Šķidru pārtikas produktu pasterizācija ar ultraskaņu

Pasterizācija ar ultraskaņu ir netermisks sterilizācijas process tādu mikroorganismu kā E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus un daudzu citu inaktivēšanai, lai novērstu mikrobioloģisko bojāšanos un nodrošinātu pārtikas produktu un dzērienu ilgtermiņa stabilitāti.

Pārtikas produktu un dzērienu netermiska pasterizācija ar ultraskaņu

Pasterizācija ar ultraskaņu ir alternatīva netermiska tehnoloģija, ko izmanto, lai iznīcinātu vai deaktivētu organismus un fermentus, kas veicina pārtikas bojāšanos. Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot konservētu pārtikas produktu, piena, piena produktu, olu, sulu, dzērienu ar zemu alkohola saturu un citu šķidru pārtikas produktu pasterizēšanai. Gan apstrāde tikai ar ultraskaņu, gan ultraskaņa apvienojumā ar paaugstinātu temperatūru un spiedienu (ko dēvē par termo-mano-sonikāciju) var efektīvi pasterizēt sulas, pienu, piena produktus, šķidrus olu produktus un citus pārtikas produktus. Pilnveidota pasterizācija ar ultraskaņu pārspēj tradicionālās pasterizācijas metodes, jo ultraskaņa nelabvēlīgi neietekmē apstrādāto pārtikas produktu uzturvielu saturu un fizikālās īpašības. Ultraskaņas vai termo-mano-sonikācijas izmantošana šķidru pārtikas produktu pasterizēšanai var nodrošināt uzturvielām bagātu produktu ar augstāku kvalitāti nekā tradicionālā īslaicīgās pasterizācijas metode augstā temperatūrā (HTST).
Pētījumos, piemēram, Beslar et al. (2015) pētījumā, konstatēts, ka apstrāde ar ultraskaņu var sniegt būtiskas priekšrocības sulu pārstrādē, tostarp uzlabot tādus kvalitātes rādītājus kā iznākums, ekstrakcija, duļķainība, reoloģiskās īpašības un krāsa, kā arī pagarināt derīguma termiņu.

Escherichia coli (a) un Staphylococcus aureus (b) izdzīvošanas līknes ābolu sulā pēc apstrādes ar ultraskaņu (UT) dažādās temperatūrās un pēc termiskās apstrādes (HT) tajās pašās temperatūrās.
attēls un pētījums: Baboli et al. 2015

Kā darbojas pasterizācija ar ultraskaņu?

Mikroorganismu inaktivēšana un iznīcināšana ar ultraskaņu ir netermiska metode, kas nozīmē, ka tās galvenais darbības princips nav balstīts uz siltumu. Pasterizāciju ar ultraskaņu galvenokārt nodrošina akustiskās kavitācijas iedarbība. Akustiskās / ultraskaņas kavitācijas parādībai raksturīga lokāli augsta temperatūra un spiediens, kā arī attiecīgas temperatūras un spiediena starpības, kas rodas sīkajos kavitācijas burbulīšos un ap tiem. Turklāt akustiskā kavitācija rada ļoti intensīvus bīdes spēkus, šķidruma strūklas un turbulenci. Šie destruktīvie spēki rada plašus mikroorganismu šūnu bojājumus, piemēram, šūnu perforāciju un sagraušanu. Šūnu perforācija un sagraušana ir unikālas iedarbības izpausmes ar ultraskaņu apstrādātās šūnās, ko galvenokārt izraisa kavitācijas radītās šķidruma strūklas.

Pasterizācija ar ultraskaņu balstās uz akustisko kavitāciju un tās hidrodinamiskajiem bīdes spēkiem

Kāpēc apstrāde ar ultraskaņu pārspēj tradicionālo pasterizāciju

Pārtikas un dzērienu rūpniecībā tradicionālo pasterizāciju plaši izmanto, lai inaktivētu vai iznīcinātu mikroorganismus, piemēram, baktērijas, raugus un sēnes, novērstu mikrobioloģisku bojāšanos un nodrošinātu produktiem ilgāku derīguma termiņu un stabilitāti. Tradicionālā pasterizācija ietver īslaicīgu apstrādi paaugstinātā temperatūrā, kas parasti ir zemāka par 100°C (212°F). Precīzu temperatūru un apstrādes ilgumu parasti pielāgo konkrētajam pārtikas produktam un mikroorganismiem, kuri jāinaktivē. Pasterizācijas procesa efektivitāti nosaka pēc mikroorganismu inaktivācijas pakāpes, ko mēra kā logaritmisko samazinājumu. Logaritmiskais samazinājums raksturo noteiktā temperatūrā noteiktā laikā inaktivēto mikroorganismu procentuālo daudzumu. Termiskās apstrādes apstākļus un mikroorganismu inaktivācijas pakāpi ietekmē gan mikroorganismu veids, gan pārtikas produkta sastāvs. Tradicionālajai termiskajai pasterizācijai ir vairāki trūkumi, tostarp nepietiekama mikroorganismu inaktivācija, nelabvēlīga ietekme uz pārtikas produktu un nevienmērīga apstrādājamā produkta uzsildīšana visā tā tilpumā. Nepietiekama uzsildīšana pārāk īsa pasterizācijas ilguma vai pārāk zemas temperatūras dēļ rada mazu logaritmisko samazinājumu un turpmāku mikrobioloģisku bojāšanos. Pārmērīga termiskā apstrāde var pasliktināt produkta kvalitāti, piemēram, radīt piedeguma piegaršu un samazināt uzturvielu koncentrāciju, jo tiek iznīcinātas pret temperatūru jutīgas uzturvielas.

Tradicionālās pasterizācijas trūkumi

• var iznīcināt vai bojāt svarīgas uzturvielas
• var radīt nevēlamas piegaršas
• liels enerģijas patēriņš
• neefektīva karstumizturīgu patogēnu iznīcināšanai
• nav piemērojama visiem pārtikas produktiem

Piena produktu pasterizācija ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu, termiskā apstrāde ar ultraskaņu un termiskā apstrāde ar ultraskaņu paaugstinātā spiedienā ir plaši pētītas piena un piena produktu pasterizācijai. Piemēram, tika konstatēts, ka ultraskaņa samazina bojāšanos izraisošo un potenciāli patogēno mikroorganismu daudzumu līdz nullei vai līdz Dienvidāfrikas un Lielbritānijas piena apriti reglamentējošajos tiesību aktos pieļaujamam līmenim pat tad, ja pirms apstrādes sākotnējais inokulāta daudzums bija 5× lielāks par atļauto. Pēc 10,0 min ilgas apstrādes ar ultraskaņu dzīvotspējīgo E. coli šūnu skaits samazinājās par 100%. Turklāt tika pierādīts, ka dzīvotspējīgo Pseudomonas fluorescens šūnu skaits pēc 6,0 min samazinājās par 100%, bet Listeria monocytogenes šūnu skaits pēc 10,0 min samazinājās par 99%. (Cameron et al. 2009)
Pētījumi arī parādīja, ka termiskā apstrāde ar ultraskaņu var inaktivēt Listeria innocua un mezofilās baktērijas svaigā pilnpienā. Tika pierādīts, ka ultraskaņa ir piemērota tehnoloģija piena pasterizācijai un homogenizācijai, kas salīdzinājumā ar tradicionālo termisko apstrādi nodrošina īsāku apstrādes laiku bez būtiskām pH un pienskābes satura izmaiņām, kā arī labāku izskatu un konsistenci. Šīs īpašības ir izdevīgas daudzos piena pārstrādes aspektos. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Sulu un augļu biezeņu pasterizācija ar ultraskaņu

Pasterizācija ar ultraskaņu tika izmantota kā efektīva un ātra alternatīva pasterizācijas metode Escherichia coli un Staphylococcus aureus inaktivēšanai ābolu sulā. Apstrādājot ābolu sulu bez mīkstuma ar ultraskaņu, laiks, kas nepieciešams mikroorganismu skaita samazinājumam par 5 logaritmiskajām vienībām, bija 35 s E. coli gadījumā 60degC temperatūrā un 30 s S. aureus gadījumā 62degC temperatūrā. Lai gan pētījumā tika konstatēts, ka liels mīkstuma saturs mazināja ultraskaņas letālo iedarbību uz S. aureus, bet būtiski neietekmēja tās iedarbību uz E. coli, jāņem vērā, ka spiediens netika izmantots. Apstrāde ar ultraskaņu paaugstinātā spiedienā ievērojami pastiprina ultraskaņas kavitāciju un līdz ar to arī mikroorganismu inaktivāciju viskozākos šķidrumos. Apstrāde ar ultraskaņu būtiski neietekmēja antioksidatīvo aktivitāti, kas tika noteikta pēc 2,2-difenil-1-pikrilhidrazila (DPPH) radikāļu saistīšanas aktivitātes, taču ievērojami palielināja kopējo fenolu saturu. Apstrādes rezultātā tika iegūta arī stabilāka sula ar lielāku viendabīgumu. (sk. Baboli et al. 2020)

Grampozitīvo un gramnegatīvo baktēriju inaktivācija ar ultraskaņu

Ir vispārzināms, ka grampozitīvās baktērijas, piemēram, Listeria monocytogenes vai Staphylococcus aureus, parasti ir izturīgākas nekā gramnegatīvās baktērijas un biezāko šūnu sieniņu dēļ ilgāk iztur tādas pasterizācijas tehnoloģijas kā PEF, HPP un apstrādi ar ultraskaņu paaugstinātā spiedienā (MS). Gramnegatīvajām baktērijām ir divas lipīdu šūnu membrānas – viena ārējā un viena citoplazmatiskā – ar plānu peptidoglikāna slāni starp tām, tāpēc tās ir uzņēmīgākas pret inaktivāciju ar ultraskaņu. Savukārt grampozitīvajām baktērijām ir tikai viena lipīdu membrāna ar biezāku peptidoglikāna sieniņu, kas padara tās izturīgākas pret pasterizācijas apstrādi. Zinātniskajos pētījumos salīdzināja lieljaudas ultraskaņas ietekmi uz gramnegatīvajām un grampozitīvajām baktērijām un konstatēja, ka tai ir spēcīgāka inhibējoša iedarbība uz gramnegatīvajām baktērijām. (sal. Monsen et al. 2009) Grampozitīvajām baktērijām nepieciešami intensīvāki apstrādes ar ultraskaņu apstākļi, t. i., lielākas amplitūdas, augstāka temperatūra, augstāks spiediens un/vai ilgāks apstrādes ar ultraskaņu laiks. Hielscher Ultrasonics lieljaudas ultraskaņas sistēmas var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas, un tās var darbināt paaugstinātā temperatūrā un ar plūsmas šūnu reaktoriem, kuros var paaugstināt spiedienu. Tas ļauj veikt intensīvu apstrādi ar ultraskaņu / apstrādi ar ultraskaņu paaugstinātā temperatūrā un spiedienā, lai inaktivētu pat ļoti izturīgus baktēriju celmus.

Termizturīgo baktēriju inaktivācija ar ultraskaņu

Termizturīgās baktērijas ir baktērijas, kas dažādā mērā spēj izdzīvot pasterizācijas procesā. Termizturīgo baktēriju sugas ietver Bacillus, Clostridium un enterokokus. “Tomēr apstrāde ar ultraskaņu pie 80% amplitūdas 10 min laikā samazināja B. coagulans un A. flavithermus veģetatīvo šūnu skaitu vājpienā attiecīgi par 4,53 un 4,26 logaritmiskajām vienībām. Kombinēta apstrāde, kas ietvēra pasterizāciju (63 grādi C/30 min) un tai sekojošu apstrādi ar ultraskaņu, pilnībā iznīcināja aptuveni log 6 cfu/mL šo šūnu vājpienā.” (Khanal et al. 2014)

Augstas veiktspējas ultraskaņas pasterizācijas iekārtas

Hielscher Ultrasonics ir ilggadēja pieredze lieljaudas ultraskaņas izmantošanā pārtikas un dzērienu rūpniecībā, kā arī daudzās citās rūpniecības nozarēs. Mūsu ultraskaņas procesori ir aprīkoti ar viegli tīrāmām sonotrodēm un plūsmas šūnām (ar produktu saskarē esošajām daļām), kuras var tīrīt uz vietas (CIP) / sterilizēt uz vietas (SIP). Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā darbībā 24/7 režīmā. Lielas amplitūdas ir svarīgas izturīgāku mikroorganismu (piem., grampozitīvo baktēriju) inaktivācijai. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Visas sonotrodes un ultraskaņas plūsmas šūnu reaktorus var darbināt paaugstinātā temperatūrā un spiedienā, kas ļauj nodrošināt uzticamu apstrādi ar ultraskaņu paaugstinātā temperatūrā un spiedienā un ļoti efektīvu pasterizāciju.
Modernākās tehnoloģijas, augsta veiktspēja un pārdomāta programmatūra padara Hielscher Ultrasonics iekārtas par uzticamiem darba zirgiem jūsu pārtikas pasterizācijas līnijā. Pateicoties nelielajam aizņemtās vietas laukumam un daudzpusīgajām uzstādīšanas iespējām, Hielscher ultraskaņas iekārtas var viegli integrēt vai papildus uzstādīt esošajās ražošanas līnijās.
Sazinieties ar mums tagad, lai uzzinātu vairāk par mūsu ultraskaņas pasterizācijas sistēmu funkcijām un iespējām. Mēs labprāt pārrunāsim ar jums jūsu pielietojumu!
Tālāk redzamajā tabulā sniegts priekšstats par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: