Ultrasone pasteurisatie van vloeibare voedingsmiddelen

Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermisch sterilisatieproces om micro-organismen zoals E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus en vele andere te inactiveren, om microbieel bederf te voorkomen en langdurige stabiliteit van voedingsmiddelen en dranken te bereiken.

Niet-thermische pasteurisatie van voedingsmiddelen en dranken door sonicatie

Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermische alternatieve technologie die wordt gebruikt om organismen en enzymen die bijdragen aan voedselbederf te vernietigen of te deactiveren. Ultrasone behandeling kan worden gebruikt om ingeblikte voedingsmiddelen, melk, zuivelproducten, eieren, sappen, dranken met een laag alcoholgehalte en andere vloeibare voedingsmiddelen te pasteuriseren. Zowel ultrasone behandeling alleen als ultrageluid in combinatie met verhoogde temperatuur en druk (bekend als thermo-mano-sonicatie) kunnen sappen, melk, zuivelproducten, vloeibare eieren en andere voedingsmiddelen efficiënt pasteuriseren. Een geavanceerde ultrasone pasteurisatiebehandeling overtreft traditionele pasteurisatietechnieken, omdat ultrageluid het gehalte aan voedingsstoffen en de fysieke eigenschappen van de behandelde voedingsmiddelen niet nadelig beïnvloedt. Het gebruik van ultrageluid of thermo-mano-sonicatie om vloeibare voedingsmiddelen te pasteuriseren kan een product opleveren dat rijk is aan voedingsstoffen en een hogere kwaliteit heeft dan bij de traditionele pasteurisatiemethode met een hoge temperatuur en korte behandeltijd (HTST).
Onderzoeken, zoals dat van Beslar et al. (2015), hebben aangetoond dat ultrasone behandeling aanzienlijke voordelen kan bieden bij de verwerking van sappen, waaronder verbeterde kwaliteitsfactoren zoals opbrengst, extractie, troebelheid, reologische eigenschappen en kleur, evenals de houdbaarheid.

Overlevingscurven van Escherichia coli (a) en Staphylococcus aureus (b) in appelsap na ultrasone behandeling (UT) bij verschillende temperaturen en na warmtebehandeling (HT) bij dezelfde temperaturen.
afbeelding en onderzoek: Baboli et al. 2015

Hoe werkt ultrasone pasteurisatie?

Ultrasone inactivatie en vernietiging van micro-organismen is een niet-thermische techniek, wat betekent dat het belangrijkste werkingsprincipe niet op warmte is gebaseerd. Ultrasone pasteurisatie wordt voornamelijk veroorzaakt door de effecten van akoestische cavitatie. Het verschijnsel akoestische / ultrasone cavitatie staat bekend om de plaatselijk hoge temperaturen, drukken en de bijbehorende verschillen, die in en rond de minuscule cavitatiebellen optreden. Bovendien genereert akoestische cavitatie zeer intense afschuifkrachten, vloeistofstralen en turbulentie. Deze destructieve krachten veroorzaken uitgebreide schade aan microbiële cellen, zoals celperforatie en celontsluiting. Celperforatie en celontsluiting zijn unieke effecten die worden waargenomen in ultrasoon behandelde cellen en die voornamelijk worden veroorzaakt door de vloeistofstralen die door cavitatie ontstaan.

Ultrasone pasteurisatie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische afschuifkrachten

Waarom sonicatie traditionele pasteurisatie overtreft

De voedingsmiddelen- en drankenindustrie past conventionele pasteurisatie op grote schaal toe om micro-organismen zoals bacteriën, gisten en schimmels te inactiveren of te doden, om microbieel bederf te voorkomen en producten een langere houdbaarheid en stabiliteit te geven. Conventionele pasteurisatie werkt door een korte behandeling bij verhoogde temperaturen die gewoonlijk lager zijn dan 100°C (212°F). De exacte temperatuur en duur worden normaal gesproken afgestemd op het specifieke voedingsmiddel en de micro-organismen die moeten worden geïnactiveerd. De effectiviteit van een pasteurisatieproces wordt bepaald door de mate van microbiële inactivatie, die wordt gemeten als logreductie. De logreductie meet het percentage geïnactiveerde micro-organismen bij een bepaalde temperatuur gedurende een bepaalde tijd. De omstandigheden van de temperatuurbehandeling en de mate van microbiële inactivatie worden beïnvloed door het type micro-organismen en de samenstelling van het voedingsmiddel. Traditionele pasteurisatie op basis van warmte heeft verschillende nadelen, variërend van onvoldoende microbiële inactivatie en negatieve effecten op het voedingsmiddel tot ongelijkmatige verhitting van het behandelde product. Onvoldoende verhitting door een te korte pasteurisatieduur of een te lage temperatuur leidt tot een lage logreductie en daaropvolgend microbieel bederf. Een te intensieve warmtebehandeling kan productaantasting veroorzaken, zoals een ongewenste verbrande smaak, en een lagere voedingsstoffendichtheid doordat temperatuurgevoelige voedingsstoffen worden vernietigd.

Nadelen van conventionele pasteurisatie

• kan belangrijke voedingsstoffen vernietigen of beschadigen
• kan ongewenste smaken veroorzaken
• hoge energiebehoefte
• niet effectief bij het doden van hittebestendige ziekteverwekkers
• niet toepasbaar op elk voedingsmiddel

Ultrasone pasteurisatie van zuivelproducten

Sonicatie, thermo-sonicatie en thermo-mano-sonicatie zijn uitgebreid onderzocht voor de pasteurisatie van melk en zuivelproducten. Zo is vastgesteld dat ultrageluid bederfveroorzakende micro-organismen en potentiële ziekteverwekkers elimineert tot nul of tot niveaus die volgens de Zuid-Afrikaanse en Britse melkwetgeving aanvaardbaar zijn, zelfs wanneer vóór de behandeling initiële inoculumbelastingen aanwezig waren die 5× hoger waren dan toegestaan. Het aantal levensvatbare cellen van E. coli werd na 10,0 min ultrasone behandeling met 100% verminderd. Verder werd aangetoond dat het aantal levensvatbare cellen van Pseudomonas fluorescens na 6,0 min met 100% werd verminderd en dat Listeria monocytogenes na 10,0 min met 99% werd verminderd. (Cameron et al. 2009)
Onderzoek heeft ook aangetoond dat thermo-sonicatie Listeria innocua en mesofiele bacteriën in rauwe volle melk kan inactiveren. Ultrageluid bleek een bruikbare technologie voor de pasteurisatie en homogenisatie van melk, met kortere verwerkingstijden zonder belangrijke veranderingen in pH en melkzuurgehalte, en met een beter uiterlijk en een betere consistentie in vergelijking met conventionele thermische behandeling. Deze bevindingen zijn gunstig voor veel aspecten van de zuivelverwerking. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrasone pasteurisatie van sappen en vruchtenpurees

Ultrasone pasteurisatie werd toegepast als een efficiënte en snelle alternatieve pasteurisatietechniek om Escherichia coli en Staphylococcus aureus in appelsap te inactiveren. Bij de ultrasone verwerking van het pulpvrije appelsap bedroeg de tijd voor een reductie van 5 log 35 s voor E. coli bij 60degC en 30 s voor S. aureus bij 62degC. Hoewel uit het onderzoek bleek dat een hoog pulpgehalte ultrageluid minder dodelijk maakte voor S. aureus, terwijl het geen significant effect had op E. coli, moet worden opgemerkt dat er geen druk werd toegepast. Sonicatie onder verhoogde druk versterkt de ultrasone cavitatie aanzienlijk en daarmee de microbiële inactivatie in viskeuzere vloeistoffen. Ultrasone behandeling had geen significant effect op de antioxidantactiviteit, bepaald aan de hand van de activiteit voor het wegvangen van 2,2-difenyl-1-picrylhydrazylradicalen (DPPH), maar verhoogde het totale gehalte aan fenolische stoffen aanzienlijk. De behandeling resulteerde ook in stabieler sap met een hogere uniformiteit. (vgl. Baboli et al. 2020)

Ultrasone inactivatie van grampositieve en gramnegatieve bacteriën

Grampositieve bacteriën, zoals Listeria monocytogenes of Staphylococcus aureus, staan er over het algemeen om bekend resistenter te zijn dan gramnegatieve bacteriën en door hun dikkere celwanden gedurende langere behandeltijden bestand te zijn tegen pasteurisatietechnologieën zoals PEF, HPP en mano-sonicatie (MS). Gramnegatieve bacteriën hebben twee lipide celmembranen – één buitenmembraan en één cytoplasmatisch membraan – met daartussen een dunne laag peptidoglycaan, waardoor ze gevoeliger zijn voor ultrasone inactivatie. Grampositieve bacteriën hebben daarentegen slechts één lipidemembraan met een dikkere peptidoglycaanwand, waardoor ze beter bestand zijn tegen pasteurisatiebehandelingen. Wetenschappelijke onderzoeken vergeleken het effect van ultrageluid met hoog vermogen op gramnegatieve en grampositieve bacteriën en stelden vast dat het een sterker remmend effect had op gramnegatieve bacteriën. (vgl. Monsen et al. 2009) Grampositieve bacteriën vereisen intensievere ultrasone omstandigheden, d.w.z. hogere amplitudes, hogere temperaturen, hogere drukken en/of een langere sonicatieduur. De ultrasone systemen met hoog vermogen van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren en kunnen worden gebruikt bij verhoogde temperaturen en met doorstroomcelreactoren die onder druk kunnen worden gezet. Dit maakt intense sonicatie / thermo-mano-sonicatie mogelijk om zelfs zeer resistente bacteriestammen te inactiveren.

Ultrasone inactivatie van thermodurische bacteriën

Thermodurische bacteriën zijn bacteriën die het pasteurisatieproces in uiteenlopende mate kunnen overleven. Thermodurische bacteriesoorten omvatten Bacillus, Clostridium en enterokokken. “Ultrasone behandeling bij 80% amplitude gedurende 10 min inactiveerde echter de vegetatieve cellen van B. coagulans en A. flavithermus in magere melk met respectievelijk 4,53 en 4,26 log. Een gecombineerde behandeling van pasteurisatie (63 graden C/30 min), gevolgd door ultrasone behandeling, elimineerde ongeveer log 6 cfu/mL van deze cellen in magere melk volledig.” (Khanal et al. 2014)

Apparatuur met hoge prestaties voor ultrasone pasteurisatie

Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring met de toepassing van ultrageluid met hoog vermogen in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie en in vele andere industriële sectoren. Onze ultrasone processoren zijn uitgerust met eenvoudig te reinigen sonotrodes en doorstroomcellen (de onderdelen die met het product in contact komen), met reiniging ter plaatse (clean-in-place, CIP) / sterilisatie ter plaatse (sterilize-in-place, SIP). De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Hoge amplitudes zijn belangrijk om resistentere micro-organismen (bijv. grampositieve bacteriën) te inactiveren. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. Alle sonotrodes en ultrasone doorstroomcelreactoren kunnen bij verhoogde temperaturen en drukken worden gebruikt, wat betrouwbare thermo-mano-sonicatie en zeer effectieve pasteurisatie mogelijk maakt.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken de apparatuur van Hielscher Ultrasonics tot betrouwbare werkpaarden in uw pasteurisatielijn voor voedingsmiddelen. Dankzij hun compacte afmetingen en veelzijdige installatiemogelijkheden kunnen de sonicatoren van Hielscher eenvoudig in bestaande productielijnen worden geïntegreerd of achteraf worden ingebouwd.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over de kenmerken en mogelijkheden van onze ultrasone pasteurisatiesystemen. We bespreken uw toepassing graag met u!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: