Pasteurizarea cu ultrasunete a alimentelor lichide

Pasteurizarea cu ultrasunete este un proces de sterilizare non-termic pentru inactivarea microbilor precum E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus, printre mulți alții, în scopul prevenirii alterării microbiene și al obținerii stabilității pe termen lung a alimentelor și băuturilor.

Pasteurizarea non-termică a alimentelor și băuturilor prin sonicare

Pasteurizarea cu ultrasunete este o tehnologie alternativă non-termică utilizată pentru distrugerea sau dezactivarea organismelor și enzimelor care contribuie la alterarea alimentelor. Ultrasonicarea poate fi utilizată pentru pasteurizarea conservelor, a laptelui, a produselor lactate, a ouălor, a sucurilor, a băuturilor cu conținut scăzut de alcool și a altor alimente lichide. Ultrasonicarea singură, precum și ultrasunetele combinate cu condiții de temperatură și presiune ridicate (cunoscute sub numele de termo-mano-sonicare) pot pasteuriza eficient sucuri, lapte, produse lactate, ouă lichide și alte produse alimentare. Un tratament sofisticat de pasteurizare cu ultrasunete depășește tehnicile tradiționale de pasteurizare, deoarece ultrasunetele nu afectează negativ conținutul de nutrienți și caracteristicile fizice ale produselor alimentare tratate. Utilizarea ultrasunetelor sau a termo-mano-sonicării pentru pasteurizarea produselor alimentare lichide poate oferi un produs bogat în nutrienți, de o calitate mai ridicată decât în cazul metodei tradiționale de pasteurizare la temperatură înaltă pe timp scurt (HTST).
Studii de cercetare, precum cel al lui Beslar et al. (2015), au constatat că tratamentul cu ultrasunete poate oferi avantaje semnificative pentru procesarea sucurilor, inclusiv factori de calitate îmbunătățiți, precum randamentul, extracția, turbiditatea, proprietățile reologice și culoarea, precum și durata de valabilitate.

Curbele de supraviețuire ale Escherichia coli (a) și Staphylococcus aureus (b) în suc de mere după tratamentul cu ultrasunete (UT) la diferite temperaturi și după tratamentul termic (HT) la aceleași temperaturi.
imagine și studiu: Baboli et al. 2015

Cum funcționează pasteurizarea cu ultrasunete?

Inactivarea și distrugerea microbilor cu ultrasunete este o tehnică non-termică, ceea ce înseamnă că principiul său principal de funcționare nu se bazează pe căldură. Pasteurizarea cu ultrasunete este cauzată în principal de efectele cavitației acustice. Fenomenul cavitației acustice / ultrasonice este cunoscut pentru temperaturile și presiunile local ridicate, precum și pentru diferențele corespunzătoare, care apar în interiorul și în jurul bulelor minuscule de cavitație. În plus, cavitația acustică generează forțe de forfecare foarte intense, jeturi de lichid și turbulențe. Aceste forțe distructive provoacă daune extinse celulelor microbiene, precum perforarea și dezintegrarea celulelor. Perforarea și dezintegrarea celulelor sunt efecte unice întâlnite la celulele tratate cu ultrasunete, cauzate în principal de jeturile de lichid generate de cavitație.

Pasteurizarea cu ultrasunete se bazează pe cavitația acustică și pe forțele sale hidrodinamice de forfecare

De ce sonicarea depășește pasteurizarea tradițională

Industria alimentară și a băuturilor aplică pe scară largă pasteurizarea convențională pentru a inactiva sau ucide microbi precum bacteriile, drojdiile și fungii, în scopul prevenirii alterării microbiene și al conferirii unei durate de valabilitate mai lungi și a stabilității produselor sale. Pasteurizarea convențională funcționează printr-un tratament scurt la temperaturi ridicate, de obicei sub 100°C (212°F). Temperatura și durata exacte sunt, în mod normal, ajustate în funcție de produsul alimentar specific și de microbii care trebuie inactivați. Eficacitatea unui proces de pasteurizare este determinată de rata de inactivare microbiană, care se măsoară ca reducere logaritmică. Reducerea logaritmică măsoară procentul de microbi inactivați la o anumită temperatură pe parcursul unui anumit timp. Condițiile tratamentului termic și rata de inactivare microbiană sunt influențate de tipul microbilor, precum și de compoziția produsului alimentar. Pasteurizarea tradițională bazată pe căldură are mai multe dezavantaje, de la inactivarea microbiană insuficientă și efectele negative asupra produsului alimentar până la încălzirea neuniformă a produsului tratat. Încălzirea insuficientă, din cauza unei durate de pasteurizare prea scurte sau a unei temperaturi prea scăzute, are ca rezultat o rată scăzută de reducere logaritmică și, ulterior, alterarea microbiană. Un tratament termic excesiv poate cauza deteriorarea produsului, cum ar fi gusturi străine de ars, și o densitate nutritivă mai redusă din cauza distrugerii nutrienților sensibili la temperatură.

Dezavantajele pasteurizării convenționale

• poate distruge sau deteriora nutrienți importanți
• poate cauza gusturi străine
• necesar ridicat de energie
• ineficientă în distrugerea agenților patogeni rezistenți la căldură
• nu se poate aplica oricărui produs alimentar

Pasteurizarea cu ultrasunete a produselor lactate

Sonicarea, termo-sonicarea și termo-mano-sonicarea au fost cercetate pe scară largă pentru pasteurizarea laptelui și a produselor lactate. De exemplu, s-a constatat că ultrasunetele elimină microorganismele de alterare și potențialii agenți patogeni până la zero sau până la niveluri acceptabile conform legislației sud-africane și britanice privind laptele, chiar și atunci când înainte de tratament erau prezente încărcături inițiale de inocul de 5× mai mari decât cele permise. Numărul de celule viabile de E. coli a fost redus cu 100% după 10,0 min de ultrasonicare. În plus, s-a demonstrat că numărul de celule viabile de Pseudomonas fluorescens a fost redus cu 100% după 6,0 min, iar Listeria monocytogenes a fost redusă cu 99% după 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Cercetările au demonstrat, de asemenea, că termo-sonicarea poate inactiva Listeria innocua și bacteriile mezofile din laptele crud integral. S-a demonstrat că ultrasunetele reprezintă o tehnologie viabilă pentru pasteurizarea și omogenizarea laptelui, prezentând timpi de procesare mai scurți fără modificări importante ale pH-ului și ale conținutului de acid lactic, alături de un aspect și o consistență mai bune în comparație cu tratamentul termic convențional. Aceste aspecte sunt avantajoase în multe privințe ale procesării produselor lactate. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Pasteurizarea cu ultrasunete a sucurilor și piureurilor de fructe

Pasteurizarea cu ultrasunete a fost aplicată ca tehnică alternativă de pasteurizare eficientă și rapidă pentru inactivarea Escherichia coli și Staphylococcus aureus în sucul de mere. Atunci când sucul de mere fără pulpă a fost procesat cu ultrasunete, timpul de reducere de 5 log a fost de 35 s pentru E. coli la 60degC și de 30 s pentru S. aureus la 62degC. Deși în studiu s-a constatat că un conținut ridicat de pulpă a făcut ultrasunetele mai puțin letale pentru S. aureus, în timp ce nu a avut un efect semnificativ asupra E. coli, trebuie menționat că nu s-a aplicat presiune. Sonicarea la presiuni ridicate intensifică semnificativ cavitația ultrasonică și, prin urmare, inactivarea microbiană în lichidele mai vâscoase. Tratamentul cu ultrasunete nu a avut un efect semnificativ asupra activității antioxidante, determinată prin activitatea de neutralizare a radicalilor 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), dar a crescut semnificativ conținutul total de compuși fenolici. Tratamentul a condus, de asemenea, la un suc mai stabil, cu o uniformitate mai mare. (cf. Baboli et al. 2020)

Inactivarea cu ultrasunete a bacteriilor Gram-pozitive și Gram-negative

Bacteriile Gram-pozitive, precum Listeria monocytogenes sau Staphylococcus aureus, sunt în general cunoscute ca fiind mai rezistente decât bacteriile Gram-negative și rezistă la tehnologii de pasteurizare precum PEF, HPP și mano-sonicarea (MS) pe perioade de tratament mai lungi, datorită pereților celulari mai groși. Bacteriile Gram-negative au două membrane celulare lipidice – una externă și una citoplasmatică – cu un strat subțire de peptidoglican între ele, ceea ce le face mai susceptibile la inactivarea cu ultrasunete. Pe de altă parte, bacteriile Gram-pozitive au o singură membrană lipidică, cu un perete de peptidoglican mai gros, ceea ce le conferă o rezistență mai mare la tratamentele de pasteurizare. Investigațiile științifice au comparat efectul ultrasunetelor de putere asupra bacteriilor Gram-negative și Gram-pozitive și au constatat că acestea au avut un efect inhibitor mai puternic asupra bacteriilor Gram-negative. (cf. Monsen et al. 2009) Bacteriile Gram-pozitive necesită condiții de ultrasonicare mai intense, adică amplitudini mai mari, temperaturi mai ridicate, presiuni mai mari și/sau un timp de sonicare mai lung. Sistemele cu ultrasunete de putere de la Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari și pot fi operate la temperaturi ridicate și cu reactoare cu celulă de flux presurizabile. Acest lucru permite o sonicare / termo-mano-sonicare intensă pentru a inactiva chiar și tulpini bacteriene foarte rezistente.

Inactivarea cu ultrasunete a bacteriilor termodurice

Bacteriile termodurice sunt bacterii care pot supraviețui, în diferite măsuri, procesului de pasteurizare. Speciile termodurice de bacterii includ Bacillus, Clostridium și Enterococci. „Ultrasonicarea la 80% amplitudine timp de 10 min a inactivat însă celulele vegetative de B. coagulans și A. flavithermus din laptele degresat cu 4,53, respectiv 4,26 log. Un tratament combinat de pasteurizare (63 grade C/30 min) urmat de ultrasonicare a eliminat complet aproximativ log 6 cfu/mL din aceste celule în laptele degresat.” (Khanal et al. 2014)

Echipamente de înaltă performanță pentru pasteurizarea cu ultrasunete

Hielscher Ultrasonics are o experiență îndelungată în aplicarea ultrasunetelor de putere în industria alimentară și a băuturilor, precum și în multe alte ramuri industriale. Procesoarele noastre cu ultrasunete sunt echipate cu sonotrode și celule de flux (părțile în contact cu lichidul) ușor de curățat (curățare pe loc CIP / sterilizare pe loc SIP). Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Amplitudinile mari sunt importante pentru inactivarea microbilor mai rezistenți (de ex., bacteriile Gram-pozitive). Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate. Toate sonotrodele și reactoarele cu celulă de flux cu ultrasunete pot fi operate la temperaturi și presiuni ridicate, ceea ce permite o termo-mano-sonicare fiabilă și o pasteurizare extrem de eficientă.
Tehnologia de ultimă generație, performanța ridicată și software-ul sofisticat fac din sistemele Hielscher Ultrasonics niște cai de povară fiabili în linia dumneavoastră de pasteurizare a alimentelor. Datorită amprentei reduse și opțiunilor versatile de instalare, ultrasonicatoarele Hielscher pot fi integrate cu ușurință sau montate ulterior în liniile de producție existente.
Vă rugăm să ne contactați acum pentru a afla mai multe despre caracteristicile și capacitățile sistemelor noastre de pasteurizare cu ultrasunete. Vom fi bucuroși să discutăm cu dumneavoastră despre aplicația dumneavoastră!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: