione affidabile e una pastorizzazione altamente efficace.
Tecnologia all'avanguardia, alte prestazioni e software sofisticato fanno di Hielscher Ultrasonics’ cavalli di battaglia affidabili nella vostra linea di pastorizzazione alimentare. Con un ingombro ridotto e opzioni di installazione versatili, gli ultrasuoni Hielscher possono essere facilmente integrati o adattati a linee di produzione esistenti.
Contattateci per saperne di più sulle caratteristiche e la capacità dei nostri sistemi di pastorizzazione a ultrasuoni. Saremo lieti di discutere con voi della vostra applicazione!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: