Ultrazvuková pasterizácia tekutých potravín

Ultrazvuková pasterizácia je netepelný sterilizačný proces na inaktiváciu mikróbov, ako sú E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus a mnoho ďalších, aby sa zabránilo mikrobiálnemu znehodnoteniu a dosiahla sa dlhodobá stabilita potravín a nápojov.

Netepelná pasterizácia potravín & Nápoje Sonikáciou

Ultrazvuková pasterizácia je netepelná alternatívna technológia, ktorá sa používa na ničenie alebo deaktiváciu organizmov a enzýmov, ktoré prispievajú k kazeniu potravín. Ultrazvuk možno použiť na pasterizáciu konzervovaných potravín, mlieka, mliečnych výrobkov, vajec, džúsov, nápojov s nízkym obsahom alkoholu a iných tekutých potravín. Samotná ultrasonikacia, ako aj ultrazvuk v kombinácii so zvýšeným teplom a tlakom (známe ako termo-manosonikácia) môžu účinne pasterizovať džúsy, mlieko, mliečne výrobky, tekuté vajcia a iné potravinárske výrobky. Sofistikované ultrazvukové pasterizačné ošetrenie vyniká tradičnými pasterizačnými technikami, pretože ultrazvuk nepriaznivo ovplyvňuje obsah živín a fyzikálne vlastnosti ošetrených potravinárskych výrobkov. Použitie ultrazvuku alebo termo-mano-sonikácie na pasterizáciu tekutých potravinárskych výrobkov môže poskytnúť produkt bohatý na živiny s vyššou kvalitou ako tradičná vysokoteplotná metóda pasterizácie s krátkym časom (HTST).
(2015) zistili, že ultrazvukové ošetrenie môže poskytnúť významné výhody pri spracovaní štiav vrátane zvýšených kvalitatívnych faktorov, ako je výťažok, extrakcia, zákal, reologické vlastnosti a farba, ako aj trvanlivosť.

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

Ako funguje ultrazvuková pasterizácia?

Ultrazvuková inaktivácia a deštrukcia mikróbov je netepelná technika, čo znamená, že jej hlavný princíp fungovania nie je založený na teple. Ultrazvuková pasterizácia je spôsobená hlavne účinkami akustické kavitácie. Fenomén akustickej / ultrazvukovej kavitácie je známy svojimi lokálne vysokými teplotami, tlakmi a príslušnými diferenciálmi, ktoré sa vyskytujú v minútových kavitačných bublinách a okolo nich. Okrem toho akustická kavitácia vytvára veľmi intenzívne šmykové sily, prúdy kvapalín a turbulencie. Tieto deštruktívne sily spôsobujú rozsiahle poškodenie mikrobiálnych buniek, ako je perforácia a narušenie buniek. Perforácia a narušenie buniek sú jedinečné efekty, ktoré sa vyskytujú v ultrazvukom ošetrených bunkách spôsobené hlavne prúdmi kvapaliny generovanými kavitáciou.

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

Prečo sonikácia vyniká tradičnou pasterizáciou

Potravinársky a nápojový priemysel vo veľkej miere uplatňuje konvenčnú pasterizáciu na inaktiváciu alebo zabíjanie mikróbov, ako sú baktérie, kvasinky a huby, aby sa zabránilo mikrobiálnemu znehodnoteniu a predĺžila sa trvanlivosť a stabilita ich produktov. Konvenčná pasterizácia funguje krátkou úpravou pri zvýšených teplotách zvyčajne pod 100 °C (212 °F). Presná teplota a trvanie sa zvyčajne prispôsobujú konkrétnemu potravinovému výrobku a mikróbom, ktoré musia byť inaktivované. Účinnosť procesu pasterizácie je určená rýchlosťou mikrobiálnej inaktivácie, ktorá sa meria ako redukcia logarytmu. Logaritmická redukcia meria percento inaktivovaných mikróbov pri špecifickej teplote za určitý čas. Podmienky teplotnej úpravy a rýchlosť mikrobiálnej inaktivácie sú ovplyvnené typom mikróbov, ako aj zložením potravinového výrobku. Tradičná tepelná pasterizácia má niekoľko nevýhod od nedostatočnej mikrobiálnej inaktivácie, negatívnych účinkov na potravinový výrobok, ako aj nerovnomerného zahrievania ošetreným produktom. Nedostatočné zahrievanie do krátkej doby pasterizácie alebo príliš nízka teplota má za následok nízku mieru znižovania guľatiny a následné mikrobiálne znehodnotenie. Príliš veľa tepelného spracovania môže spôsobiť znehodnotenie produktu, ako sú spálené chute, a nižšiu hustotu živín v dôsledku zničených živín citlivých na teplotu.

Nevýhody konvenčnej pasterizácie

• môže zničiť alebo poškodiť dôležité živiny
• môže spôsobiť nepríjemné chute
• vysoké energetické nároky
• neúčinné proti zabíjaniu tepelne odolných patogénov
• Nevzťahuje sa na každý potravinový výrobok

Ultrazvuková pasterizácia mliečnych výrobkov

Sonikácia, termosonikácia a termo-manosonikácia boli široko skúmané pre pasterizáciu mlieka a mliečnych výrobkov. Zistilo sa napríklad, že ultrazvuk eliminuje znehodnotenie a potenciálne patogény na nulu alebo na úroveň prijateľnú juhoafrickou a britskou legislatívou o mlieku, aj keď pred liečbou bolo prítomné počiatočné zaťaženie inokulom o 5 × vyššie, ako je povolené. Počet životaschopných buniek E. coli sa znížil o 100 % po 10,0 minúte ultrazvuku. Ďalej sa ukázalo, že životaschopný počet Pseudomonas fluorescens sa znížil o 100 % po 6,0 minúte a Listeria monocytogenes sa znížil o 99 % po 10,0 minúte (Cameron et al. 2009)
Výskum tiež preukázal, že termosonikácia môže inaktivovať Listeria innocua a mezofilné baktérie v surovom plnotučnom mlieku. Ukázalo sa, že ultrazvuk je životaschopnou technológiou na pasterizáciu a homogenizáciu mlieka, ktorá vykazuje kratšie časy spracovania bez významných zmien pH a obsahu kyseliny mliečnej, spolu s lepším vzhľadom a konzistenciou v porovnaní s konvenčným tepelným spracovaním. Tieto skutočnosti sú výhodné v mnohých aspektoch spracovania mlieka. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvuková pasterizácia štiav a ovocných pyré

Ultrazvuková pasterizácia bola aplikovaná ako účinná a rýchla alternatívna pasterizačná technika na inaktiváciu Escherichia coli a Staphylococcus aureus v jablkovej šťave. Keď bola jablková šťava bez dužiny ultrazvukovo spracovaná, čas redukcie 5 log bol 35 s pre E. coli pri 60 ° C a 30 s pre S. aureus pri 62 ° C. Hoci sa v štúdii zistilo, že vysoký obsah buničiny spôsobil, že ultrazvuk bol pre S. aureus menej smrteľný, hoci nemal významný vplyv na E. coli, treba poznamenať, že nebol aplikovaný žiadny tlak. Sonikacia pri zvýšených tlakoch výrazne zintenzívňuje ultrazvukovú kavitáciu a tým mikrobiálnu inaktiváciu vo viskóznejších kvapalinách. Ultrazvuková liečba nemala významný vplyv na antioxidačnú aktivitu stanovenú aktivitou zachytávania radikálov 2,2-difenyl-1-pikrylhydrazylu (DPPH), ale významne zvýšila celkový obsah fenolov. Výsledkom liečby bola aj stabilnejšia šťava s vyššou rovnomernosťou. (porovnaj Baboli a kol. 2020)

Ultrazvuková inaktivácia grampozitívnych a gramnegatívnych baktérií

Grampozitívne baktérie, ako sú Listeria monocytogenes alebo Staphylococcus aureus, sú všeobecne známe tým, že sú odolnejšie ako gramnegatívne baktérie a odolávajú pasterizačným technológiám, ako sú PEF, HPP a manosonikácia (MS), počas dlhšej doby liečby v dôsledku hrubších bunkových stien. Gramnegatívne baktérie majú dve – jedna vonkajšia a jedna cytoplazmatická – lipidové bunkové membrány s tenkou vrstvou peptidoglykánu medzi nimi, čo ich robí náchylnejšími na ultrazvukovú inaktiváciu. Na druhej strane grampozitívne baktérie majú iba jednu lipidovú membránu s hrubšou peptidoglykánovou stenou, čo im dodáva väčšiu odolnosť voči pasterizačným ošetreniam. Vedecké výskumy porovnávali účinok výkonového ultrazvuku na gramnegatívne a grampozitívne baktérie a zistili, že má silnejší inhibičný účinok na gramnegatívne baktérie. (porovnaj Monsen et al. 2009) Grampozitívne baktérie vyžadujú intenzívnejšie ultrazvukové podmienky, t. j. vyššie amplitúdy, vyššie teploty, vyššie tlaky a/alebo dlhší čas sonikácie. Výkonové ultrazvukové systémy spoločnosti Hielscher Ultrasonics môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy a môžu byť prevádzkované pri zvýšených teplotách a s tlakovými reaktormi s prietokovými článkami. To umožňuje intenzívnu sonikáciu / termo-manosonikáciu s cieľom inaktivovať aj veľmi odolné kmene baktérií.

Ultrazvuková inaktivácia termodurických baktérií

Termodurické baktérie sú baktérie, ktoré môžu v rôznej miere prežiť proces pasterizácie. Medzi termodurické druhy baktérií patria Bacillus, Clostridium a Enterococci. "Ultrazvuk pri 80% amplitúde po dobu 10 minút však inaktivoval vegetatívne bunky B. coagulans a A. flavithermus v odstredenom mlieku o 4,53, respektíve 4,26 guľatiny. Kombinovaná liečba pasterizáciou (63 stupňov C/30 min) s následnou ultrazvukovou extrakciou úplne eliminovala približne log 6 cfu/ml týchto buniek v odstredenom mlieku." (Khanal et al. 2014)

Vysokovýkonné ultrazvukové pasterizačné zariadenie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s aplikáciou výkonového ultrazvuku v potravinách & nápojový priemysel, ako aj mnohé ďalšie priemyselné odvetvia. Naše ultrazvukové procesory sú vybavené ľahko čistiteľnými (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotródami a prietokovými bunkami (mokré časti). Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Vysoké amplitúdy sú dôležité na inaktiváciu rezistentnejších mikróbov (napr. grampozitívnych baktérií). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Všetky sonotródy a ultrazvukové reaktory s prietokovými bunkami môžu byť prevádzkované pri zvýšených teplotách a tlakoch, čo umožňuje spoľahlivú termo-mano-sonikáciu a vysoko účinnú pasterizáciu.
Najmodernejšia technológia, vysoký výkon a sofistikovaný softvér robia z Hielscher Ultrasonics’ Spoľahlivé pracovné kone vo vašej linke na pasterizáciu potravín. Vďaka malým rozmerom a všestranným možnostiam inštalácie je možné ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko integrovať alebo dodatočne namontovať do existujúcich výrobných liniek.
Ak sa chcete dozvedieť viac o vlastnostiach a schopnostiach našich ultrazvukových pasterizačných systémov, kontaktujte nás. Radi s vami prediskutujeme vašu žiadosť!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: