Ultrazvočna pasterizacija tekočih živil

Ultrazvočna pasterizacija je netermični postopek sterilizacije za inaktivacijo mikroorganizmov, kot so E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus in številni drugi, s katerim preprečujemo mikrobno kvarjenje ter zagotavljamo dolgoročno stabilnost živil in pijač.

Netermična pasterizacija živil in pijač s sonikacijo

Ultrazvočna pasterizacija je alternativna netermična tehnologija, ki se uporablja za uničevanje ali deaktivacijo organizmov in encimov, ki prispevajo h kvarjenju živil. Ultrazvočna obdelava se lahko uporablja za pasterizacijo konzerviranih živil, mleka, mlečnih izdelkov, jajc, sokov, pijač z nizko vsebnostjo alkohola in drugih tekočih živil. Tako sama ultrazvočna obdelava kot ultrazvok v kombinaciji s povišano temperaturo in tlakom (znan kot termo-mano-sonikacija) lahko učinkovito pasterizirata sokove, mleko, mlečne izdelke, tekoča jajca in druge živilske izdelke. Napredna ultrazvočna pasterizacija prekaša tradicionalne tehnike pasterizacije, saj ultrazvok ne vpliva negativno na vsebnost hranil in fizikalne lastnosti obdelanih živilskih izdelkov. Uporaba ultrazvoka ali termo-mano-sonikacije za pasterizacijo tekočih živilskih izdelkov lahko zagotovi izdelek, bogat s hranili, ki je kakovostnejši od izdelka, obdelanega s tradicionalno metodo kratkotrajne pasterizacije pri visoki temperaturi (HTST).
Raziskave, kot je raziskava Beslar et al. (2015), so pokazale, da lahko ultrazvočna obdelava zagotovi pomembne prednosti pri predelavi sokov, vključno z izboljšanjem dejavnikov kakovosti, kot so izkoristek, ekstrakcija, motnost, reološke lastnosti in barva, pa tudi roka uporabnosti.

Krivulje preživetja bakterij Escherichia coli (a) in Staphylococcus aureus (b) v jabolčnem soku po ultrazvočni obdelavi (UT) pri različnih temperaturah in po toplotni obdelavi (HT) pri istih temperaturah.
slika in raziskava: Baboli et al. 2015

Kako deluje ultrazvočna pasterizacija?

Ultrazvočna inaktivacija in uničevanje mikroorganizmov sta netermična tehnika, kar pomeni, da njeno glavno načelo delovanja ne temelji na toploti. Ultrazvočno pasterizacijo povzročajo predvsem učinki akustične kavitacije. Pojav akustične / ultrazvočne kavitacije je znan po lokalno visokih temperaturah, tlakih in njihovih razlikah, ki nastajajo v drobnih kavitacijskih mehurčkih in okoli njih. Poleg tega akustična kavitacija ustvarja zelo intenzivne strižne sile, tekočinske curke in turbulence. Te uničujoče sile povzročajo obsežne poškodbe mikrobnih celic, kot sta perforacija in razgradnja celic. Perforacija in razgradnja celic sta edinstvena učinka, opažena v ultrazvočno obdelanih celicah, ki ju povzročajo predvsem tekočinski curki, nastali zaradi kavitacije.

Ultrazvočna pasterizacija temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah

Zakaj sonikacija prekaša tradicionalno pasterizacijo

Industrija živil in pijač široko uporablja konvencionalno pasterizacijo za inaktivacijo ali uničevanje mikroorganizmov, kot so bakterije, kvasovke in glive, da prepreči mikrobno kvarjenje ter svojim izdelkom zagotovi daljši rok uporabnosti in stabilnost. Konvencionalna pasterizacija deluje s kratkotrajno obdelavo pri povišanih temperaturah, ki so običajno nižje od 100°C (212°F). Natančna temperatura in trajanje sta običajno prilagojena posameznemu živilskemu izdelku in mikroorganizmom, ki jih je treba inaktivirati. Učinkovitost postopka pasterizacije določa stopnja inaktivacije mikroorganizmov, ki se meri kot logaritemsko zmanjšanje. Logaritemsko zmanjšanje meri odstotek inaktiviranih mikroorganizmov pri določeni temperaturi v določenem času. Na pogoje temperaturne obdelave in stopnjo inaktivacije mikroorganizmov vplivata vrsta mikroorganizmov in sestava živilskega izdelka. Tradicionalna pasterizacija na osnovi toplote ima več slabosti, od nezadostne inaktivacije mikroorganizmov in negativnih učinkov na živilski izdelek do neenakomernega segrevanja po celotnem obdelanem izdelku. Nezadostno segrevanje zaradi prekratke pasterizacije ali prenizke temperature povzroči nizko stopnjo logaritemskega zmanjšanja in posledično mikrobno kvarjenje. Prekomerna toplotna obdelava lahko povzroči poslabšanje kakovosti izdelka, na primer neželen priokus po zažganem in manjšo hranilno gostoto zaradi uničenja temperaturno občutljivih hranil.

Slabosti konvencionalne pasterizacije

• lahko uniči ali poškoduje pomembna hranila
• lahko povzroči neželene priokuse
• velike potrebe po energiji
• neučinkovita pri uničevanju toplotno odpornih patogenov
• ni uporabna za vsak živilski izdelek

Ultrazvočna pasterizacija mlečnih izdelkov

Sonikacija, termo-sonikacija in termo-mano-sonikacija so bile obsežno raziskane za pasterizacijo mleka in mlečnih izdelkov. Ugotovljeno je bilo na primer, da ultrazvok zmanjša število mikroorganizmov, ki povzročajo kvarjenje, in potencialnih patogenov na nič ali na ravni, sprejemljive po južnoafriški in britanski zakonodaji o mleku, tudi kadar je bila začetna obremenitev z inokulumom pred obdelavo 5× višja od dovoljene. Število živih celic E. coli se je po 10,0 min ultrazvočne obdelave zmanjšalo za 100%. Poleg tega je bilo dokazano, da se je število živih celic Pseudomonas fluorescens po 6,0 min zmanjšalo za 100%, število celic Listeria monocytogenes pa po 10,0 min za 99%. (Cameron et al. 2009)
Raziskave so pokazale tudi, da lahko termo-sonikacija inaktivira Listeria innocua in mezofilne bakterije v surovem polnomastnem mleku. Ultrazvok se je izkazal za uporabno tehnologijo za pasterizacijo in homogenizacijo mleka, ki v primerjavi s konvencionalno toplotno obdelavo omogoča krajše čase obdelave brez pomembnih sprememb pH in vsebnosti mlečne kisline ter boljši videz in konsistenco. Ta dejstva so prednost pri številnih vidikih predelave mlečnih izdelkov. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultrazvočna pasterizacija sokov in sadnih kaš

Ultrazvočna pasterizacija je bila uporabljena kot učinkovita in hitra alternativna tehnika pasterizacije za inaktivacijo bakterij Escherichia coli in Staphylococcus aureus v jabolčnem soku. Pri ultrazvočni obdelavi jabolčnega soka brez sadne pulpe je čas za zmanjšanje za 5 log znašal 35 s za E. coli pri 60degC in 30 s za S. aureus pri 62degC. Čeprav je raziskava pokazala, da je visoka vsebnost pulpe zmanjšala smrtonosni učinek ultrazvoka na S. aureus, medtem ko ni imela pomembnega vpliva na E. coli, je treba upoštevati, da tlak ni bil uporabljen. Sonikacija pri povišanih tlakih bistveno okrepi ultrazvočno kavitacijo in s tem inaktivacijo mikroorganizmov v bolj viskoznih tekočinah. Ultrazvočna obdelava ni pomembno vplivala na antioksidativno aktivnost, določeno z aktivnostjo lovljenja radikalov 2,2-difenil-1-pikrilhidrazila (DPPH), je pa bistveno povečala skupno vsebnost fenolnih spojin. Obdelava je prav tako zagotovila stabilnejši sok z večjo enakomernostjo. (prim. Baboli et al. 2020)

Ultrazvočna inaktivacija grampozitivnih in gramnegativnih bakterij

Grampozitivne bakterije, kot sta Listeria monocytogenes ali Staphylococcus aureus, so na splošno znane po večji odpornosti kot gramnegativne bakterije in zaradi debelejših celičnih sten dlje časa prenesejo obdelavo s tehnologijami pasterizacije, kot so PEF, HPP in mano-sonikacija (MS). Gramnegativne bakterije imajo dve lipidni celični membrani – eno zunanjo in eno citoplazemsko – s tanko plastjo peptidoglikana med njima, zaradi česar so bolj dovzetne za ultrazvočno inaktivacijo. Po drugi strani imajo grampozitivne bakterije le eno lipidno membrano z debelejšo peptidoglikansko steno, kar jim zagotavlja večjo odpornost proti pasterizacijskim obdelavam. Znanstvene raziskave so primerjale učinek visokozmogljivega ultrazvoka na gramnegativne in grampozitivne bakterije ter ugotovile, da ima močnejši zaviralni učinek na gramnegativne bakterije. (prim. Monsen et al. 2009) Grampozitivne bakterije zahtevajo intenzivnejše ultrazvočne pogoje, tj. višje amplitude, višje temperature, višje tlake in/ali daljši čas sonikacije. Sistemi za visokozmogljivi ultrazvok podjetja Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude ter delujejo pri povišanih temperaturah in s pretočnimi reaktorji, ki omogočajo delovanje pod tlakom. To omogoča intenzivno sonikacijo / termo-mano-sonikacijo za inaktivacijo celo zelo odpornih bakterijskih sevov.

Ultrazvočna inaktivacija termoduričnih bakterij

Termodurične bakterije so bakterije, ki lahko v različni meri preživijo postopek pasterizacije. Med termodurične vrste bakterij spadajo Bacillus, Clostridium in enterokoki. »Ultrazvočna obdelava pri 80% amplitudi v trajanju 10 min pa je inaktivirala vegetativne celice B. coagulans in A. flavithermus v posnetem mleku za 4,53 oziroma 4,26 log. Kombinirana obdelava s pasterizacijo (63 stopinj C/30 min), ki ji je sledila ultrazvočna obdelava, je popolnoma odstranila približno log 6 cfu/mL teh celic v posnetem mleku.« (Khanal et al. 2014)

Visokozmogljiva oprema za ultrazvočno pasterizacijo

Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje z uporabo visokozmogljivega ultrazvoka v industriji živil in pijač ter številnih drugih industrijskih panogah. Naši ultrazvočni procesorji so opremljeni s sonotrodami in pretočnimi celicami (omočenimi deli), ki jih je enostavno čistiti (čiščenje na mestu CIP / sterilizacija na mestu SIP). Industrijski ultrazvočni procesorji podjetja Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Visoke amplitude so pomembne za inaktivacijo odpornejših mikroorganizmov (npr. grampozitivnih bakterij). Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Vse sonotrode in ultrazvočni pretočni reaktorji lahko delujejo pri povišanih temperaturah in tlakih, kar omogoča zanesljivo termo-mano-sonikacijo in zelo učinkovito pasterizacijo.
Najsodobnejša tehnologija, visoka zmogljivost in napredna programska oprema zagotavljajo, da so naprave podjetja Hielscher Ultrasonics zanesljivi delovni stroji v vaši liniji za pasterizacijo živil. Zaradi majhne prostorske zahteve in vsestranskih možnosti namestitve je mogoče ultrazvočne naprave Hielscher enostavno vključiti ali naknadno vgraditi v obstoječe proizvodne linije.
Stopite v stik z nami zdaj, da izveste več o lastnostih in zmogljivosti naših sistemov za ultrazvočno pasterizacijo. Z veseljem se bomo z vami pogovorili o vaši uporabi!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: