Ultradźwiękowa pasteryzacja płynnej żywności

Pasteryzacja ultradźwiękowa jest nietermicznym procesem sterylizacji służącym do inaktywacji drobnoustrojów, takich jak E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus i wiele innych, w celu zapobiegania mikrobiologicznemu psuciu się żywności i napojów oraz zapewnienia ich długotrwałej stabilności.

Nietermiczna pasteryzacja żywności i napojów za pomocą sonikacji

Pasteryzacja ultradźwiękowa jest alternatywną technologią nietermiczną stosowaną do niszczenia lub dezaktywacji organizmów i enzymów przyczyniających się do psucia się żywności. Ultradźwięki można stosować do pasteryzacji żywności konserwowanej w puszkach, mleka, produktów mlecznych, jaj, soków, napojów o niskiej zawartości alkoholu i innych płynnych produktów spożywczych. Sama sonikacja, jak również ultradźwięki w połączeniu z podwyższoną temperaturą i ciśnieniem (proces znany jako termo-mano-sonikacja), mogą skutecznie pasteryzować soki, mleko, produkty mleczne, płynne jaja i inne produkty spożywcze. Zaawansowany proces pasteryzacji ultradźwiękowej przewyższa tradycyjne techniki pasteryzacji, ponieważ ultradźwięki nie wpływają niekorzystnie na zawartość składników odżywczych ani właściwości fizyczne przetwarzanych produktów spożywczych. Zastosowanie ultradźwięków lub termo-mano-sonikacji do pasteryzacji płynnych produktów spożywczych może zapewnić produkt bogaty w składniki odżywcze, o wyższej jakości niż przy zastosowaniu tradycyjnej metody pasteryzacji w wysokiej temperaturze przez krótki czas (HTST).
Badania, między innymi Beslar et al. (2015), wykazały, że obróbka ultradźwiękowa może zapewnić istotne korzyści w przetwarzaniu soków, w tym poprawę parametrów jakościowych, takich jak wydajność, ekstrakcja, mętność, właściwości reologiczne i barwa, a także okresu przydatności do spożycia.

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

Jak działa pasteryzacja ultradźwiękowa?

Ultradźwiękowa inaktywacja i niszczenie drobnoustrojów to technika nietermiczna, co oznacza, że jej główna zasada działania nie opiera się na cieple. Pasteryzacja ultradźwiękowa zachodzi głównie wskutek działania kawitacji akustycznej. Zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej jest znane z lokalnie wysokich temperatur, ciśnień i odpowiadających im różnic, występujących wewnątrz drobnych pęcherzyków kawitacyjnych i wokół nich. Ponadto kawitacja akustyczna wytwarza bardzo intensywne siły ścinające, strugi cieczy i turbulencje. Te niszczące siły powodują rozległe uszkodzenia komórek drobnoustrojów, takie jak perforacja i rozbijanie komórek. Perforacja i rozbijanie komórek to wyjątkowe efekty obserwowane w komórkach poddanych obróbce ultradźwiękowej, powodowane głównie przez strugi cieczy generowane przez kawitację.

Pasteryzacja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i związanych z nią hydrodynamicznych siłach ścinających

Dlaczego sonikacja przewyższa tradycyjną pasteryzację

Przemysł spożywczy i napojowy powszechnie stosuje konwencjonalną pasteryzację do inaktywacji lub zabijania drobnoustrojów, takich jak bakterie, drożdże i grzyby, aby zapobiegać mikrobiologicznemu psuciu się produktów oraz zapewniać im dłuższy okres przydatności do spożycia i stabilność. Konwencjonalna pasteryzacja polega na krótkiej obróbce w podwyższonej temperaturze, zwykle poniżej 100°C (212°F). Dokładną temperaturę i czas trwania zazwyczaj dostosowuje się do konkretnego produktu spożywczego i drobnoustrojów, które muszą zostać inaktywowane. Skuteczność procesu pasteryzacji określa stopień inaktywacji drobnoustrojów, mierzony jako redukcja logarytmiczna. Redukcja logarytmiczna mierzy odsetek drobnoustrojów inaktywowanych w określonej temperaturze w określonym czasie. Na warunki obróbki termicznej i stopień inaktywacji drobnoustrojów wpływają rodzaj drobnoustrojów oraz skład produktu spożywczego. Tradycyjna pasteryzacja oparta na działaniu ciepła ma kilka wad, obejmujących niedostateczną inaktywację drobnoustrojów, niekorzystny wpływ na produkt spożywczy oraz nierównomierne ogrzewanie w całej objętości przetwarzanego produktu. Niedostateczne ogrzewanie wskutek zbyt krótkiego czasu pasteryzacji lub zbyt niskiej temperatury skutkuje niskim stopniem redukcji logarytmicznej i późniejszym mikrobiologicznym psuciem się produktu. Nadmierna obróbka cieplna może powodować pogorszenie jakości produktu, takie jak niepożądany posmak spalenizny i mniejsza gęstość odżywcza wskutek zniszczenia składników odżywczych wrażliwych na temperaturę.

Wady konwencjonalnej pasteryzacji

• może niszczyć lub uszkadzać ważne składniki odżywcze
• może powodować niepożądane posmaki
• wysokie zapotrzebowanie na energię
• nieskuteczna w zabijaniu patogenów odpornych na wysoką temperaturę
• nie ma zastosowania do każdego produktu spożywczego

Ultradźwiękowa pasteryzacja produktów mlecznych

Sonikacja, termo-sonikacja i termo-mano-sonikacja były szeroko badane pod kątem pasteryzacji mleka i produktów mlecznych. Stwierdzono na przykład, że ultradźwięki eliminują drobnoustroje powodujące psucie się produktów i potencjalne patogeny do poziomu zerowego lub do poziomów dopuszczalnych przez południowoafrykańskie i brytyjskie przepisy dotyczące mleka, nawet gdy początkowe obciążenie inokulum przed obróbką było 5× wyższe niż dopuszczalne. Liczba żywych komórek E. coli zmniejszyła się o 100% po 10,0 min sonikacji. Ponadto wykazano, że liczba żywych komórek Pseudomonas fluorescens zmniejszyła się o 100% po 6,0 min, a Listeria monocytogenes o 99% po 10,0 min. (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 technologią nadającą się do pasteryzacji i homogenizacji mleka, zapewniającą krótszy czas przetwarzania bez istotnych zmian pH i zawartości kwasu mlekowego, a także lepszy wygląd i konsystencję w porównaniu z konwencjonalną obróbką termiczną. Cechy te są korzystne w wielu aspektach przetwarzania produktów mlecznych. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultradźwiękowa pasteryzacja soków i przecierów owocowych

Pasteryzację ultradźwiękową zastosowano jako skuteczną i szybką alternatywną technikę pasteryzacji w celu inaktywacji Escherichia coli i Staphylococcus aureus w soku jabłkowym. Podczas obróbki ultradźwiękowej soku jabłkowego bez miąższu czas potrzebny do uzyskania redukcji o 5 jednostek logarytmicznych wynosił 35 s dla E. coli w temperaturze 60degC i 30 s dla S. aureus w temperaturze 62degC. Chociaż w badaniu stwierdzono, że wysoka zawartość miąższu zmniejszała zabójcze działanie ultradźwięków wobec S. aureus, nie mając istotnego wpływu na E. coli, należy zauważyć, że nie stosowano ciśnienia. Sonikacja przy podwyższonym ciśnieniu znacznie intensyfikuje kawitację ultradźwiękową, a tym samym inaktywację drobnoustrojów w cieczach o większej lepkości. Obróbka ultradźwiękowa nie miała istotnego wpływu na aktywność przeciwutleniającą określaną na podstawie zdolności do zmiatania rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylowego (DPPH), ale znacząco zwiększała całkowitą zawartość związków fenolowych. Obróbka pozwoliła również uzyskać 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 na ogół bardziej odporne niż bakterie Gram-ujemne i dzięki grubszym ścianom komórkowym przez dłuższy czas wytrzymują działanie technologii pasteryzacji, takich jak PEF, HPP i mano-sonikacja (MS). Bakterie Gram-ujemne mają dwie lipidowe błony komórkowe – jedną zewnętrzną i jedną cytoplazmatyczną – z cienką warstwą peptydoglikanu pomiędzy nimi, co czyni je bardziej podatnymi na inaktywację ultradźwiękową. Z kolei bakterie Gram-dodatnie mają tylko jedną błonę lipidową z grubszą ścianą peptydoglikanową, co zapewnia im większą odporność na zabiegi pasteryzacji. W badaniach naukowych porównano wpływ ultradźwięków dużej mocy na bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie i stwierdzono, że wywierają one silniejsze działanie hamujące na bakterie Gram-ujemne. (por. Monsen et al. 2009) Bakterie Gram-dodatnie wymagają bardziej intensywnych warunków obróbki ultradźwiękowej, tj. wyższych amplitud, wyższych temperatur, wyższych ciśnień i/lub dłuższego czasu sonikacji. Systemy ultradźwiękowe dużej mocy Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i pracować w podwyższonych temperaturach oraz z reaktorami z komorami przepływowymi umożliwiającymi pracę pod ciśnieniem. Pozwala to na intensywną sonikację / termo-mano-sonikację w celu inaktywacji nawet bardzo odpornych szczepów bakterii.

Ultradźwiękowa inaktywacja bakterii termoodpornych

Bakterie termoodporne to bakterie, które w różnym stopniu mogą przetrwać proces pasteryzacji. Do bakterii termoodpornych należą Bacillus, Clostridium i Enterococci. „Sonikacja przy amplitudzie 80% przez 10 min inaktywowała jednak komórki wegetatywne B. coagulans i A. flavithermus w mleku odtłuszczonym, powodując redukcję odpowiednio o 4,53 i 4,26 jednostki logarytmiczne. Łączna obróbka obejmująca pasteryzację (63 degrees C/30 min), a następnie sonikację, całkowicie wyeliminowała około log 6 cfu/mL tych komórek w mleku odtłuszczonym.” (Khanal et al. 2014)

Wysokowydajne urządzenia do pasteryzacji ultradźwiękowej

Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie doświadczenie w stosowaniu ultradźwięków dużej mocy w przemyśle spożywczym i napojowym oraz w wielu innych gałęziach przemysłu. Nasze procesory ultradźwiękowe są wyposażone w łatwe do czyszczenia sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z cieczą), umożliwiające mycie na miejscu (CIP) / sterylizację na miejscu (SIP). Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać podczas ciągłej pracy 24/7. Wysokie amplitudy są ważne dla inaktywacji bardziej odpornych drobnoustrojów (np. bakterii Gram-dodatnich). Aby uzyskać jeszcze wyższe amplitudy, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Wszystkie sonotrody i ultradźwiękowe reaktory z komorami przepływowymi mogą pracować w podwyższonych temperaturach i przy podwyższonym ciśnieniu, co umożliwia niezawodną termo-mano-sonikację i wysoce skuteczną pasteryzację.
Najnowocześniejsza technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że urządzenia Hielscher Ultrasonics niezawodnie wykonują intensywną pracę w linii pasteryzacji żywności. Dzięki niewielkim wymiarom i różnorodnym możliwościom instalacji sonikatory Hielscher można łatwo zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi lub zamontować w nich w ramach modernizacji.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach i możliwościach naszych systemów pasteryzacji ultradźwiękowej. Chętnie omówimy z Tobą Twoje zastosowanie!
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: