液状食品の超音波パスチャライゼーション

超音波パスチャライゼーションは、E.coli、Pseudomonas fluorescens、Listeria monocytogenes、Staphylococcus aureus、Bacillus coagulans、Anoxybacillus flavithermusなど、多種多様な微生物を不活化する非加熱滅菌プロセスであり、微生物による腐敗を防ぎ、食品・飲料の長期安定性を実現します。

超音波処理による食品・飲料の非加熱パスチャライゼーション

超音波パスチャライゼーションは、食品の腐敗に関与する生物や酵素を破壊または不活化するために使用される、非加熱の代替技術です。超音波処理は、缶詰食品、牛乳、乳製品、卵、ジュース、低アルコール飲料、その他の液状食品のパスチャライゼーションに使用できます。超音波処理単独でも、加熱・加圧条件と組み合わせた超音波処理（熱・加圧併用超音波処理）でも、ジュース、牛乳、乳製品、液卵、その他の食品を効率的にパスチャライゼーションできます。高度な超音波パスチャライゼーション処理は、処理する食品の栄養成分含有量や物理的特性に超音波が悪影響を及ぼさないため、従来のパスチャライゼーション技術より優れています。液状食品のパスチャライゼーションに超音波または熱・加圧併用超音波処理を使用すると、従来の高温短時間（HTST）パスチャライゼーション法よりも高品質で、栄養豊富な製品を得られます。
Beslar et al. (2015)などの研究では、超音波処理がジュースの加工に大きな利点をもたらし得ることが示されました。これには、収率、抽出、濁度、レオロジー特性、色などの品質因子の改善に加え、保存期間の延長も含まれます。

異なる温度での超音波処理（UT）後、および同じ温度での加熱処理（HT）後の、リンゴジュース中のEscherichia coli（a）とStaphylococcus aureus（b）の生存曲線。
図および研究：Baboli et al. 2015

超音波パスチャライゼーションの仕組み

超音波による微生物の不活化と破壊は非加熱技術であり、その主な作用原理は熱に基づいていません。超音波パスチャライゼーションは、主に音響キャビテーションの効果によって起こります。音響／超音波キャビテーション現象は、微小なキャビテーション気泡の内部と周囲に生じる、局所的な高温、高圧、およびそれぞれの温度差と圧力差で知られています。さらに、音響キャビテーションは非常に強いせん断力、液体ジェット、乱流を発生させます。これらの破壊的な力は、細胞の穿孔や破砕など、微生物細胞に広範な損傷を引き起こします。細胞の穿孔と破砕は、超音波処理した細胞に見られる特有の効果であり、主にキャビテーションによって発生する液体ジェットが原因です。

超音波パスチャライゼーションは、音響キャビテーションと、それによって生じる流体力学的せん断力に基づいています

超音波処理が従来のパスチャライゼーションより優れている理由

食品・飲料業界では、細菌、酵母、真菌などの微生物を不活化または死滅させ、微生物による腐敗を防ぎ、製品の保存期間を延ばして安定性を高めるために、従来のパスチャライゼーションが広く使用されています。従来のパスチャライゼーションでは、通常100°C（212°F）未満の高温で短時間処理します。具体的な温度と処理時間は通常、対象食品と不活化すべき微生物に合わせて調整されます。パスチャライゼーションプロセスの有効性は、対数減少値として測定される微生物の不活化率によって決まります。対数減少値は、特定の温度で特定の時間内に不活化された微生物の割合を測定するものです。温度処理の条件と微生物の不活化率は、微生物の種類と食品の組成の両方に影響されます。従来の加熱によるパスチャライゼーションには、微生物の不活化が不十分になること、食品への悪影響、処理する製品全体の加熱むらなど、いくつかの欠点があります。パスチャライゼーション時間が短すぎたり、温度が低すぎたりして加熱が不十分になると、対数減少率が低くなり、その後、微生物による腐敗が起こります。過度の加熱処理は、焦げによる異味などの製品劣化や、温度に敏感な栄養成分の破壊による栄養密度の低下を引き起こす可能性があります。

従来のパスチャライゼーションの欠点

• 重要な栄養成分を破壊または損傷する可能性がある
• 異味を引き起こす可能性がある
• 多量のエネルギーを必要とする
• 耐熱性病原体の死滅に効果がない
• すべての食品に適用できるわけではない

乳製品の超音波パスチャライゼーション

超音波処理、加熱併用超音波処理、熱・加圧併用超音波処理は、牛乳および乳製品のパスチャライゼーションを目的として広く研究されてきました。例えば、処理前の初期接種菌量が許容値の5×高い場合でも、超音波によって腐敗微生物や潜在的な病原体をゼロ、または南アフリカと英国の牛乳に関する法規で認められる水準まで除去できることが確認されました。E. coliの生菌数は、10.0 minの超音波処理後に100%減少しました。さらに、Pseudomonas fluorescensの生菌数は6.0 min後に100%減少し、Listeria monocytogenesは10.0 min後に99%減少することが示されました。(Cameron et al. 2009)
研究では、加熱併用超音波処理が全脂生乳中のListeria innocuaと中温性細菌を不活化できることも実証されました。超音波は、牛乳のパスチャライゼーションと均質化に利用可能な技術であることが示されました。従来の加熱処理と比較して、pHや乳酸含有量に大きな変化を与えずに処理時間を短縮でき、外観と均一性も向上します。これらの点は、乳製品加工の多くの側面で有利です。(Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

ジュースとフルーツピューレの超音波パスチャライゼーション

リンゴジュース中のEscherichia coliとStaphylococcus aureusを不活化するために、効率的かつ迅速な代替パスチャライゼーション技術として超音波パスチャライゼーションが適用されました。果肉を含まないリンゴジュースを超音波処理した場合、5-log減少に必要な時間は、E. coliでは60degCで35 s、S. aureusでは62degCで30 sでした。この研究では、果肉含有量が多いとS. aureusに対する超音波の致死効果が低下する一方、E. coliには有意な影響がないことが確認されましたが、加圧は行われていない点に留意する必要があります。加圧下での超音波処理は超音波キャビテーションを大幅に強め、それによって粘度の高い液体中での微生物の不活化を促進します。超音波処理は、2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH）のラジカル消去活性によって評価された抗酸化活性には有意な影響を与えませんでしたが、総フェノール含有量を有意に増加させました。また、この処理により、均一性が高く、より安定したジュースが得られました。(cf. Baboli et al. 2020)

グラム陽性菌とグラム陰性菌の超音波による不活化

Listeria monocytogenesやStaphylococcus aureusなどのグラム陽性菌は、一般にグラム陰性菌よりも抵抗性が高いことが知られています。細胞壁が厚いため、PEF、HPP、加圧併用超音波処理（MS）などのパスチャライゼーション技術に対して、より長い処理時間にわたり耐えることができます。グラム陰性菌には二つの脂質性細胞膜 – 外膜と細胞質膜 – があり、その間には薄いペプチドグリカン層があります。このため、超音波による不活化を受けやすくなっています。一方、グラム陽性菌には脂質膜が一つしかなく、より厚いペプチドグリカン壁があるため、パスチャライゼーション処理に対する抵抗性が高くなっています。科学的研究では、グラム陰性菌とグラム陽性菌に対する高出力超音波の効果を比較し、グラム陰性菌に対してより強い抑制効果があることが確認されました。(cf. Monsen et al. 2009) グラム陽性菌には、より強力な超音波条件、すなわち、より高い振幅、より高い温度、より高い圧力、および／または、より長い超音波処理時間が必要です。Hielscher Ultrasonicsの高出力超音波システムは非常に高い振幅を実現でき、高温条件下で、加圧可能なフローセルリアクターを使用して運転できます。これにより、強力な超音波処理／熱・加圧併用超音波処理が可能となり、抵抗性が非常に高い細菌株も不活化できます。

耐熱性細菌の超音波による不活化

耐熱性細菌は、程度の差はあるものの、パスチャライゼーションプロセスを生き延びることができる細菌です。耐熱性細菌には、Bacillus、Clostridium、Enterococciなどが含まれます。「しかし、80%の振幅で10 min超音波処理すると、脱脂乳中のB. coagulansとA. flavithermusの栄養細胞は、それぞれ4.53および4.26 logs不活化されました。パスチャライゼーション（63 degrees C/30 min）後に超音波処理を行う併用処理によって、脱脂乳中のこれらの細胞約log 6 cfu/mLが完全に除去されました。」(Khanal et al. 2014)

高性能超音波パスチャライゼーション装置

Hielscher Ultrasonicsは、食品・飲料業界をはじめ、多くの産業分野における高出力超音波の応用で長年の経験を有しています。当社の超音波プロセッサーには、洗浄が容易な（定置洗浄CIP／定置滅菌SIP対応）ソノトロードとフローセル（接液部）が搭載されています。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。抵抗性の高い微生物（グラム陽性菌など）を不活化するには、高い振幅が重要です。さらに高い振幅が必要な場合には、カスタマイズされた超音波ソノトロードを利用できます。すべてのソノトロードと超音波フローセルリアクターは、高温・高圧下で運転でき、信頼性の高い熱・加圧併用超音波処理と、極めて効果的なパスチャライゼーションを可能にします。
最先端技術、高性能、高度なソフトウェアにより、Hielscher Ultrasonicsの装置は食品のパスチャライゼーションラインで頼りになる主力装置として機能します。設置面積が小さく、多様な設置方法に対応しているため、Hielscherの超音波処理装置は既存の生産ラインに容易に組み込んだり、後付けしたりできます。
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以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。