Pasteryzacja ultradźwiękowa płynnej żywności

Pasteryzacja ultradźwiękowa to nietermiczny proces sterylizacji mający na celu inaktywację drobnoustrojów, takich jak E. coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus i wielu innych, aby zapobiec psuciu się drobnoustrojów i osiągnąć długoterminową stabilność żywności i napojów.

Nietermiczna pasteryzacja żywności & Napoje przez sonikację

Pasteryzacja ultradźwiękowa to alternatywna technologia nietermiczna, która służy do niszczenia lub dezaktywacji organizmów i enzymów, które przyczyniają się do psucia żywności. Ultradźwięki mogą być stosowane do pasteryzacji żywności w puszkach, mleka, nabiału, jaj, soków, napojów o niskiej zawartości alkoholu i innych płynnych produktów spożywczych. Samo ultradźwięki, jak również ultradźwięki w połączeniu z podwyższonymi warunkami cieplnymi i ciśnieniowymi (znanymi jako termo-manosonizacja) mogą skutecznie pasteryzować soki, mleko, nabiał, płynne jaja i inne produkty spożywcze. Zaawansowana pasteryzacja ultradźwiękowa przewyższa tradycyjne techniki pasteryzacji, ponieważ ultradźwięki nie wpływają negatywnie na zawartość składników odżywczych i właściwości fizyczne poddawanych obróbce produktów spożywczych. Zastosowanie ultradźwięków lub termo-manosonikacji w celu pasteryzacji płynnych produktów spożywczych może zapewnić bogaty w składniki odżywcze produkt o wyższej jakości niż tradycyjna metoda pasteryzacji w wysokiej temperaturze i krótkim czasie (HTST).
Badania takie jak Beslar et al. (2015) wykazały, że obróbka ultradźwiękowa może zapewnić znaczące korzyści w przetwarzaniu soków, w tym zwiększone czynniki jakościowe, takie jak wydajność, ekstrakcja, zmętnienie, właściwości reologiczne i kolor, a także okres przydatności do spożycia.

Krzywe przeżywalności Escherichia coli (a) i Staphylococcus aureus (b) w soku jabłkowym po obróbce ultradźwiękowej (UT) w różnych temperaturach i po obróbce cieplnej (HT) w tych samych temperaturach.
zdjęcie i badanie: Baboli et al. 2015

Jak działa pasteryzacja ultradźwiękowa?

Ultradźwiękowa inaktywacja i niszczenie drobnoustrojów jest techniką nietermiczną, co oznacza, że jej główna zasada działania nie opiera się na cieple. Pasteryzacja ultradźwiękowa jest spowodowana głównie efektami kawitacji akustycznej. Zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej znane jest z lokalnie wysokich temperatur, ciśnień i odpowiednich różnic, które występują w i wokół drobnych pęcherzyków kawitacyjnych. Ponadto kawitacja akustyczna generuje bardzo intensywne siły ścinające, strumienie cieczy i turbulencje. Te niszczycielskie siły powodują rozległe uszkodzenia komórek drobnoustrojów, takie jak perforacja i rozerwanie komórek. Perforacja i rozerwanie komórek to unikalne efekty występujące w komórkach poddanych działaniu ultradźwięków, spowodowane głównie przez strumienie cieczy generowane przez kawitację.

Pasteryzacja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających

Dlaczego sonikacja przewyższa tradycyjną pasteryzację

Przemysł spożywczy i napojów szeroko stosuje konwencjonalną pasteryzację w celu inaktywacji lub zabicia drobnoustrojów, takich jak bakterie, drożdże i grzyby, aby zapobiec psuciu się drobnoustrojów i zapewnić swoim produktom dłuższy okres przydatności do spożycia i stabilność. Konwencjonalna pasteryzacja polega na krótkiej obróbce w podwyższonej temperaturze, zwykle poniżej 100°C (212°F). Dokładna temperatura i czas trwania są zwykle dostosowywane do konkretnego produktu spożywczego i drobnoustrojów, które muszą zostać inaktywowane. Skuteczność procesu pasteryzacji jest określana przez szybkość inaktywacji drobnoustrojów, która jest mierzona jako redukcja log. Redukcja logarytmiczna mierzy procent inaktywowanych drobnoustrojów w określonej temperaturze w określonym czasie. Warunki obróbki termicznej i szybkość inaktywacji drobnoustrojów zależą od rodzaju drobnoustrojów, a także składu produktu spożywczego. Tradycyjna pasteryzacja termiczna ma kilka wad, począwszy od niewystarczającej inaktywacji drobnoustrojów, negatywnego wpływu na produkt spożywczy, a także nierównomiernego ogrzewania produktu poddawanego obróbce. Niewystarczające ogrzewanie z powodu krótkiego czasu pasteryzacji lub zbyt niskiej temperatury skutkuje niskim współczynnikiem redukcji log i późniejszym psuciem się drobnoustrojów. Zbyt intensywna obróbka cieplna może spowodować pogorszenie jakości produktu, takie jak spalone smaki i mniejsza gęstość składników odżywczych z powodu zniszczenia wrażliwych na temperaturę składników odżywczych.

Wady konwencjonalnej pasteryzacji

• może zniszczyć lub uszkodzić ważne składniki odżywcze
• może powodować nieprzyjemny smak
• wysokie wymagania energetyczne
• nieskuteczne w zwalczaniu patogenów odpornych na ciepło
• nie dotyczy każdego produktu spożywczego

Pasteryzacja ultradźwiękowa produktów mleczarskich

Sonikacja, termosonikacja i termo-manosonikacja były szeroko badane pod kątem pasteryzacji mleka i produktów mlecznych. Na przykład stwierdzono, że ultradźwięki eliminują psucie się i potencjalne patogeny do zera lub do poziomów akceptowalnych przez południowoafrykańskie i brytyjskie przepisy dotyczące mleka, nawet gdy początkowe obciążenia inokulum były 5 razy wyższe niż dozwolone przed obróbką. Żywe komórki E. coli zostały zredukowane o 100% po 10 minutach ultradźwięków. Ponadto wykazano, że liczba żywotnych komórek Pseudomonas fluorescens została zredukowana o 100% po 6,0 minutach, a Listeria monocytogenes została zredukowana o 99% po 10,0 minutach (Cameron et al. 2009).
Badania wykazały również, że termosonikacja może inaktywować Listeria innocua i bakterie mezofilne w surowym mleku pełnym. Wykazano, że ultradźwięki są opłacalną technologią pasteryzacji i homogenizacji mleka, wykazującą krótsze czasy przetwarzania bez istotnych zmian pH i zawartości kwasu mlekowego, a także lepszy wygląd i konsystencję w porównaniu z konwencjonalną obróbką termiczną. Fakty te są korzystne w wielu aspektach przetwórstwa mlecznego. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteryzacja ultradźwiękowa soków i przecierów owocowych

Pasteryzacja ultradźwiękowa została zastosowana jako skuteczna i szybka alternatywna technika pasteryzacji w celu inaktywacji Escherichia coli i Staphylococcus aureus w soku jabłkowym. Gdy sok jabłkowy bez miąższu był przetwarzany ultradźwiękowo, czas redukcji 5 log wynosił 35 s dla E. coli w temperaturze 60 stopni Celsjusza i 30 s dla S. aureus w temperaturze 62 stopni Celsjusza. Chociaż w badaniu stwierdzono, że wysoka zawartość miazgi sprawiła, że ultradźwięki były mniej zabójcze dla S. aureus, podczas gdy nie miały znaczącego wpływu na E. coli, należy zauważyć, że nie zastosowano żadnego ciśnienia. Sonikacja pod podwyższonym ciśnieniem znacznie intensyfikuje kawitację ultradźwiękową, a tym samym inaktywację drobnoustrojów w bardziej lepkich cieczach. Obróbka ultradźwiękowa nie miała znaczącego wpływu na aktywność przeciwutleniającą określoną przez aktywność zmiatania rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylu (DPPH), ale znacznie zwiększyła całkowitą zawartość fenoli. Obróbka skutkowała również bardziej stabilnym sokiem o większej jednorodności. (por. Baboli et al. 2020)

Ultradźwiękowa inaktywacja bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych

Bakterie Gram-dodatnie, takie jak Listeria monocytogenes lub Staphylococcus aureus, są ogólnie znane z tego, że są bardziej odporne niż bakterie Gram-ujemne i wytrzymują technologie pasteryzacji, takie jak PEF, HPP i manosonizacja (MS) przez dłuższy czas ze względu na grubsze ściany komórkowe. Bakterie Gram-ujemne mają dwie – jeden zewnętrzny i jeden cytoplazmatyczny – Bakterie Gram-dodatnie mają tylko jedną lipidową błonę komórkową z cienką warstwą peptydoglikanu, co czyni je bardziej podatnymi na inaktywację ultradźwiękową. Z drugiej strony, bakterie Gram-dodatnie mają tylko pojedynczą błonę lipidową z grubszą ścianą peptydoglikanu, co daje im większą odporność na zabiegi pasteryzacji. Badania naukowe porównały wpływ ultradźwięków na bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie i wykazały, że miały one silniejszy wpływ hamujący na bakterie Gram-ujemne. (por. Monsen et al. 2009) Bakterie Gram-dodatnie wymagają bardziej intensywnych warunków ultradźwiękowych, tj. wyższych amplitud, wyższych temperatur, wyższych ciśnień i/lub dłuższego czasu sonikacji. Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher Ultrasonics mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i mogą być eksploatowane w podwyższonych temperaturach i z reaktorami przepływowymi pod ciśnieniem. Pozwala to na intensywną sonikację / termo-manosonikację w celu inaktywacji nawet bardzo odpornych szczepów bakterii.

Ultradźwiękowa inaktywacja bakterii termodurycznych

Bakterie termoduryczne to bakterie, które mogą przetrwać, w różnym stopniu, proces pasteryzacji. Termoduryczne gatunki bakterii obejmują Bacillus, Clostridium i Enterococci. "Ultradźwięki o amplitudzie 80% przez 10 minut inaktywowały jednak komórki wegetatywne B. coagulans i A. flavithermus w odtłuszczonym mleku odpowiednio o 4,53 i 4,26 log. Połączona obróbka pasteryzacji (63 stopnie C/30 min), a następnie ultradźwięki całkowicie wyeliminowały około log 6 jtk/ml tych komórek w odtłuszczonym mleku". (Khanal et al. 2014)

Wysokowydajny ultradźwiękowy sprzęt do pasteryzacji

Firma Hielscher Ultrasonics posiada wieloletnie doświadczenie w stosowaniu ultradźwięków w przemyśle spożywczym. & przemysł napojów, a także wiele innych gałęzi przemysłu. Nasze procesory ultradźwiękowe są wyposażone w łatwe do czyszczenia (czyszczenie na miejscu CIP / sterylizacja na miejscu SIP) sonotrody i komory przepływowe (części mokre). Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Wysokie amplitudy są ważne dla inaktywacji bardziej odpornych drobnoustrojów (np. bakterii Gram-dodatnich). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są dostosowane sonotrody ultradźwiękowe. Wszystkie sonotrody i ultradźwiękowe reaktory przepływowe mogą pracować w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach, co pozwala na niezawodną termo-mano-sonikację i wysoce skuteczną pasteryzację.
Najnowocześniejsza technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że Hielscher Ultrasonics’ niezawodne konie robocze w linii pasteryzacji żywności. Dzięki niewielkim rozmiarom i wszechstronnym opcjom instalacji, ultradźwięki Hielscher można łatwo zintegrować lub zamontować w istniejących liniach produkcyjnych.
Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach i możliwościach naszych ultradźwiękowych systemów pasteryzacji. Z przyjemnością omówimy z Tobą Twoją aplikację!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: