Ултразвучна пастеризација течних намирница

Ултразвучна пастеризација је нетермички поступак стерилизације за инактивацију микроорганизама као што су E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus и многи други, ради спречавања микробиолошког кварења и постизања дуготрајне стабилности хране и пића.

Нетермичка пастеризација хране и пића соникацијом

Ултразвучна пастеризација је алтернативна нетермичка технологија која се користи за уништавање или деактивацију организама и ензима који доприносе кварењу хране. Ултразвучна обрада може се користити за пастеризацију конзервисане хране, млека, млечних производа, јаја, сокова, пића са ниским садржајем алкохола и других течних намирница. Како сама ултразвучна обрада, тако и ултразвук у комбинацији са повишеном температуром и притиском (познат као термо-мано-соникација) могу ефикасно пастеризовати сокове, млеко, млечне производе, течна јаја и друге прехрамбене производе. Софистицирана ултразвучна пастеризација надмашује традиционалне технике пастеризације јер ултразвук не утиче неповољно на садржај хранљивих материја и физичке карактеристике обрађених прехрамбених производа. Примена ултразвука или термо-мано-соникације за пастеризацију течних прехрамбених производа може обезбедити производ богат хранљивим материјама, вишег квалитета него при примени традиционалне методе краткотрајне пастеризације на високој температури (HTST).
Истраживања, попут студије Beslar et al. (2015), показала су да ултразвучна обрада може пружити значајне предности при преради сокова, укључујући побољшање фактора квалитета, као што су принос, екстракција, мутноћа, реолошка својства и боја, као и рок трајања.

Криве преживљавања бактерија Escherichia coli (а) и Staphylococcus aureus (b) у соку од јабуке након ултразвучне обраде (UT) на различитим температурама и након термичке обраде (HT) на истим температурама.
слика и студија: Baboli et al. 2015

Како функционише ултразвучна пастеризација?

Ултразвучна инактивација и уништавање микроорганизама представљају нетермичку технику, што значи да се њен основни принцип деловања не заснива на топлоти. Ултразвучна пастеризација првенствено је последица дејства акустичне кавитације. Феномен акустичне / ултразвучне кавитације познат је по локално високим температурама и притисцима, као и одговарајућим разликама у температури и притиску, који се јављају унутар сићушних кавитационих мехурића и око њих. Поред тога, акустична кавитација ствара веома интензивне силе смицања, млазеве течности и турбуленције. Ове разорне силе изазивају обимна оштећења микробних ћелија, као што су перфорација и разарање ћелија. Перфорација и разарање ћелија јединствени су ефекти уочени код ћелија обрађених ултразвуком, које првенствено изазивају млазеви течности настали кавитацијом.

Ултразвучна пастеризација заснива се на акустичној кавитацији и њеним хидродинамичким силама смицања

Зашто соникација надмашује традиционалну пастеризацију

Индустрија хране и пића широко примењује конвенционалну пастеризацију за инактивацију или уништавање микроорганизама као што су бактерије, квасци и гљиве, како би спречила микробиолошко кварење и обезбедила дужи рок трајања и стабилност својих производа. Конвенционална пастеризација заснива се на краткотрајном третману на повишеним температурама, обично испод 100°C (212°F). Тачна температура и трајање обично се прилагођавају конкретном прехрамбеном производу и микроорганизмима које треба инактивирати. Ефикасност процеса пастеризације одређује се степеном инактивације микроорганизама, који се мери логаритамским смањењем. Логаритамско смањење мери проценат инактивираних микроорганизама на одређеној температури током одређеног времена. На услове термичког третмана и степен инактивације микроорганизама утичу врста микроорганизама и састав прехрамбеног производа. Традиционална пастеризација заснована на топлоти има неколико недостатака, од недовољне инактивације микроорганизама и негативних утицаја на прехрамбени производ до неравномерног загревања унутар третираног производа. Недовољно загревање услед прекратког трајања пастеризације или прениске температуре доводи до малог логаритамског смањења и накнадног микробиолошког кварења. Прекомерни термички третман може изазвати погоршање квалитета производа, попут непожељног укуса на загорело, и смањење нутритивне густине услед уништавања хранљивих материја осетљивих на температуру.

Недостаци конвенционалне пастеризације

• може уништити или оштетити важне хранљиве материје
• може изазвати непожељне укусе
• високи енергетски захтеви
• неефикасна у уништавању патогена отпорних на топлоту
• није применљива на сваки прехрамбени производ

Ултразвучна пастеризација млечних производа

Соникација, термосоникација и термоманосоникација опсежно су истраживане за пастеризацију млека и млечних производа. На пример, утврђено је да ултразвук смањује број микроорганизама који изазивају кварење и потенцијалних патогена на нулу или на нивое прихватљиве према јужноафричким и британским прописима о млеку, чак и када је почетно микробиолошко оптерећење инокулумом пре третмана било 5× веће од дозвољеног. Број вијабилних ћелија E. coli смањен је за 100% после 10,0 min ултразвучног третмана. Поред тога, показано је да је број вијабилних ћелија Pseudomonas fluorescens смањен за 100% после 6,0 min, а Listeria monocytogenes за 99% после 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Истраживања су такође показала да термосоникација може инактивирати Listeria innocua и мезофилне бактерије у сировом пуномасном млеку. Показано је да је ултразвук применљива технологија за пастеризацију и хомогенизацију млека, која омогућава краће време обраде без значајних промена pH и садржаја млечне киселине, уз бољи изглед и конзистенцију у поређењу са конвенционалним термичким третманом. Ове чињенице представљају предност у многим аспектима прераде млечних производа. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ултразвучна пастеризација сокова и воћних пиреа

Ултразвучна пастеризација примењена је као ефикасна и брза алтернативна техника пастеризације за инактивацију Escherichia coli и Staphylococcus aureus у соку од јабуке. При ултразвучној обради сока од јабуке без пулпе, време потребно за смањење за 5 логаритамских јединица износило је 35 s за E. coli на 60degC и 30 s за S. aureus на 62degC. Иако је у истраживању утврђено да је висок садржај пулпе смањио смртоносно дејство ултразвука на S. aureus, док није имао значајан утицај на E. coli, треба напоменути да притисак није примењиван. Соникација при повишеним притисцима значајно појачава ултразвучну кавитацију, а тиме и инактивацију микроорганизама у вискознијим течностима. Ултразвучни третман није имао значајан утицај на антиоксидативну активност одређену на основу способности хватања радикала 2,2-дифенил-1-пикрилхидразила (DPPH), али је значајно повећао укупан садржај фенолних једињења. Третман је такође дао стабилнији сок веће уједначености. (уп. Baboli et al. 2020)

Ултразвучна инактивација грам-позитивних и грам-негативних бактерија

Опште је познато да су грам-позитивне бактерије, као што су Listeria monocytogenes или Staphylococcus aureus, отпорније од грам-негативних бактерија и да због дебљих ћелијских зидова дуже подносе поступке пастеризације као што су PEF, HPP и мано-соникација (MS). Грам-негативне бактерије имају две липидне ћелијске мембране – једну спољашњу и једну цитоплазматску – са танким слојем пептидогликана између њих, што их чини подложнијим ултразвучној инактивацији. С друге стране, грам-позитивне бактерије имају само једну липидну мембрану са дебљим пептидогликанским зидом, што им даје већу отпорност на поступке пастеризације. Научна истраживања упоредила су дејство ултразвука велике снаге на грам-негативне и грам-позитивне бактерије и утврдила да је његово инхибиторно дејство јаче код грам-негативних бактерија. (уп. Monsen et al. 2009) Грам-позитивне бактерије захтевају интензивније услове ултразвучне обраде, тј. веће амплитуде, више температуре, више притиске и/или дуже време соникације. Системи ултразвука велике снаге компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома велике амплитуде и могу да раде на повишеним температурама и са реакторима са проточним ћелијама који могу да раде под притиском. То омогућава интензивну соникацију / термо-мано-соникацију ради инактивације чак и веома отпорних сојева бактерија.

Ултразвучна инактивација термодурних бактерија

Термодурне бактерије су бактерије које могу, у различитој мери, да преживе поступак пастеризације. У термодурне бактерије спадају Bacillus, Clostridium и ентерококе. „Међутим, ултразвучна обрада при амплитуди од 80% током 10 min инактивирала је вегетативне ћелије B. coagulans и A. flavithermus у обраном млеку, уз смањење њиховог броја за 4,53, односно 4,26 логаритамских јединица. Комбиновани третман пастеризације (63 степена C/30 min) праћен ултразвучном обрадом потпуно је елиминисао приближно log 6 cfu/mL ових ћелија у обраном млеку.“ (Khanal et al. 2014)

Ултразвучна опрема високих перформанси за пастеризацију

Hielscher Ultrasonics има дугогодишње искуство у примени ултразвука велике снаге у индустрији хране и пића, као и у многим другим индустријским гранама. Наши ултразвучни процесори опремљени су сонотродама и проточним ћелијама (деловима у контакту са течношћу) које се лако чисте (чишћење на месту CIP / стерилизација на месту SIP). Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома велике амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако континуирано одржавати у режиму рада 24/7. Велике амплитуде су важне за инактивацију отпорнијих микроорганизама (нпр. грам-позитивних бактерија). За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Све сонотроде и ултразвучни реактори са проточним ћелијама могу да раде на повишеним температурама и притисцима, што омогућава поуздану термо-мано-соникацију и високо ефикасну пастеризацију.
Најсавременија технологија, високе перформансе и софистициран софтвер чине уређаје компаније Hielscher Ultrasonics поузданим ослонцем ваше линије за пастеризацију хране. Захваљујући малим просторним захтевима и разноврсним могућностима уградње, ултразвучни уређаји Hielscher могу се лако интегрисати или накнадно уградити у постојеће производне линије.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о карактеристикама и могућностима наших система за ултразвучну пастеризацију. Радо ћемо са вама разговарати о вашој примени!
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: