Pastorizzazione a ultrasuoni degli alimenti liquidi

La pastorizzazione a ultrasuoni è un processo di sterilizzazione non termico che inattiva microrganismi quali 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 di alimenti e bevande mediante sonicazione

La pastorizzazione a ultrasuoni è una tecnologia alternativa non termica utilizzata per distruggere o disattivare organismi ed enzimi che contribuiscono al deterioramento degli alimenti. La sonicazione può essere utilizzata per pastorizzare alimenti in scatola, latte, prodotti lattiero-caseari, uova, succhi, bevande a basso contenuto alcolico e altri alimenti liquidi. La sonicazione da sola, così come gli ultrasuoni combinati con condizioni di temperatura e pressione elevate (processo noto come termo-mano-sonicazione), possono pastorizzare efficacemente succhi, latte, prodotti lattiero-caseari, uova liquide e altri prodotti alimentari. Un trattamento avanzato di pastorizzazione a ultrasuoni supera le tecniche di pastorizzazione tradizionali, poiché gli ultrasuoni non influiscono negativamente sul contenuto di nutrienti e sulle caratteristiche fisiche dei prodotti alimentari trattati. L’impiego degli ultrasuoni o della termo-mano-sonicazione per pastorizzare prodotti alimentari liquidi può fornire un prodotto ricco di nutrienti e di qualità superiore rispetto al metodo tradizionale di pastorizzazione ad alta temperatura per breve tempo (HTST).
Studi di ricerca, come quello di Beslar et al. (2015), hanno rilevato che il trattamento a ultrasuoni può offrire vantaggi significativi nella lavorazione dei succhi, tra cui il miglioramento di fattori qualitativi quali resa, estrazione, torbidità, proprietà reologiche e colore, nonché della 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 dei microrganismi mediante ultrasuoni sono una tecnica non termica, il cui principio di funzionamento principale non si basa quindi sul calore. La pastorizzazione a ultrasuoni è dovuta principalmente agli effetti della cavitazione acustica. Il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica è noto per le temperature e le pressioni localmente elevate, e per i rispettivi differenziali, che si verificano all’interno e intorno alle minuscole bolle di cavitazione. Inoltre, la cavitazione acustica genera forze di taglio, getti di liquido e turbolenze molto intensi. Queste forze distruttive causano danni estesi alle cellule microbiche, come la perforazione e la disgregazione cellulare. La perforazione e la disgregazione cellulare sono effetti peculiari 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 utilizza ampiamente la pastorizzazione convenzionale per inattivare o uccidere microrganismi quali batteri, lieviti e funghi, al fine di prevenire il deterioramento microbico e conferire ai prodotti una maggiore durata di conservazione e stabilità. La pastorizzazione convenzionale si basa su un breve trattamento a temperature elevate, solitamente inferiori a 100°C (212°F). La temperatura e la durata esatte vengono normalmente adattate al prodotto alimentare specifico e ai microrganismi da inattivare. L’efficacia di un processo di pastorizzazione è determinata dal tasso di inattivazione microbica, misurato come riduzione logaritmica. La riduzione logaritmica misura la percentuale di microrganismi inattivati a una determinata temperatura nell’arco di un determinato periodo di tempo. Le condizioni del trattamento termico e il tasso di inattivazione microbica sono influenzati dal tipo di microrganismi e dalla composizione del prodotto alimentare. La pastorizzazione termica tradizionale 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 durata della pastorizzazione troppo breve o a una temperatura troppo bassa determina una riduzione logaritmica limitata e un successivo deterioramento microbico. Un trattamento termico eccessivo può causare un deterioramento del prodotto, come sapori sgradevoli di bruciato e una minore densità nutrizionale dovuta alla distruzione dei nutrienti termosensibili.

Svantaggi della pastorizzazione convenzionale

• può distruggere o danneggiare nutrienti importanti
• può causare sapori sgradevoli
• elevato fabbisogno energetico
• inefficace nell’eliminare i patogeni resistenti al calore
• non applicabile a tutti i prodotti alimentari

Pastorizzazione a ultrasuoni dei prodotti lattiero-caseari

La sonicazione, la termo-sonicazione e la termo-mano-sonicazione sono state ampiamente studiate per la pastorizzazione del latte e dei prodotti lattiero-caseari. Ad esempio, è stato riscontrato che gli ultrasuoni eliminano i microrganismi responsabili del deterioramento e i potenziali patogeni, riducendoli a zero o a livelli accettabili secondo la legislazione sudafricana e britannica sul latte, anche quando prima del trattamento erano presenti cariche iniziali dell’inoculo 5× superiori a quelle consentite. Le conte di cellule vitali di E. coli sono state ridotte del 100% dopo 10,0 min di sonicazione. È stato inoltre dimostrato che le conte vitali di Pseudomonas fluorescens sono state ridotte del 100% dopo 6,0 min e quelle di Listeria monocytogenes del 99% dopo 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
La ricerca ha anche dimostrato che la termo-sonicazione può inattivare Listeria innocua e i batteri mesofili nel latte intero crudo. Gli ultrasuoni si sono dimostrati una tecnologia praticabile per la pastorizzazione e l’omogeneizzazione del latte, con tempi di trattamento più brevi senza variazioni importanti del pH e del contenuto di acido lattico, oltre a un aspetto e una consistenza migliori rispetto al trattamento termico convenzionale. Questi risultati sono vantaggiosi per molti aspetti della lavorazione dei prodotti lattiero-caseari. (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 efficiente e rapida per inattivare Escherichia coli e Staphylococcus aureus nel succo di mela. Quando il succo di mela privo di polpa è stato trattato con ultrasuoni, il tempo necessario per una riduzione di 5 log è stato di 35 s per E. coli a 60degC e di 30 s per S. aureus a 62degC. Sebbene lo studio abbia rilevato che un elevato contenuto di polpa rendeva gli ultrasuoni meno letali per S. aureus, senza effetti significativi su E. coli, occorre precisare che non è stata applicata pressione. La sonicazione a pressioni elevate intensifica significativamente la cavitazione ultrasonica e, di conseguenza, l’inattivazione microbica nei liquidi più viscosi. Il trattamento a ultrasuoni non ha avuto effetti significativi sull’attività antiossidante, determinata mediante l’attività di neutralizzazione del radicale 2,2-difenil-1-picrilidrazile (DPPH), ma ha aumentato significativamente il contenuto fenolico totale. Il trattamento ha inoltre prodotto un succo più stabile e più uniforme. (cfr. Baboli et al. 2020)

Inattivazione a ultrasuoni dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi

I batteri Gram-positivi, come Listeria monocytogenes o Staphylococcus aureus, sono generalmente noti per essere più resistenti dei batteri Gram-negativi e, grazie alle pareti cellulari più spesse, resistono più a lungo a tecnologie di pastorizzazione quali PEF, HPP e mano-sonicazione (MS). I batteri Gram-negativi hanno due membrane cellulari lipidiche – una esterna e una citoplasmatica – con un sottile strato di peptidoglicano interposto, 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 conferisce loro una maggiore resistenza ai trattamenti di pastorizzazione. Studi scientifici hanno confrontato l’effetto degli ultrasuoni di potenza sui batteri Gram-negativi e Gram-positivi, riscontrando un effetto inibitorio più forte sui batteri Gram-negativi. (cfr. Monsen et al. 2009) I batteri Gram-positivi richiedono condizioni ultrasoniche più intense, ossia ampiezze, temperature e pressioni più elevate e/o tempi di sonicazione più lunghi. I sistemi a ultrasuoni di potenza di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate e funzionare a temperature elevate e con reattori a cella di flusso pressurizzabili. Ciò consente una sonicazione / termo-mano-sonicazione intensa 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 batteriche termoduriche comprendono Bacillus, Clostridium ed enterococchi. “La sonicazione all’80% di ampiezza per 10 min ha tuttavia inattivato le cellule vegetative di B. coagulans e A. flavithermus nel latte scremato, con riduzioni rispettivamente di 4,53 e 4,26 log. Un trattamento combinato di pastorizzazione (63 gradi C/30 min) seguito da sonicazione ha eliminato completamente circa log 6 cfu/mL di queste cellule nel latte scremato.” (Khanal et al. 2014)

Apparecchiature ad alte prestazioni per la pastorizzazione a ultrasuoni

Hielscher Ultrasonics vanta una lunga esperienza nell’applicazione degli ultrasuoni di potenza nell’industria alimentare e delle bevande, così come in molti altri settori industriali. I nostri processori a ultrasuoni sono dotati di sonotrodi e celle di flusso (le parti a contatto con il prodotto) facili da pulire (pulizia in loco CIP / sterilizzazione in loco SIP). I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Le ampiezze elevate sono importanti per inattivare i microrganismi più resistenti (ad es. i batteri Gram-positivi). Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tutti i sonotrodi e i reattori a cella di flusso a ultrasuoni possono funzionare a temperature e pressioni elevate, consentendo una termo-mano-sonicazione affidabile e una pastorizzazione altamente efficace.
Tecnologia all’avanguardia, prestazioni elevate e software avanzato rendono le apparecchiature di Hielscher Ultrasonics strumenti di lavoro affidabili nella vostra linea di pastorizzazione alimentare. Grazie all’ingombro ridotto e alle versatili opzioni di installazione, i sonicatori Hielscher possono essere facilmente integrati nelle linee di produzione esistenti, anche mediante adeguamento degli impianti.
Contattateci subito per saperne di più sulle caratteristiche e sulle 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 trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: