液体食品の超音波殺菌

超音波低温殺菌は、大腸菌、シュードモナス・フルオレッセンス、リステリア菌、黄色ブドウ球菌、バチルス・コアギュランス、アノキシバチルス・フラビテルムスなどの微生物を不活性化する非加熱殺菌プロセスで、微生物の腐敗を防ぎ、食品や飲料の長期安定性を実現する。

食品の非加熱殺菌 & ソニケーションによる飲料

超音波殺菌は非加熱の代替技術であり、食品の腐敗の原因となる生物や酵素を破壊または不活性化するために使用される。超音波殺菌は、缶詰、牛乳、乳製品、卵、ジュース、アルコール度数の低い飲料、その他の液体食品の殺菌に使用できる。超音波処理のみならず、超音波と高熱・高圧条件（サーモ・マノ・ソニケーションとして知られる）を組み合わせることで、ジュース、牛乳、乳製品、液卵、その他の食品を効率的に低温殺菌することができる。洗練された超音波低温殺菌処理は、超音波が処理食品の栄養成分や物理的特性に悪影響を与えないため、従来の低温殺菌技術よりも優れている。液体食品を低温殺菌するために超音波またはサーモマノソニケーションを使用すると、従来の高温短時間（HTST）低温殺菌法よりも高品質で栄養豊富な製品を提供することができる。
Beslarら(2015)のような研究では、超音波処理は、収量、抽出、濁り、レオロジー特性、色、保存期間などの品質要素を向上させるなど、ジュースの加工に大きな利点をもたらすことがわかった。

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大腸菌（a）および黄色ブドウ球菌（b）の生存曲線。
写真と研究バボリら2015

超音波殺菌の仕組み

超音波による微生物の不活性化および破壊は、非加熱技術であり、その主な作業原理は熱に基づいていないことを意味する。超音波殺菌は、主に音響キャビテーションの効果によって引き起こされる。音響キャビテーション/超音波キャビテーション現象は、微細なキャビテーション気泡内およびその周囲で発生する局所的な高温、高圧、およびそれぞれの差圧で知られている。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、乱流を発生させる。これらの破壊的な力は、細胞の穿孔や破壊など、微生物細胞に甚大な損傷を与えます。細胞の穿孔と破壊は、主にキャビテーションによって発生する液体ジェットによって引き起こされる超音波処理細胞に見られる独特の効果である。

超音波低温殺菌は、音響キャビテーションとその流体力学的せん断力に基づいている。

ソニケーションが従来の低温殺菌に勝る理由

食品・飲料業界では、細菌、酵母、真菌などの微生物を不活性化または死滅させ、微生物による腐敗を防ぎ、製品の保存期間と安定性を長くするために、従来の低温殺菌を広く適用している。従来の低温殺菌は、通常100℃（212°F）以下の高温で短時間処理することで機能する。正確な温度と時間は通常、特定の食品と不活性化しなければならない微生物に合わせて調整される。低温殺菌プロセスの有効性は、微生物の不活性化率によって決定される。対数減少は、特定の温度で特定の時間にわたって不活化された微生物の割合を測定する。温度処理の条件と微生物の不活性化率は、微生物の種類や食品の組成に影響される。従来の加熱殺菌には、微生物の不活性化が不十分であったり、食品に悪影響を与えたり、処理された製品の加熱が不均一であったりと、いくつかの欠点がある。殺菌時間が短かったり、温度が低すぎたりして加熱が不十分だと、対数減少率が低くなり、その結果微生物が腐敗する。加熱処理のしすぎは、焦げたようなオフフレーバーや、温度に敏感な栄養素の破壊による栄養密度の低下など、製品の劣化を引き起こす。

従来の低温殺菌の欠点

• 重要な栄養素を破壊または損傷する可能性がある
• オフフレーバーの原因となる
• 高いエネルギー要求
• 耐熱性病原体には無効
• すべての食品に適用されるわけではない

乳製品の超音波殺菌

超音波処理、サーモソニケーション、サーモマノソニケーションは、牛乳や乳製品の低温殺菌のために広く研究されてきた。例えば、超音波は、処理前の初期接種量が許容量の5倍であったとしても、腐敗菌や潜在的病原菌をゼロ、あるいは南アフリカやイギリスの生乳法で許容されるレベルまで除去することがわかった。大腸菌の生菌数は10.0分間の超音波処理で100％減少した。さらに、Pseudomonas fluorescensの生菌数は6.0分後に100%減少し、Listeria monocytogenesは10.0分後に99%減少することが示された（Cameron et al.）
また、熱超音波処理によって生乳中のリステリア菌や好中性菌を不活性化できることも実証された。超音波は生乳の低温殺菌と均質化に有効な技術であり、従来の熱処理と比較して、pHと乳酸含量に重要な変化を与えることなく処理時間を短縮し、外観と一貫性を改善することが示された。これらの事実は、乳製品加工の多くの面で有利である。(Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

ジュースとフルーツピューレの超音波殺菌

リンゴ果汁中の大腸菌および黄色ブドウ球菌を不活化するために、効率的で迅速な代替殺菌技術として超音波殺菌を適用した。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減少時間は大腸菌で60℃で35秒、黄色ブドウ球菌で62℃で30秒であった。この研究では、果肉含有量が高いと黄色ブドウ球菌に対する超音波処理の致死性が低くなることがわかったが、大腸菌には大きな影響はなかった。高圧下での超音波処理は、より粘性の高い液体において、超音波キャビテーションを著しく強め、それによって微生物の不活化を促進する。超音波処理は、2,2-ジフェニル-1-ピクリルヒドラジル（DPPH）ラジカル消去活性による抗酸化活性には有意な影響を与えなかったが、総フェノール含量は有意に増加した。この処理により、より均一で安定した果汁が得られた。(参照：Baboli et al.）

超音波によるグラム陽性および陰性細菌の不活性化

リステリア・モノサイトゲネスや黄色ブドウ球菌のようなグラム陽性菌は、一般的にグラム陰性菌よりも耐性が強く、細胞壁が厚いため、PEF、HPP、マノソニケーション（MS）のような低温殺菌技術に長い処理期間耐えることが知られている。グラム陰性菌には2つの – 外部と細胞質 – グラム陽性菌の細胞膜は脂質でできており、その間に薄いペプチドグリカン層があるため、超音波による不活化処理に弱い。一方、グラム陽性菌の細胞膜は脂質一重膜のみで、ペプチドグリカン層が厚く、低温殺菌処理に対する耐性が強い。科学的調査により、グラム陰性菌とグラム陽性菌に対するパワー超音波の効果が比較され、グラム陰性菌により強い抑制効果があることがわかった。(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のパワー超音波システムは、非常に高い振幅を提供することができ、高温、加圧可能なフローセルリアクターで操作することができます。これにより、非常に耐性の高い細菌株でさえ不活性化するための強力な超音波処理/熱超音波処理が可能になります。

超音波による熱性尿毒症菌の不活性化

熱加水分解性細菌は、低温殺菌工程を様々な程度で生き延びることができる細菌である。熱崩壊性細菌には、バチルス属、クロストリジウム属、腸球菌属が含まれる。「80％の振幅で10分間の超音波処理により、スキムミルク中のB. coagulansとA. flavithermusの植物細胞は、それぞれ4.53ログと4.26ログ不活性化された。低温殺菌（63℃/30分）と超音波処理を組み合わせることで、スキムミルク中のこれらの細胞は対数6cfu/mL程度完全に除去された。(Khanal et al. 2014)

高性能超音波殺菌装置

Hielscher Ultrasonics社は、食品分野でのパワー超音波の応用において長年の経験を有しています。 & 飲料業界をはじめ、多くの産業分野で使用されています。当社の超音波処理装置は、洗浄が容易な（CIP/SIP）ソノトロードとフローセル（ウェットパーツ）を装備しています。Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易である。高振幅は、より耐性の高い微生物（グラム陽性菌など）を不活性化するために重要です。さらに高い振幅を得るために、カスタマイズされた超音波ソノトロードを用意しています。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、高温高圧下で作動させることができ、信頼性の高いサーモマノソニケーションと非常に効果的な低温殺菌を可能にします。
最先端技術、高性能、洗練されたソフトウェアが、Hielscher Ultrasonicsを実現します。’ 食品殺菌ラインにおける信頼性の高いワークホースです。設置面積が小さく、多様な設置オプションがあるため、Hielscherの超音波発生装置は、既存の生産ラインに簡単に統合したり、後付けしたりすることができます。
超音波低温殺菌システムの特徴や能力についてもっとお知りになりたい方は、ぜひ弊社までご連絡ください。お気軽にご相談ください！
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：