Pastorizzazione a ultrasuoni di alimenti liquidi

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 ottenere una 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 utilizzata per distruggere o disattivare gli organismi e gli enzimi che contribuiscono al deterioramento degli alimenti. La pastorizzazione a ultrasuoni può essere utilizzata per pastorizzare alimenti in scatola, latte, latticini, uova, succhi, bevande a basso contenuto alcolico e altri alimenti liquidi. Gli ultrasuoni da soli o combinati con condizioni di calore e pressione elevati (noti come termo-mano-sonorizzazione) possono pastorizzare efficacemente succhi, latte, latticini, uova liquide e altri prodotti alimentari. Un sofisticato trattamento di pastorizzazione a ultrasuoni è superiore alle tecniche di pastorizzazione tradizionali, poiché gli ultrasuoni non influiscono negativamente sul contenuto di nutrienti e sulle caratteristiche fisiche dei prodotti alimentari trattati. L'utilizzo degli ultrasuoni o della termo-mano-sonorizzazione per pastorizzare i prodotti alimentari liquidi può fornire un prodotto ricco di sostanze nutritive e di qualità superiore rispetto al tradizionale metodo di pastorizzazione ad alta temperatura e breve tempo (HTST).
Studi di ricerca come quello di Beslar et al. (2015) hanno rilevato che il trattamento a ultrasuoni può fornire vantaggi significativi per la lavorazione dei succhi, tra cui il miglioramento dei fattori di qualità, come la resa, l'estrazione, la torbidezza, le proprietà reologiche e il colore, nonché la conservabilità.

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

Come funziona la pastorizzazione a ultrasuoni?

L'inattivazione e la distruzione dei microbi a ultrasuoni è una tecnica non termica, il che significa che il suo principio di funzionamento principale non si basa 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, pressioni e rispettivi differenziali localmente elevati, che si verificano all'interno e intorno alle minuscole 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 ultrasuoni, causati principalmente dai getti di liquido generati dalla cavitazione.

La pastorizzazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e sulle 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, al fine di prevenire il deterioramento microbico e dare ai 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 e la durata esatte sono normalmente regolate in base 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, misurato come riduzione log. La riduzione log misura la percentuale di microbi inattivati a una temperatura specifica per un tempo specifico. Le condizioni del trattamento termico e il tasso di inattivazione microbica sono influenzati dal tipo di microbi e dalla composizione del prodotto alimentare. La pastorizzazione tradizionale basata sul calore presenta diversi svantaggi, tra cui un'inattivazione microbica insufficiente, effetti negativi sul prodotto alimentare e un riscaldamento non uniforme del prodotto trattato. Un riscaldamento insufficiente, dovuto a una breve durata della pastorizzazione o a una temperatura troppo bassa, provoca un basso tasso di riduzione dei log e il conseguente deterioramento microbico. Un trattamento termico eccessivo può causare il deterioramento del prodotto, come sapori bruciati e una minore densità nutritiva dovuta alla distruzione di sostanze nutritive sensibili alla temperatura.

Svantaggi della pastorizzazione convenzionale

• può distruggere o danneggiare importanti sostanze nutritive
• può causare sapori sgradevoli
• elevato fabbisogno energetico
• inefficace per uccidere gli agenti patogeni resistenti al calore
• non applicabile a tutti i prodotti alimentari

Pastorizzazione a ultrasuoni dei prodotti lattiero-caseari

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 Listeria innocua e 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 cambiamenti importanti nel pH e nel contenuto di acido lattico, oltre 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 tecnica di pastorizzazione alternativa efficace e rapida per inattivare Escherichia coli e Staphylococcus aureus nel succo di mela. Quando il succo di mela privo di polpa è stato trattato a ultrasuoni, il tempo di riduzione di 5 log è stato di 35 s per l'Escherichia coli a 60°C e di 30 s per lo S. aureus a 62°C. Sebbene nello studio sia emerso che l'elevato contenuto di polpa rende 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 con ultrasuoni non ha avuto un effetto significativo sull'attività antiossidante determinata dall'attività di scavenging dei radicali 2,2-difenil-1-picrylhydrazyl (DPPH), ma ha aumentato significativamente il contenuto fenolico totale. Il trattamento ha anche permesso di ottenere un succo più stabile e con una maggiore uniformità. (cfr. Baboli et al. 2020)

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

I batteri gram positivi, come Listeria monocytogenes o Staphylococcus aureus, sono in genere noti per essere più resistenti dei batteri gram-negativi e sopportano le tecnologie di pastorizzazione come PEF, HPP e la mano-sonorizzazione (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 esse, il che li rende più suscettibili all'inattivazione a ultrasuoni. I batteri gram-positivi, invece, hanno una sola membrana lipidica con una parete di peptidoglicano più spessa, che li rende più resistenti ai trattamenti di pastorizzazione. Le indagini scientifiche hanno confrontato l'effetto degli ultrasuoni di potenza sui batteri gram-negativi e gram-positivi e hanno rilevato un effetto inibitorio più forte sui batteri gram-negativi. (cfr. Monsen et al. 2009) I batteri gram-positivi richiedono condizioni di ultrasuoni più intense, cioè ampiezze più elevate, temperature più alte, pressioni più elevate e/o tempi di sonicazione più lunghi. I sistemi a ultrasuoni di potenza di Hielscher Ultrasonics sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e possono essere utilizzati a temperature elevate e con reattori a celle di flusso pressurizzabili. Ciò consente una sonicazione intensa / termo-mano-sonorizzazione per inattivare anche ceppi batterici molto resistenti.

Inattivazione a ultrasuoni dei batteri termodurici

I batteri termodurici sono batteri che possono sopravvivere, in misura variabile, al processo di pastorizzazione. Le specie di batteri termodurici includono Bacillus, Clostridium ed Enterococchi. "Gli ultrasuoni all'80% di ampiezza per 10 minuti hanno tuttavia 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 ufc/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 industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 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 termomano-sonorizzazione affidabile e una pastorizzazione altamente efficace.
Tecnologia all'avanguardia, alte prestazioni e software sofisticato fanno di Hielscher Ultrasonics’ affidabili cavalli di battaglia della vostra linea di pastorizzazione alimentare. Con un ingombro ridotto e opzioni di installazione versatili, gli ultrasonici Hielscher possono essere facilmente integrati o adattati alle linee di produzione esistenti.
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: