Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermisch sterilisatieproces om microben zoals E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus en vele andere te inactiveren en zo microbieel bederf te voorkomen en de stabiliteit van voedsel en dranken op lange termijn te waarborgen.

Niet-thermische pasteurisatie van voedsel & Dranken door Sonication

Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermische alternatieve technologie die wordt gebruikt om organismen en enzymen die bijdragen tot voedselbederf te vernietigen of te deactiveren. Ultrasone pasteurisatie kan worden gebruikt voor het pasteuriseren van ingeblikte voedingsmiddelen, melk, zuivelproducten, eieren, sappen, dranken met een laag alcoholgehalte en andere vloeibare voedingsmiddelen. Ultrasoonbehandeling alleen en ultrasoonbehandeling in combinatie met verhoogde hitte en druk (bekend als thermo-mano-sonicatie) kunnen sappen, melk, zuivelproducten, vloeibare eieren en andere voedingsmiddelen efficiënt pasteuriseren. Een geavanceerde ultrasone pasteurisatiebehandeling blinkt uit in traditionele pasteurisatietechnieken omdat ultrasoon geluid geen nadelige invloed heeft op de voedingsinhoud en de fysieke kenmerken van de behandelde voedingsproducten. Het gebruik van ultrasoon geluid of thermo-mano-sonatie voor het pasteuriseren van vloeibare voedingsmiddelen kan een voedingsrijk product van betere kwaliteit opleveren dan de traditionele pasteurisatiemethode met hoge temperatuur en korte tijd (HTST).
Onderzoeksstudies zoals van Beslar et al. (2015) vonden dat ultrasone behandeling aanzienlijke voordelen kan bieden voor de verwerking van sappen, waaronder verbeterde kwaliteitsfactoren, zoals opbrengst, extractie, troebelheid, reologische eigenschappen en kleur, evenals de houdbaarheid.

Overlevingscurves van Escherichia coli (a) en Staphylococcus aureus (b) in appelsap na ultrageluidbehandeling (UT) bij verschillende temperaturen en na warmtebehandeling (HT) bij dezelfde temperaturen.
foto en studie: Baboli et al. 2015

Hoe werkt ultrasone pasteurisatie?

Ultrasone inactivering en vernietiging van microben 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 fenomeen van akoestische/ultrasone cavitatie staat bekend om zijn plaatselijk hoge temperaturen, drukken en respectieve differentiëlen, die optreden in en rond de minuscule cavitatiebelletjes. Bovendien genereert akoestische cavitatie zeer intense afschuifkrachten, vloeistofstralen en turbulenties. Deze destructieve krachten veroorzaken uitgebreide schade aan microbiële cellen, zoals celperforatie en -verstoring. Celperforatie en -verstoring zijn unieke effecten die worden aangetroffen in ultrasonisch behandelde cellen en die hoofdzakelijk worden veroorzaakt door de vloeistofstralen die door cavitatie worden opgewekt.

Ultrasone pasteurisatie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de hydrodynamische afschuifkrachten

Waarom Sonicatie beter is dan traditionele pasteurisatie

De voedings- en drankenindustrie past op grote schaal conventionele pasteurisatie toe om microben zoals bacteriën, gist en schimmels te inactiveren of te doden en zo microbieel bederf te voorkomen en hun producten een langere houdbaarheid en stabiliteit te geven. Conventionele pasteurisatie werkt door een korte behandeling bij hoge temperaturen van meestal minder dan 100°C (212°F). De exacte temperatuur en duur worden gewoonlijk aangepast aan het specifieke voedselproduct en de microben die moeten worden geïnactiveerd. De doeltreffendheid van een pasteurisatieproces wordt bepaald door de microbiële inactivatiesnelheid, die wordt gemeten als log reductie. De logreductie meet het percentage geïnactiveerde microben bij een specifieke temperatuur gedurende een specifieke tijd. De omstandigheden van de temperatuurbehandeling en de microbiële inactiveringssnelheid worden beïnvloed door het soort microben en de samenstelling van het voedselproduct. Traditionele pasteurisatie op basis van warmte heeft verscheidene nadelen, zoals onvoldoende microbiële inactivering, negatieve effecten op het voedselproduct en ongelijkmatige verhitting van het behandelde product. Onvoldoende verhitting door een korte pasteurisatieduur of een te lage temperatuur leidt tot een lage logreductie en vervolgens tot microbieel bederf. Te veel verhitting kan het product aantasten, bijvoorbeeld door verbrande smaken, en kan de nutriëntendichtheid verminderen doordat temperatuurgevoelige nutriënten vernietigd worden.

Nadelen van Conventionele Pasteurisatie

• kan belangrijke voedingsstoffen vernietigen of beschadigen
• kan off-smaken veroorzaken
• hoge energiebehoeften
• ondoeltreffend tegen het doden van hittebestendige pathogenen
• niet van toepassing op elk levensmiddel

Ultrasone pasteurisatie van zuivel

Sonicatie, thermo-sonicatie en thermo-mano-sonicatie zijn veelvuldig onderzocht voor het pasteuriseren van melk en zuivelproducten. Gebleken is bijvoorbeeld dat ultrasone trillingen bederf en potentiële ziekteverwekkers elimineren tot nul of tot niveaus die aanvaardbaar zijn volgens de Zuid-Afrikaanse en Britse melkwetgeving, zelfs wanneer het aanvankelijke inoculum vóór de behandeling 5× zo hoog was als toegestaan. Het aantal levensvatbare cellen van E. coli werd na 10 minuten ultrasoonbehandeling met 100% gereduceerd. Voorts werd aangetoond dat het aantal levensvatbare cellen van Pseudomonas fluorescens na 6,0 minuten met 100% werd verminderd en dat Listeria monocytogenes na 10,0 minuten met 99% werd verminderd (Cameron et al. 2009).
Onderzoek toonde ook aan dat thermo-sonatie Listeria innocua en mesofiele bacteriën in rauwe volle melk kan inactiveren. Ultrasoon geluid bleek een levensvatbare technologie te zijn voor 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 feiten zijn voordelig in vele 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. Wanneer het pulpvrije appelsap ultrasoon verwerkt werd, bedroeg de 5-log reductietijd 35 s voor E. coli bij 60°C en 30 s voor S. aureus bij 62°C. Hoewel in de studie werd vastgesteld 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. Sonificatie onder verhoogde druk intensiveert ultrasone cavitatie aanzienlijk en daardoor microbiële inactivatie in meer viskeuze vloeistoffen. Ultrasone behandeling had geen significant effect op de antioxidantwerking bepaald door de 2,2-difenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)-radicalenvangstactiviteit, maar verhoogde het totale fenolgehalte aanzienlijk. De behandeling resulteerde ook in stabieler sap met een hogere uniformiteit. (cf. Baboli et al. 2020)

Ultrasone inactivering van Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën

Gram-positieve bacteriën, zoals Listeria monocytogenes of Staphylococcus aureus, zijn over het algemeen resistenter dan gram-negatieve bacteriën en zijn door hun dikkere celwanden langer bestand tegen pasteurisatietechnieken zoals PEF, HPP en mano-sonicatie (MS). Gram-negatieve bacteriën hebben twee – een externe en een cytoplasmatische – lipide celmembranen met daartussen een dunne laag peptidoglycaan, waardoor ze gevoeliger zijn voor ultrasone inactivering. Gram-positieve bacteriën daarentegen hebben slechts één enkel lipidemembraan met een dikkere peptidoglycaanwand, waardoor zij beter bestand zijn tegen pasteurisatiebehandelingen. Wetenschappelijk onderzoek vergeleek het effect van ultrageluid op gram-negatieve en gram-positieve bacteriën en stelde vast dat het een sterker remmend effect had op gram-negatieve bacteriën. (cf. Monsen et al. 2009) Gram-positieve bacteriën vereisen intensievere ultrasone condities, d.w.z. hogere amplitudes, hogere temperaturen, hogere drukken en/of een langere sonicatietijd. Hielscher Ultrasonics' power-ultrasound systemen kunnen zeer hoge amplitudes leveren en kunnen worden gebruikt bij hoge temperaturen en met drukregelbare flow-cel reactoren. Dit maakt intensieve sonicatie / thermo-mano-sonicatie mogelijk om zelfs zeer resistente bacteriestammen te inactiveren.

Ultrasone inactivering van thermodurische bacteriën

Thermodurische bacteriën zijn bacteriën die, in verschillende mate, het pasteurisatieproces kunnen overleven. Thermodurische bacteriesoorten zijn onder meer Bacillus, Clostridium en Enterococcen. "Ultrasoonbehandeling bij 80% amplitude gedurende 10 minuten inactiveerde echter de vegetatieve cellen van B. coagulans en A. flavithermus in magere melk met respectievelijk 4,53 en 4,26 logs. Een gecombineerde behandeling van pasteurisatie (63 graden C/30 min) gevolgd door ultrasoonbehandeling elimineerde ongeveer log 6 kve/mL van deze cellen in magere melk volledig." (Khanal et al. 2014)

Ultrasone pasteurisatieapparatuur met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics heeft veel ervaring met de toepassing van ultrageluid in de voedingsmiddelenindustrie. & drankenindustrie en vele andere industriële takken. Onze ultrasoonprocessoren zijn uitgerust met eenvoudig te reinigen (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotrodes en flow-cells (de natte delen). Hielscher ultrasoontechniek’ Industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu in 24/7 bedrijf worden uitgevoerd. Hoge amplitudes zijn belangrijk om meer resistente microben (bv. grampositieve bacteriën) te inactiveren. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar. Alle sonotrodes en ultrasone flowcelreactoren kunnen onder verhoogde temperatuur en druk worden gebruikt, wat een betrouwbare thermo-mano-sonicatie en zeer effectieve pasteurisatie mogelijk maakt.
State-of-the-art technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken Hielscher Ultrasonics’ betrouwbare werkpaarden in uw voedselpasteurisatielijn. Hielscher ultrasooninstallaties nemen weinig ruimte in beslag en hebben veelzijdige installatiemogelijkheden, zodat ze gemakkelijk in bestaande productielijnen kunnen worden geïntegreerd of achteraf kunnen worden ingebouwd.
Neem contact met ons op om meer te weten te komen over de kenmerken en mogelijkheden van onze ultrasone pasteurisatiesystemen. Wij bespreken graag uw toepassing met u!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: