Pasteryzacja ultradźwiękowa płynnych produktów spożywczych

Pasteryzacja ultradźwiękowa jest nietermicznym procesem sterylizacji mającym na celu inaktywację mikrobów, takich jak E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus i wielu innych, aby zapobiec psuciu się żywności i napojów pod wpływem drobnoustrojów oraz osiągnąć długotrwałą stabilność żywności i napojów.

Nietermiczna pasteryzacja żywności & Napoje przez sonikację

Pasteryzacja ultradźwiękowa jest alternatywną technologią nietermiczną, która jest stosowana do niszczenia lub dezaktywacji organizmów i enzymów przyczyniających się do psucia żywności. Pasteryzacja ultradźwiękowa może być stosowana do pasteryzacji żywności w puszkach, mleka, nabiału, jaj, soków, napojów o niskiej zawartości alkoholu i innej płynnej żywności. Sama ultradźwięki, jak również ultradźwięki w połączeniu z podwyższonym ciepłem i ciśnieniem (znane jako termo-manosonikacja) mogą skutecznie pasteryzować soki, mleko, nabiał, płynne jaja i inne produkty spożywcze. Zaawansowany zabieg pasteryzacji ultradźwiękowej przewyższa tradycyjne techniki pasteryzacji, ponieważ ultradźwięki nie mają negatywnego wpływu na zawartość składników odżywczych i właściwości fizyczne produktów spożywczych poddanych zabiegowi. Użycie ultradźwięków lub termo-man-sonikacji 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 i wsp. (2015) wykazały, że obróbka ultradźwiękowa może zapewnić znaczące korzyści w przetwarzaniu soków, w tym poprawę czynników jakościowych, takich jak wydajność, ekstrakcja, mętność, właściwości reologiczne i kolor, a także trwałość.

Krzywe przeżywalności Escherichia coli (a) i Staphylococcus aureus (b) w soku jabłkowym po obróbce ultradźwiękami (UT) w różnych temperaturach i po obróbce cieplnej (HT) w tych samych temperaturach.
zdjęcie i opracowanie: Baboli i wsp. 2015 r.

Jak działa pasteryzacja ultradźwiękowa?

Ultradźwiękowa inaktywacja i niszczenie mikrobów jest techniką nietermiczną, co oznacza, że jej główna zasada działania nie jest oparta na cieple. Pasteryzacja ultradźwiękowa jest spowodowana głównie efektem kawitacji akustycznej. Zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej jest znane 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 destrukcyjne siły powodują rozległe uszkodzenia komórek bakteryjnych, takie jak perforacja i rozerwanie komórek. Perforacja i rozpad komórek są unikalnymi efektami stwierdzonymi w komórkach poddanych działaniu ultradźwięków, spowodowanymi głównie przez strumienie cieczy generowane przez kawitację.

Pasteryzacja ultradźwiękowa oparta jest na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających.

Dlaczego sonikacja przewyższa tradycyjną pasteryzację

W przemyśle spożywczym i napojów powszechnie stosuje się konwencjonalną pasteryzację w celu inaktywacji lub zabicia mikroorganizmów takich jak bakterie, drożdże i grzyby, aby zapobiec mikrobiologicznemu psuciu się produktów i zapewnić im dłuższy okres przydatności do spożycia oraz stabilność. Pasteryzacja konwencjonalna polega na krótkiej obróbce w podwyższonej temperaturze, zazwyczaj niższej niż 100°C (212°F). Dokładna temperatura i czas trwania jest zazwyczaj dostosowana do konkretnego produktu spożywczego i mikroorganizmów, które muszą zostać inaktywowane. Skuteczność procesu pasteryzacji jest określana na podstawie stopnia inaktywacji drobnoustrojów, który jest mierzony jako redukcja liczby log. Redukcja liczby log mierzy procent inaktywowanych mikrobów w określonej temperaturze w określonym czasie. Warunki obróbki termicznej i stopień inaktywacji drobnoustrojów zależą od rodzaju drobnoustrojów, jak również od składu produktu spożywczego. Tradycyjna pasteryzacja na ciepło ma kilka wad, począwszy od niedostatecznej inaktywacji drobnoustrojów, negatywnego wpływu na produkt spożywczy, jak również nierównomiernego nagrzewania obrabianego produktu. Niewystarczające ogrzewanie spowodowane krótkim czasem trwania pasteryzacji lub zbyt niską temperaturą skutkuje niskim stopniem redukcji liczby bakterii, a w konsekwencji psuciem się produktu przez drobnoustroje. Zbyt intensywna obróbka cieplna może spowodować pogorszenie jakości produktu, takie jak wypalone smaki i mniejszą gęstość odżywczą z powodu zniszczenia składników odżywczych wrażliwych na temperaturę.

Wady pasteryzacji konwencjonalnej

• może zniszczyć lub uszkodzić ważne składniki odżywcze
• może powodować niesmak
• wysokie zapotrzebowanie na energię
• nieskuteczne w zwalczaniu patogenów odpornych na ciepło
• nie ma zastosowania do każdego produktu spożywczego

Pasteryzacja ultradźwiękowa produktów mleczarskich

Sonikacja, termo-sonikacja i termo-manosonikacja były szeroko badane pod kątem pasteryzacji mleka i produktów mleczarskich. Stwierdzono, że ultradźwięki eliminują potencjalne patogeny do zera lub do poziomu akceptowalnego przez południowoafrykańskie i brytyjskie przepisy dotyczące mleka, nawet jeśli początkowe inokulum było 5 razy wyższe niż dopuszczalne przed obróbką. Liczba żywych komórek E. coli została zredukowana o 100% po 10,0 minutach ultradźwięków. Ponadto wykazano, że liczba żywych 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 termo-sonikacja może inaktywować Listeria innocua i bakterie mezofilne w surowym mleku pełnym. Wykazano, że ultradźwięki są opłacalną technologią pasteryzacji i homogenizacji mleka, wykazującą krótszy czas 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 mleczarskiego. (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. Podczas obróbki ultradźwiękowej soku jabłkowego pozbawionego miąższu, czas redukcji o 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 stosowano żadnego ciśnienia. Sonikacja pod podwyższonym ciśnieniem znacznie intensyfikuje kawitację ultradźwiękową, a tym samym inaktywację drobnoustrojów w cieczach o większej lepkości. Zabiegi ultradźwiękowe nie miały istotnego wpływu na aktywność przeciwutleniającą określaną za pomocą zmiatania rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylowego (DPPH), ale istotnie zwiększyły całkowitą zawartość fenoli. W wyniku tego zabiegu uzyskano również bardziej stabilny sok 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 manosonikacja (MS) przez dłuższy okres obróbki ze względu na grubsze ściany komórkowe. Bakterie Gram-ujemne mają dwie – jeden zewnętrzny i jeden cytoplazmatyczny – lipidowe błony komórkowe z cienką warstwą peptydoglikanu pomiędzy nimi, co czyni je bardziej podatnymi na inaktywację ultradźwiękami. Z kolei bakterie gram-dodatnie posiadają tylko pojedynczą błonę lipidową z grubszą ścianą peptydoglikanu, co daje im większą odporność na zabiegi pasteryzacji. W badaniach naukowych porównano wpływ ultradźwięków na bakterie gram-ujemne i gram-dodatnie i stwierdzono, że mają one silniejszy efekt 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 zapewniają bardzo wysokie amplitudy i mogą być stosowane w podwyższonych temperaturach oraz w reaktorach przepływowych z komorą ciśnieniową. 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. Do termodurycznych gatunków bakterii należą Bacillus, Clostridium i Enterococci. "Ultradźwięki o amplitudzie 80% przez 10 min inaktywowały komórki wegetatywne B. coagulans i A. flavithermus w mleku chudym odpowiednio o 4,53 i 4,26 log. Łączne traktowanie pasteryzacją (63 stopnie C/30 min), a następnie ultradźwiękami całkowicie wyeliminowało około log 6 cfu/mL tych komórek w mleku odtłuszczonym." (Khanal i wsp. 2014)

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia do pasteryzacji

Hielscher Ultrasonics ma długoletnie doświadczenie w stosowaniu ultradźwięków mocy w przemyśle spożywczym. & przemysł napojów jak również wiele innych gałęzi przemysłu. Nasze procesory ultradźwiękowe wyposażone są w łatwe do czyszczenia (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotrody i flow-cells (części mokre). Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością stosowane w trybie ciągłym 24/7. Wysokie amplitudy są ważne dla inaktywacji bardziej odpornych mikrobów (np. bakterii gram-dodatnich). Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Wszystkie sonotrody i ultradźwiękowe reaktory przepływowe mogą pracować w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach, co pozwala na niezawodną termo-manosonikację i wysoce efektywną pasteryzację.
Najnowocześniejsza technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że Hielscher Ultrasonics’ Niezawodne konie robocze w Państwa linii do pasteryzacji żywności. Dzięki niewielkim rozmiarom i wszechstronnym możliwościom zabudowy, ultradźwięki firmy Hielscher można łatwo zintegrować lub zamontować w istniejących liniach produkcyjnych.
Prosimy o kontakt z nami, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach i możliwościach naszych ultradźwiękowych systemów pasteryzacji. Chętnie przedyskutujemy z Państwem Państwa aplikację!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: