Pasteurização ultrassónica de alimentos líquidos

A pasteurização ultrassónica é um processo de esterilização não térmico para inativar microrganismos como E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus, entre muitos outros, para prevenir a deterioração microbiana e alcançar a estabilidade a longo prazo de alimentos e bebidas.

Pasteurização não térmica de alimentos e bebidas por sonicação

A pasteurização ultrassónica é uma tecnologia alternativa não térmica utilizada para destruir ou desativar organismos e enzimas que contribuem para a deterioração dos alimentos. Os ultrassons podem ser utilizados para pasteurizar alimentos enlatados, leite, produtos lácteos, ovos, sumos, bebidas com baixo teor alcoólico e outros alimentos líquidos. Os ultrassons, por si só ou combinados com condições de temperatura e pressão elevadas (conhecidos como termo-mano-sonicação), podem pasteurizar eficazmente sumos, leite, produtos lácteos, ovos líquidos e outros produtos alimentares. Um tratamento sofisticado de pasteurização ultrassónica supera as técnicas tradicionais de pasteurização, uma vez que os ultrassons não afetam negativamente o teor de nutrientes nem as características físicas dos produtos alimentares tratados. A utilização de ultrassons ou de termo-mano-sonicação para pasteurizar produtos alimentares líquidos pode proporcionar um produto rico em nutrientes e de qualidade superior à obtida com o método tradicional de pasteurização a alta temperatura durante um curto período de tempo (HTST).
Estudos de investigação, como o de Beslar et al. (2015), concluíram que o tratamento ultrassónico pode proporcionar vantagens significativas no processamento de sumos, incluindo melhorias em fatores de qualidade como o rendimento, a extração, a turvação, as propriedades reológicas e a cor, bem como no prazo de conservação.

Curvas de sobrevivência de Escherichia coli (a) e Staphylococcus aureus (b) em sumo de maçã após tratamento por ultrassons (UT) a diferentes temperaturas e após tratamento térmico (HT) às mesmas temperaturas.
imagem e estudo: Baboli et al. 2015

Como funciona a pasteurização ultrassónica?

A inativação e a destruição de microrganismos por ultrassons é uma técnica não térmica, o que significa que o seu principal mecanismo de ação não se baseia no calor. A pasteurização ultrassónica é causada principalmente pelos efeitos da cavitação acústica. O fenómeno de cavitação acústica / ultrassónica é conhecido pelas temperaturas e pressões localmente elevadas e pelos respetivos diferenciais, que ocorrem no interior e em redor das minúsculas bolhas de cavitação. Além disso, a cavitação acústica gera forças de cisalhamento, jatos de líquido e turbulência muito intensos. Estas forças destrutivas causam danos extensos nas células microbianas, como a perfuração e a rutura celular. A perfuração e a rutura celular são efeitos únicos encontrados em células tratadas por ultrassons, causados principalmente pelos jatos de líquido gerados pela cavitação.

A pasteurização ultrassónica baseia-se na cavitação acústica e nas suas forças de cisalhamento hidrodinâmicas

Porque é que a sonicação supera a pasteurização tradicional

A indústria alimentar e de bebidas utiliza amplamente a pasteurização convencional para inativar ou matar microrganismos como bactérias, leveduras e fungos, para prevenir a deterioração microbiana e conferir aos seus produtos um prazo de conservação mais longo e maior estabilidade. A pasteurização convencional funciona através de um tratamento breve a temperaturas elevadas, geralmente inferiores a 100°C (212°F). A temperatura e a duração exatas são normalmente ajustadas ao produto alimentar específico e aos microrganismos que devem ser inativados. A eficácia de um processo de pasteurização é determinada pela taxa de inativação microbiana, que é medida como redução logarítmica. A redução logarítmica mede a percentagem de microrganismos inativados a uma temperatura específica durante um período de tempo específico. As condições do tratamento térmico e a taxa de inativação microbiana são influenciadas pelo tipo de microrganismos, bem como pela composição do produto alimentar. A pasteurização tradicional baseada no calor tem várias desvantagens, desde uma inativação microbiana insuficiente e efeitos negativos sobre o produto alimentar até um aquecimento desigual ao longo do produto tratado. Um aquecimento insuficiente devido a uma duração de pasteurização demasiado curta ou a uma temperatura demasiado baixa resulta numa baixa taxa de redução logarítmica e na subsequente deterioração microbiana. Um tratamento térmico excessivo pode causar a deterioração do produto, como sabores indesejáveis a queimado e uma menor densidade nutricional devido à destruição de nutrientes sensíveis à temperatura.

Desvantagens da pasteurização convencional

• pode destruir ou danificar nutrientes importantes
• pode causar sabores indesejáveis
• elevadas necessidades energéticas
• ineficaz na eliminação de agentes patogénicos resistentes ao calor
• não é aplicável a todos os produtos alimentares

Pasteurização ultrassónica de produtos lácteos

A sonicação, a termo-sonicação e a termo-mano-sonicação têm sido amplamente investigadas para a pasteurização de leite e produtos lácteos. Por exemplo, verificou-se que os ultrassons eliminavam os microrganismos responsáveis pela deterioração e os potenciais agentes patogénicos até zero ou até níveis aceitáveis pela legislação sul-africana e britânica relativa ao leite, mesmo quando, antes do tratamento, estavam presentes cargas iniciais de inóculo 5× superiores às permitidas. As contagens de células viáveis de E. coli foram reduzidas em 100% após 10,0 min de tratamento por ultrassons. Além disso, demonstrou-se que as contagens de células viáveis de Pseudomonas fluorescens foram reduzidas em 100% após 6,0 min e as de Listeria monocytogenes foram reduzidas em 99% após 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
A investigação também demonstrou que a termo-sonicação pode inativar Listeria innocua e bactérias mesófilas em leite inteiro cru. Demonstrou-se que os ultrassons são uma tecnologia viável para a pasteurização e homogeneização do leite, com tempos de processamento mais curtos, sem alterações importantes no pH e no teor de ácido láctico, juntamente com um melhor aspeto e consistência em comparação com o tratamento térmico convencional. Estes factos são vantajosos em muitos aspetos do processamento de produtos lácteos. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurização ultrassónica de sumos e purés de fruta

A pasteurização ultrassónica foi aplicada como uma técnica alternativa de pasteurização eficaz e rápida para inativar Escherichia coli e Staphylococcus aureus em sumo de maçã. Quando o sumo de maçã sem polpa foi processado por ultrassons, o tempo necessário para uma redução de 5 log foi de 35 s para E. coli a 60degC e de 30 s para S. aureus a 62degC. Embora o estudo tenha concluído que um elevado teor de polpa tornava os ultrassons menos letais para S. aureus, sem ter um efeito significativo sobre E. coli, deve salientar-se que não foi aplicada pressão. A sonicação sob pressões elevadas intensifica significativamente a cavitação ultrassónica e, consequentemente, a inativação microbiana em líquidos mais viscosos. O tratamento por ultrassons não teve um efeito significativo sobre a atividade antioxidante determinada pela atividade de captação do radical 2,2-difenil-1-picril-hidrazil (DPPH), mas aumentou significativamente o teor total de compostos fenólicos. O tratamento também resultou num sumo mais estável e com maior uniformidade. (cf. Baboli et al. 2020)

Inativação ultrassónica de bactérias Gram-positivas e Gram-negativas

As bactérias Gram-positivas, como Listeria monocytogenes ou Staphylococcus aureus, são geralmente reconhecidas como mais resistentes do que as bactérias Gram-negativas e suportam tecnologias de pasteurização como PEF, HPP e mano-sonicação (MS) durante períodos de tratamento mais longos devido às suas paredes celulares mais espessas. As bactérias Gram-negativas têm duas membranas celulares lipídicas – uma externa e uma citoplasmática – com uma camada fina de peptidoglicano entre elas, o que as torna mais suscetíveis à inativação ultrassónica. Por outro lado, as bactérias Gram-positivas têm apenas uma única membrana lipídica com uma parede de peptidoglicano mais espessa, o que lhes confere maior resistência aos tratamentos de pasteurização. Estudos científicos compararam o efeito dos ultrassons de potência sobre bactérias Gram-negativas e Gram-positivas e concluíram que estes tinham um efeito inibidor mais forte sobre as bactérias Gram-negativas. (cf. Monsen et al. 2009) As bactérias Gram-positivas requerem condições ultrassónicas mais intensas, isto é, amplitudes mais elevadas, temperaturas mais elevadas, pressões mais elevadas e/ou um tempo de sonicação mais longo. Os sistemas de ultrassons de potência da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas e podem funcionar a temperaturas elevadas e com reatores de célula de fluxo pressurizáveis. Isto permite uma sonicação / termo-mano-sonicação intensa para inativar até estirpes bacterianas muito resistentes.

Inativação ultrassónica de bactérias termodúricas

As bactérias termodúricas são bactérias que podem sobreviver, em graus variáveis, ao processo de pasteurização. As espécies bacterianas termodúricas incluem Bacillus, Clostridium e enterococos. «No entanto, o tratamento por ultrassons a uma amplitude de 80% durante 10 min inativou as células vegetativas de B. coagulans e A. flavithermus em leite magro em 4,53 e 4,26 log, respetivamente. Um tratamento combinado de pasteurização (63 graus C/30 min) seguido de tratamento por ultrassons eliminou completamente aproximadamente log 6 cfu/mL destas células em leite magro.» (Khanal et al. 2014)

Equipamento de pasteurização ultrassónica de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na aplicação de ultrassons de potência na indústria alimentar e de bebidas, bem como em muitos outros setores industriais. Os nossos processadores ultrassónicos estão equipados com sonotrodos e células de fluxo (as peças em contacto com o líquido) fáceis de limpar (limpeza no local CIP / esterilização no local SIP). Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente mantidas de forma contínua em funcionamento 24/7. As amplitudes elevadas são importantes para inativar microrganismos mais resistentes (por exemplo, bactérias Gram-positivas). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Todos os sonotrodos e reatores ultrassónicos de célula de fluxo podem funcionar sob temperaturas e pressões elevadas, o que permite uma termo-mano-sonicação fiável e uma pasteurização altamente eficaz.
A tecnologia de ponta, o elevado desempenho e o software sofisticado tornam os equipamentos da Hielscher Ultrasonics máquinas de trabalho fiáveis na sua linha de pasteurização de alimentos. Com dimensões compactas e opções de instalação versáteis, os sonicadores da Hielscher podem ser facilmente integrados ou adaptados a linhas de produção existentes.
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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: