Ultraljudspastörisering av flytande livsmedel

Ultraljudspastörisering är en icke-termisk steriliseringsprocess för att inaktivera mikrober såsom E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans och Anoxybacillus flavithermus, bland många andra, för att förhindra mikrobiell förskämning och uppnå långvarig stabilitet hos livsmedel och drycker.

Icke-termisk pastörisering av livsmedel och drycker genom ultraljudsbehandling

Ultraljudspastörisering är en alternativ, icke-termisk teknik som används för att förstöra eller inaktivera organismer och enzymer som bidrar till att livsmedel förskäms. Ultraljudsbehandling kan användas för att pastörisera konserverade livsmedel, mjölk, mejeriprodukter, ägg, juicer, drycker med låg alkoholhalt och andra flytande livsmedel. Både enbart ultraljudsbehandling och ultraljud i kombination med förhöjd temperatur och förhöjt tryck (så kallad termo-mano-sonikering) kan effektivt pastörisera juicer, mjölk, mejeriprodukter, flytande ägg och andra livsmedelsprodukter. En avancerad behandling med ultraljudspastörisering överträffar traditionella pastöriseringstekniker eftersom ultraljud inte påverkar de behandlade livsmedlens näringsinnehåll och fysikaliska egenskaper negativt. Användning av ultraljud eller termo-mano-sonikering för att pastörisera flytande livsmedel kan ge en näringsrik produkt med högre kvalitet än den traditionella metoden med pastörisering vid hög temperatur under kort tid (HTST).
Forskningsstudier, såsom den av Beslar et al. (2015), visade att ultraljudsbehandling kan ge betydande fördelar vid bearbetning av juicer, däribland förbättrade kvalitetsfaktorer såsom utbyte, extraktion, grumlighet, reologiska egenskaper och färg samt hållbarhet.

Överlevnadskurvor för Escherichia coli (a) och Staphylococcus aureus (b) i äppeljuice efter ultraljudsbehandling (UT) vid olika temperaturer och efter värmebehandling (HT) vid samma temperaturer.
bild och studie: Baboli et al. 2015

Hur fungerar ultraljudspastörisering?

Inaktivering och destruktion av mikrober med ultraljud är en icke-termisk teknik, vilket innebär att dess huvudsakliga verkningsprincip inte bygger på värme. Ultraljudspastörisering åstadkoms främst genom effekterna av akustisk kavitation. Fenomenet akustisk kavitation / ultraljudskavitation är känt för de lokalt höga temperaturer och tryck samt respektive temperatur- och tryckskillnader som uppstår i och omkring de mycket små kavitationsbubblorna. Dessutom genererar akustisk kavitation mycket intensiva skjuvkrafter, vätskestrålar och turbulens. Dessa destruktiva krafter orsakar omfattande skador på mikrobiella celler, såsom perforering och sönderdelning av cellerna. Cellperforering och cellsönderdelning är unika effekter som förekommer i ultraljudsbehandlade celler och som främst orsakas av de vätskestrålar som genereras av kavitation.

Ultraljudspastörisering bygger på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter

Varför ultraljudsbehandling överträffar traditionell pastörisering

Livsmedels- och dryckesindustrin använder i stor utsträckning konventionell pastörisering för att inaktivera eller avdöda mikroorganismer såsom bakterier, jäst och svampar, för att förhindra mikrobiell förskämning och ge produkterna längre hållbarhet och stabilitet. Konventionell pastörisering innebär en kort behandling vid förhöjda temperaturer, vanligtvis under 100°C (212°F). Den exakta temperaturen och behandlingstiden anpassas normalt till den specifika livsmedelsprodukten och de mikroorganismer som måste inaktiveras. En pastöriseringsprocess effektivitet bestäms av graden av mikrobiell inaktivering, som mäts som logaritmisk reduktion. Den logaritmiska reduktionen mäter andelen inaktiverade mikroorganismer i procent vid en viss temperatur under en viss tid. Temperaturbehandlingens betingelser och graden av mikrobiell inaktivering påverkas av typen av mikroorganismer samt av livsmedelsproduktens sammansättning. Traditionell värmebaserad pastörisering har flera nackdelar, såsom otillräcklig mikrobiell inaktivering, negativa effekter på livsmedelsprodukten och ojämn uppvärmning genom den behandlade produkten. Otillräcklig uppvärmning på grund av för kort pastöriseringstid eller för låg temperatur leder till en låg grad av logaritmisk reduktion och efterföljande mikrobiell förskämning. Alltför omfattande värmebehandling kan försämra produkten genom exempelvis brända bismaker och lägre näringstäthet till följd av att temperaturkänsliga näringsämnen förstörs.

Nackdelar med konventionell pastörisering

• kan förstöra eller skada viktiga näringsämnen
• kan orsaka bismaker
• högt energibehov
• ineffektiv för att avdöda värmeresistenta patogener
• kan inte användas för alla livsmedelsprodukter

Ultraljudspastörisering av mejeriprodukter

Ultraljudsbehandling, termisk ultraljudsbehandling och termisk ultraljudsbehandling under tryck har undersökts ingående för pastörisering av mjölk och mejeriprodukter. Exempelvis visade sig ultraljud kunna eliminera förskämningsmikroorganismer och potentiella patogener helt eller reducera dem till nivåer som är godtagbara enligt sydafrikansk och brittisk mjölklagstiftning, även när de ursprungliga inokulummängderna före behandlingen var 5× högre än tillåtet. Antalet livsdugliga E. coli-celler minskade med 100% efter 10,0 min ultraljudsbehandling. Vidare visades att antalet livsdugliga Pseudomonas fluorescens minskade med 100% efter 6,0 min och att Listeria monocytogenes minskade med 99% efter 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Forskning visade också att termisk ultraljudsbehandling kan inaktivera Listeria innocua och mesofila bakterier i obehandlad helmjölk. Ultraljud visade sig vara en användbar teknik för pastörisering och homogenisering av mjölk, med kortare behandlingstider utan betydande förändringar av pH och mjölksyrahalt samt med bättre utseende och konsistens jämfört med konventionell värmebehandling. Dessa egenskaper är fördelaktiga i många avseenden vid bearbetning av mejeriprodukter. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ultraljudspastörisering av juicer och fruktpuréer

Ultraljudspastörisering användes som en effektiv och snabb alternativ pastöriseringsteknik för att inaktivera Escherichia coli och Staphylococcus aureus i äppeljuice. När äppeljuice utan fruktkött behandlades med ultraljud var tiden för en reduktion med 5 log 35 s för E. coli vid 60degC och 30 s för S. aureus vid 62degC. Även om studien visade att en hög halt av fruktkött gjorde ultraljud mindre avdödande för S. aureus, medan den inte hade någon signifikant effekt på E. coli, bör det påpekas att inget tryck applicerades. Ultraljudsbehandling vid förhöjt tryck förstärker avsevärt ultraljudskavitationen och därmed den mikrobiella inaktiveringen i mer viskösa vätskor. Ultraljudsbehandlingen hade ingen signifikant effekt på antioxidantaktiviteten, bestämd genom förmågan att fånga upp 2,2-difenyl-1-pikrylhydrazylradikaler (DPPH), men ökade den totala fenolhalten signifikant. Behandlingen resulterade också i stabilare juice med högre homogenitet. (jfr Baboli et al. 2020)

Ultraljudsinaktivering av grampositiva och gramnegativa bakterier

Grampositiva bakterier, såsom Listeria monocytogenes eller Staphylococcus aureus, är i allmänhet kända för att vara mer resistenta än gramnegativa bakterier och motstår pastöriseringstekniker såsom PEF, HPP och manosonikering (MS) under längre behandlingstider på grund av tjockare cellväggar. Gramnegativa bakterier har två lipidmembran – ett yttre och ett cytoplasmatiskt – med ett tunt lager peptidoglykan mellan dem, vilket gör dem mer känsliga för ultraljudsinaktivering. Grampositiva bakterier har däremot endast ett enda lipidmembran med en tjockare peptidoglykanvägg, vilket ger dem större motståndskraft mot pastöriseringsbehandlingar. Vetenskapliga undersökningar jämförde effekten av högeffektsultraljud på gramnegativa och grampositiva bakterier och fann att det hade en starkare hämmande effekt på gramnegativa bakterier. (jfr Monsen et al. 2009) Grampositiva bakterier kräver intensivare ultraljudsbetingelser, dvs. högre amplituder, högre temperaturer, högre tryck och/eller längre sonikeringstid. Hielscher Ultrasonics system för högeffektsultraljud kan leverera mycket höga amplituder och kan användas vid förhöjda temperaturer och med trycksättningsbara flödescellsreaktorer. Detta möjliggör intensiv sonikering / termo-mano-sonikering för att inaktivera även mycket resistenta bakteriestammar.

Ultraljudsinaktivering av termoduriska bakterier

Termoduriska bakterier är bakterier som i varierande utsträckning kan överleva pastöriseringsprocessen. Termoduriska bakteriearter finns bland annat inom Bacillus, Clostridium och enterokocker. ”Ultraljudsbehandling vid 80% amplitud under 10 min inaktiverade dock de vegetativa cellerna av B. coagulans och A. flavithermus i skummjölk med 4,53 respektive 4,26 log-enheter. En kombinerad behandling med pastörisering (63 grader C/30 min) följd av ultraljudsbehandling eliminerade fullständigt cirka log 6 cfu/mL av dessa celler i skummjölk.” (Khanal et al. 2014)

Högpresterande utrustning för ultraljudspastörisering

Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av användning av högeffektsultraljud inom livsmedels- och dryckesindustrin samt många andra industribranscher. Våra ultraljudsprocessorer är utrustade med lättrengjorda sonotroder och flödesceller (de vätskeberörda delarna) för rengöring på plats (CIP) / sterilisering på plats (SIP). Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. Höga amplituder är viktiga för att inaktivera mer resistenta mikroorganismer (t.ex. grampositiva bakterier). För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Alla sonotroder och ultraljudsflödescellsreaktorer kan användas vid förhöjda temperaturer och tryck, vilket möjliggör tillförlitlig termo-mano-sonikering och mycket effektiv pastörisering.
Toppmodern teknik, hög prestanda och avancerad programvara gör utrustningen från Hielscher Ultrasonics till pålitliga arbetshästar i din produktionslinje för livsmedelspastörisering. Tack vare ett litet utrymmesbehov och mångsidiga installationsmöjligheter kan Hielschers ultraljudsapparater enkelt integreras eller eftermonteras i befintliga produktionslinjer.
Kontakta oss nu för att få veta mer om funktionerna och kapaciteten hos våra system för ultraljudspastörisering. Vi diskuterar gärna din tillämpning med dig!
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: