Ультразвуковая пастеризация жидких пищевых продуктов

Ультразвуковая пастеризация – это нетермический процесс стерилизации для инактивации микроорганизмов, таких как E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus и многих других, позволяющий предотвратить микробную порчу и обеспечить долговременную стабильность пищевых продуктов и напитков.

Нетермическая пастеризация пищевых продуктов и напитков посредством обработки ультразвуком

Ультразвуковая пастеризация – это альтернативная нетермическая технология, используемая для уничтожения или деактивации организмов и ферментов, способствующих порче пищевых продуктов. Обработка ультразвуком может применяться для пастеризации консервированных продуктов, молока, молочных продуктов, яиц, соков, напитков с низким содержанием алкоголя и других жидких пищевых продуктов. Как обработка только ультразвуком, так и ультразвук в сочетании с повышенной температурой и давлением (так называемая термоманоультразвуковая обработка) позволяют эффективно пастеризовать соки, молоко, молочные продукты, жидкие яйца и другие пищевые продукты. Технологически совершенная ультразвуковая пастеризация превосходит традиционные методы пастеризации, поскольку ультразвук не оказывает отрицательного воздействия на содержание питательных веществ и физические характеристики обрабатываемых пищевых продуктов. Применение ультразвука или термоманоультразвуковой обработки для пастеризации жидких пищевых продуктов может обеспечить получение продукта, богатого питательными веществами и имеющего более высокое качество, чем при традиционной высокотемпературной кратковременной пастеризации (HTST).
Исследования, в том числе работа Beslar et al. (2015), показали, что обработка ультразвуком может обеспечивать значительные преимущества при переработке соков, включая улучшение таких показателей качества, как выход, экстракция, мутность, реологические свойства и цвет, а также увеличение срока хранения.

Кривые выживаемости Escherichia coli (a) и Staphylococcus aureus (b) в яблочном соке после обработки ультразвуком (UT) при различных температурах и после термической обработки (HT) при тех же температурах.
изображение и исследование: Baboli et al. 2015

Как работает ультразвуковая пастеризация?

Ультразвуковая инактивация и уничтожение микроорганизмов – это нетермический метод, то есть его основной принцип действия не основан на нагреве. Ультразвуковая пастеризация обусловлена главным образом эффектами акустической кавитации. Явление акустической / ультразвуковой кавитации известно локально высокими температурами, давлениями и соответствующими перепадами, возникающими внутри мельчайших кавитационных пузырьков и вокруг них. Кроме того, акустическая кавитация создаёт очень интенсивные силы сдвига, струи жидкости и турбулентность. Эти разрушительные силы вызывают обширные повреждения микробных клеток, такие как перфорация и разрушение клеток. Перфорация и разрушение клеток – это уникальные эффекты, наблюдаемые в клетках, обработанных ультразвуком, и вызываемые главным образом струями жидкости, образующимися при кавитации.

Ультразвуковая пастеризация основана на акустической кавитации и создаваемых ею гидродинамических силах сдвига

Почему обработка ультразвуком превосходит традиционную пастеризацию

В пищевой промышленности и производстве напитков традиционная пастеризация широко применяется для инактивации или уничтожения микроорганизмов, таких как бактерии, дрожжи и грибы, чтобы предотвратить микробную порчу, увеличить срок хранения продукции и обеспечить её стабильность. Традиционная пастеризация основана на кратковременной обработке при повышенных температурах, обычно ниже 100°C (212°F). Точные значения температуры и продолжительности обычно подбирают с учётом конкретного пищевого продукта и микроорганизмов, которые необходимо инактивировать. Эффективность процесса пастеризации определяется степенью инактивации микроорганизмов, измеряемой как логарифмическое снижение. Логарифмическое снижение измеряет процент инактивированных микроорганизмов при определённой температуре за определённое время. Условия температурной обработки и степень инактивации микроорганизмов зависят от типа микроорганизмов, а также от состава пищевого продукта. Традиционная термическая пастеризация имеет ряд недостатков, включая недостаточную инактивацию микроорганизмов, отрицательное воздействие на пищевой продукт и неравномерный прогрев обрабатываемого продукта. Недостаточный прогрев из-за слишком короткой продолжительности пастеризации или слишком низкой температуры приводит к низкой степени логарифмического снижения и последующей микробной порче. Чрезмерная термическая обработка может вызвать ухудшение качества продукта, например появление постороннего привкуса подгорелого, а также снижение содержания питательных веществ вследствие разрушения термочувствительных питательных веществ.

Недостатки традиционной пастеризации

• может разрушать или повреждать важные питательные вещества
• может вызывать посторонние привкусы
• высокие энергозатраты
• неэффективна для уничтожения термоустойчивых патогенов
• применима не ко всем пищевым продуктам

Ультразвуковая пастеризация молочных продуктов

Обработка ультразвуком, термоультразвуковая и термоманоультразвуковая обработка широко исследовались применительно к пастеризации молока и молочных продуктов. Например, было установлено, что ультразвук снижает количество микроорганизмов, вызывающих порчу, и потенциальных патогенов до нуля или до уровней, допустимых согласно южноафриканскому и британскому законодательству в отношении молока, даже когда исходная микробная нагрузка внесённого инокулята до обработки была в 5× выше допустимой. Количество жизнеспособных клеток E. coli снизилось на 100% после 10,0 min обработки ультразвуком. Кроме того, было показано, что количество жизнеспособных клеток Pseudomonas fluorescens снизилось на 100% после 6,0 min, а Listeria monocytogenes – на 99% после 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Исследования также продемонстрировали, что термоультразвуковая обработка может инактивировать Listeria innocua и мезофильные бактерии в сыром цельном молоке. Было показано, что ультразвук является пригодной технологией для пастеризации и гомогенизации молока, обеспечивая более короткое время обработки без существенных изменений pH и содержания молочной кислоты, а также лучший внешний вид и консистенцию по сравнению с традиционной термической обработкой. Эти факты дают преимущества во многих аспектах переработки молочных продуктов. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ультразвуковая пастеризация соков и фруктовых пюре

Ультразвуковая пастеризация применялась как эффективный и быстрый альтернативный метод пастеризации для инактивации Escherichia coli и Staphylococcus aureus в яблочном соке. При обработке ультразвуком яблочного сока без мякоти время, необходимое для логарифмического снижения на 5 порядков, составляло 35 s для E. coli при 60degC и 30 s для S. aureus при 62degC. Хотя в исследовании было установлено, что высокое содержание мякоти снижало летальное действие ультразвука на S. aureus, не оказывая при этом существенного влияния на E. coli, следует отметить, что давление не применялось. Обработка ультразвуком при повышенном давлении значительно усиливает ультразвуковую кавитацию и тем самым инактивацию микроорганизмов в более вязких жидкостях. Обработка ультразвуком не оказывала существенного влияния на антиоксидантную активность, определяемую по способности улавливать радикалы 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), но значительно повышала общее содержание фенольных соединений. Обработка также позволяла получать более стабильный сок с более высокой однородностью. (см. Baboli et al. 2020)

Ультразвуковая инактивация грамположительных и грамотрицательных бактерий

Известно, что грамположительные бактерии, такие как Listeria monocytogenes или Staphylococcus aureus, в целом более устойчивы, чем грамотрицательные бактерии, и благодаря более толстым клеточным стенкам дольше выдерживают обработку такими технологиями пастеризации, как PEF, HPP и маноультразвуковая обработка (MS). Грамотрицательные бактерии имеют две липидные клеточные мембраны – одну наружную и одну цитоплазматическую – с тонким слоем пептидогликана между ними, что делает их более восприимчивыми к ультразвуковой инактивации. С другой стороны, грамположительные бактерии имеют только одну липидную мембрану с более толстой пептидогликановой стенкой, которая обеспечивает им большую устойчивость к пастеризационной обработке. В научных исследованиях сравнивали воздействие мощного ультразвука на грамотрицательные и грамположительные бактерии и установили, что он оказывает более сильное ингибирующее действие на грамотрицательные бактерии. (см. Monsen et al. 2009) Грамположительные бактерии требуют более интенсивных условий ультразвуковой обработки, то есть более высоких амплитуд, более высоких температур, более высоких давлений и/или более продолжительной обработки ультразвуком. Системы мощного ультразвука Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды и работать при повышенных температурах с реакторами на основе проточных ячеек, допускающими работу под давлением. Это позволяет проводить интенсивную обработку ультразвуком / термоманоультразвуковую обработку для инактивации даже очень устойчивых штаммов бактерий.

Ультразвуковая инактивация термоустойчивых бактерий

Термоустойчивые бактерии – это бактерии, которые в разной степени способны переживать процесс пастеризации. К термоустойчивым бактериям относятся Bacillus, Clostridium и энтерококки. «Однако обработка ультразвуком при амплитуде 80% в течение 10 min инактивировала вегетативные клетки B. coagulans и A. flavithermus в обезжиренном молоке, обеспечивая логарифмическое снижение на 4,53 и 4,26 порядка соответственно. Комбинированная обработка, включавшая пастеризацию (63 degrees C/30 min) с последующей обработкой ультразвуком, полностью устраняла приблизительно log 6 cfu/mL этих клеток в обезжиренном молоке». (Khanal et al. 2014)

Высокопроизводительное оборудование для ультразвуковой пастеризации

Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт применения мощного ультразвука в пищевой промышленности и производстве напитков, а также во многих других отраслях промышленности. Наши ультразвуковые процессоры оснащены легко очищаемыми сонотродами и проточными ячейками (частями, контактирующими с обрабатываемой средой), допускающими безразборную мойку CIP / безразборную стерилизацию SIP. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются непрерывно при работе в режиме 24/7. Высокие амплитуды важны для инактивации более устойчивых микроорганизмов (например, грамположительных бактерий). Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Все сонотроды и ультразвуковые реакторы на основе проточных ячеек могут работать при повышенных температурах и давлениях, что позволяет обеспечивать надёжную термоманоультразвуковую обработку и высокоэффективную пастеризацию.
Передовые технологии, высокая производительность и совершенное программное обеспечение делают оборудование Hielscher Ultrasonics надёжной рабочей основой вашей линии пастеризации пищевых продуктов. Благодаря небольшой занимаемой площади и разнообразным вариантам установки ультразвуковые аппараты Hielscher можно легко интегрировать в существующие производственные линии или установить при их модернизации.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше об особенностях и возможностях наших систем ультразвуковой пастеризации. Мы будем рады обсудить с вами вашу задачу!
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов: