Ultrazvuková pasterizácia tekutých potravín

Ultrazvuková pasterizácia je netepelný sterilizačný proces na inaktiváciu mikroorganizmov, ako sú E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus a mnohé ďalšie, s cieľom zabrániť mikrobiálnemu kazeniu a dosiahnuť dlhodobú stabilitu potravín a nápojov.

Netepelná pasterizácia potravín a nápojov sonikáciou

Ultrazvuková pasterizácia je alternatívna netepelná technológia, ktorá sa používa na ničenie alebo deaktiváciu organizmov a enzýmov prispievajúcich ku kazeniu potravín. Ultrazvukom možno pasterizovať konzervované potraviny, mlieko, mliečne výrobky, vajcia, šťavy, nápoje s nízkym obsahom alkoholu a ďalšie tekuté potraviny. Samotné pôsobenie ultrazvuku, ako aj ultrazvuk v kombinácii so zvýšenou teplotou a tlakom (označovaný ako termo-mano-sonikácia) dokážu účinne pasterizovať šťavy, mlieko, mliečne výrobky, tekuté vajcia a ďalšie potravinárske výrobky. Sofistikované ošetrenie ultrazvukovou pasterizáciou prekonáva tradičné pasterizačné techniky, pretože ultrazvuk nemá nepriaznivý vplyv na obsah živín ani na fyzikálne vlastnosti ošetrovaných potravinárskych výrobkov. Použitie ultrazvuku alebo termo-mano-sonikácie na pasterizáciu tekutých potravinárskych výrobkov môže poskytnúť výrobok bohatý na živiny s vyššou kvalitou než tradičná metóda krátkodobej vysokoteplotnej pasterizácie (HTST).
Výskumné štúdie, napríklad štúdia Beslar et al. (2015), zistili, že ošetrenie ultrazvukom môže priniesť významné výhody pri spracovaní štiav vrátane zlepšenia kvalitatívnych parametrov, ako sú výťažnosť, extrakcia, zákal, reologické vlastnosti a farba, ako aj trvanlivosti.

Krivky prežívania Escherichia coli (a) a Staphylococcus aureus (b) v jablkovej šťave po ošetrení ultrazvukom (UT) pri rôznych teplotách a po tepelnom ošetrení (HT) pri rovnakých teplotách.
obrázok a štúdia: Baboli et al. 2015

Ako funguje ultrazvuková pasterizácia?

Ultrazvuková inaktivácia a ničenie mikroorganizmov je netepelná technika, čo znamená, že jej hlavný princíp fungovania nie je založený na teple. Ultrazvukovú pasterizáciu spôsobujú najmä účinky akustickej kavitácie. Jav akustickej / ultrazvukovej kavitácie je známy lokálne vysokými teplotami, tlakmi a ich príslušnými rozdielmi, ktoré vznikajú v drobných kavitačných bublinách a v ich okolí. Akustická kavitácia navyše vytvára veľmi intenzívne šmykové sily, kvapalinové prúdy a turbulencie. Tieto deštruktívne sily spôsobujú rozsiahle poškodenie mikrobiálnych buniek, napríklad ich perforáciu a rozrušenie. Perforácia a rozrušenie buniek sú jedinečné účinky pozorované v bunkách ošetrených ultrazvukom, ktoré spôsobujú najmä kvapalinové prúdy vytvárané kavitáciou.

Ultrazvuková pasterizácia je založená na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách

Prečo sonikácia prekonáva tradičnú pasterizáciu

Potravinársky a nápojový priemysel vo veľkej miere využíva konvenčnú pasterizáciu na inaktiváciu alebo usmrtenie mikroorganizmov, ako sú baktérie, kvasinky a plesne, s cieľom zabrániť mikrobiálnemu kazeniu a zabezpečiť dlhšiu trvanlivosť a stabilitu výrobkov. Konvenčná pasterizácia spočíva v krátkom ošetrení pri zvýšených teplotách, zvyčajne nižších ako 100°C (212°F). Presná teplota a trvanie sa bežne prispôsobujú konkrétnemu potravinovému výrobku a mikroorganizmom, ktoré je potrebné inaktivovať. Účinnosť pasterizačného procesu sa určuje mierou inaktivácie mikroorganizmov, ktorá sa meria ako logaritmická redukcia. Logaritmická redukcia vyjadruje percentuálny podiel inaktivovaných mikroorganizmov pri určitej teplote za určitý čas. Podmienky tepelného ošetrenia a mieru inaktivácie mikroorganizmov ovplyvňuje druh mikroorganizmov aj zloženie potravinového výrobku. Tradičná tepelná pasterizácia má viaceré nevýhody, od nedostatočnej inaktivácie mikroorganizmov cez negatívne účinky na potravinový výrobok až po nerovnomerné zahrievanie v celom objeme ošetrovaného výrobku. Nedostatočné zahriatie v dôsledku príliš krátkeho trvania pasterizácie alebo príliš nízkej teploty vedie k nízkej miere logaritmickej redukcie a následnému mikrobiálnemu kazeniu. Nadmerné tepelné ošetrenie môže spôsobiť zhoršenie kvality výrobku, napríklad vznik pripálenej pachuti a nižšiu hustotu živín v dôsledku zničenia živín citlivých na teplotu.

Nevýhody konvenčnej pasterizácie

• môže zničiť alebo poškodiť dôležité živiny
• môže spôsobiť nežiaduce pachute
• vysoké energetické nároky
• neúčinná pri usmrcovaní patogénov odolných voči teplu
• nie je použiteľná na každý potravinový výrobok

Ultrazvuková pasterizácia mliečnych výrobkov

Sonikácia, termosonikácia a termomanosonikácia boli predmetom rozsiahleho výskumu v oblasti pasterizácie mlieka a mliečnych výrobkov. Zistilo sa napríklad, že ultrazvuk eliminuje mikroorganizmy spôsobujúce kazenie a potenciálne patogény na nulovú úroveň alebo na úrovne prijateľné podľa juhoafrických a britských právnych predpisov pre mlieko, a to aj vtedy, keď bolo počiatočné množstvo inokula pred ošetrením 5× vyššie než povolené. Počet životaschopných buniek E. coli sa po 10,0 min pôsobenia ultrazvuku znížil o 100%. Ďalej sa preukázalo, že počet životaschopných buniek Pseudomonas fluorescens sa po 6,0 min znížil o 100% a počet životaschopných buniek Listeria monocytogenes sa po 10,0 min znížil o 99%. (Cameron et al. 2009)
Výskum tiež preukázal, že termosonikácia môže inaktivovať Listeria innocua a mezofilné baktérie v surovom plnotučnom mlieku. Ultrazvuk sa ukázal ako vhodná technológia na pasterizáciu a homogenizáciu mlieka, ktorá umožňuje kratšie časy spracovania bez významných zmien pH a obsahu kyseliny mliečnej a zároveň poskytuje lepší vzhľad a konzistenciu v porovnaní s konvenčným tepelným ošetrením. Tieto skutočnosti sú výhodné v mnohých oblastiach spracovania mlieka. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvuková pasterizácia štiav a ovocných pyré

Ultrazvuková pasterizácia sa použila ako účinná a rýchla alternatívna pasterizačná technika na inaktiváciu Escherichia coli a Staphylococcus aureus v jablkovej šťave. Pri ultrazvukovom spracovaní jablkovej šťavy bez dužiny bol čas potrebný na redukciu o 5 logaritmických rádov 35 s pre E. coli pri 60degC a 30 s pre S. aureus pri 62degC. Hoci sa v štúdii zistilo, že vysoký obsah dužiny znižuje letálny účinok ultrazvuku na S. aureus, zatiaľ čo na E. coli nemal významný vplyv, treba poznamenať, že sa neaplikoval žiadny tlak. Sonikácia pri zvýšených tlakoch výrazne zosilňuje ultrazvukovú kavitáciu, a tým aj inaktiváciu mikroorganizmov vo viskóznejších kvapalinách. Ultrazvukové ošetrenie nemalo významný vplyv na antioxidačnú aktivitu stanovenú na základe schopnosti zachytávať radikál 2,2-difenyl-1-pikrylhydrazyl (DPPH), ale výrazne zvýšilo celkový obsah fenolových látok. Ošetrenie tiež viedlo k stabilnejšej šťave s vyššou rovnomernosťou. (porov. Baboli et al. 2020)

Ultrazvuková inaktivácia grampozitívnych a gramnegatívnych baktérií

Grampozitívne baktérie, ako sú Listeria monocytogenes alebo Staphylococcus aureus, sú vo všeobecnosti známe tým, že sú odolnejšie ako gramnegatívne baktérie a vďaka hrubším bunkovým stenám dlhšie odolávajú pasterizačným technológiám, ako sú PEF, HPP a manosonikácia (MS). Gramnegatívne baktérie majú dve lipidové bunkové membrány – jednu vonkajšiu a jednu cytoplazmatickú – s tenkou vrstvou peptidoglykánu medzi nimi, čo ich robí citlivejšími na ultrazvukovú inaktiváciu. Na druhej strane majú grampozitívne baktérie iba jednu lipidovú membránu s hrubšou peptidoglykánovou stenou, ktorá im poskytuje vyššiu odolnosť voči pasterizačným ošetreniam. Vedecké štúdie porovnávali účinok výkonového ultrazvuku na gramnegatívne a grampozitívne baktérie a zistili, že mal silnejší inhibičný účinok na gramnegatívne baktérie. (porov. Monsen et al. 2009) Grampozitívne baktérie vyžadujú intenzívnejšie podmienky ultrazvukového ošetrenia, t. j. vyššie amplitúdy, vyššie teploty, vyššie tlaky a/alebo dlhší čas sonikácie. Systémy výkonového ultrazvuku spoločnosti Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a možno ich prevádzkovať pri zvýšených teplotách a s reaktormi s prietokovou komorou, ktoré možno tlakovať. To umožňuje intenzívnu sonikáciu / termomanosonikáciu s cieľom inaktivovať aj veľmi odolné bakteriálne kmene.

Ultrazvuková inaktivácia termorezistentných baktérií

Termorezistentné baktérie sú baktérie, ktoré dokážu v rôznej miere prežiť proces pasterizácie. Medzi termorezistentné baktérie patria Bacillus, Clostridium a enterokoky. „Ultrazvukové ošetrenie pri 80% amplitúde počas 10 min však inaktivovalo vegetatívne bunky B. coagulans a A. flavithermus v odstredenom mlieku o 4,53, resp. 4,26 logaritmických rádov. Kombinované ošetrenie pasterizáciou (63 stupňov C/30 min), po ktorej nasledovalo ultrazvukové ošetrenie, úplne eliminovalo približne log 6 cfu/mL týchto buniek v odstredenom mlieku.“ (Khanal et al. 2014)

Vysokovýkonné zariadenia na ultrazvukovú pasterizáciu

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s používaním výkonového ultrazvuku v potravinárskom a nápojovom priemysle, ako aj v mnohých ďalších priemyselných odvetviach. Naše ultrazvukové procesory sú vybavené ľahko čistiteľnými sonotródami a prietokovými komorami (časťami v kontakte s kvapalinou), ktoré umožňujú čistenie na mieste (CIP) / sterilizáciu na mieste (SIP). Priemyselné ultrazvukové procesory spoločnosti Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Vysoké amplitúdy sú dôležité na inaktiváciu odolnejších mikroorganizmov (napr. grampozitívnych baktérií). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Všetky sonotródy a ultrazvukové reaktory s prietokovou komorou možno prevádzkovať pri zvýšených teplotách a tlakoch, čo umožňuje spoľahlivú termomanosonikáciu a vysoko účinnú pasterizáciu.
Najmodernejšia technológia, vysoký výkon a sofistikovaný softvér robia zo zariadení spoločnosti Hielscher Ultrasonics spoľahlivých pracantov vo vašej linke na pasterizáciu potravín. Vďaka malým priestorovým nárokom a všestranným možnostiam inštalácie možno ultrazvukové zariadenia Hielscher jednoducho integrovať alebo dodatočne zabudovať do existujúcich výrobných liniek.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o vlastnostiach a možnostiach našich systémov ultrazvukovej pasterizácie. Radi s vami prediskutujeme vašu aplikáciu!
Nasledujúca tabuľka vám poskytne predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: