การพาสเจอไรซ์อาหารเหลวด้วยอัลตราซาวนด์

การพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์เป็นกระบวนการทำให้ปราศจากเชื้อโดยไม่ใช้ความร้อน เพื่อทำให้จุลินทรีย์ เช่น E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus และจุลินทรีย์อื่น ๆ อีกมากมายหมดฤทธิ์ เพื่อป้องกันการเน่าเสียจากจุลินทรีย์และทำให้อาหารและเครื่องดื่มมีความคงตัวในระยะยาว

การพาสเจอไรซ์อาหารและเครื่องดื่มโดยไม่ใช้ความร้อนด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์

การพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีทางเลือกที่ไม่ใช้ความร้อน ซึ่งใช้ทำลายหรือยับยั้งการทำงานของสิ่งมีชีวิตและเอนไซม์ที่ทำให้อาหารเน่าเสีย สามารถใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพื่อพาสเจอไรซ์อาหารกระป๋อง นม ผลิตภัณฑ์นม ไข่ น้ำผลไม้ เครื่องดื่มที่มีปริมาณแอลกอฮอล์ต่ำ และอาหารเหลวอื่น ๆ ได้ ทั้งการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพียงอย่างเดียวและการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับสภาวะความร้อนและความดันที่สูงขึ้น (เรียกว่า thermo-mano-sonication) สามารถพาสเจอไรซ์น้ำผลไม้ นม ผลิตภัณฑ์นม ไข่เหลว และผลิตภัณฑ์อาหารอื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์ที่พัฒนาอย่างก้าวหน้ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคการพาสเจอไรซ์แบบดั้งเดิม เนื่องจากอัลตราซาวนด์ไม่ส่งผลเสียต่อปริมาณสารอาหารและลักษณะทางกายภาพของผลิตภัณฑ์อาหารที่ผ่านกระบวนการ การใช้อัลตราซาวนด์หรือ thermo-mano-sonication เพื่อพาสเจอไรซ์ผลิตภัณฑ์อาหารเหลวสามารถให้ผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยสารอาหารและมีคุณภาพสูงกว่าวิธีพาสเจอไรซ์แบบอุณหภูมิสูงระยะเวลาสั้น (HTST) แบบดั้งเดิม
งานวิจัย เช่น งานของ Beslar et al. (2015) พบว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในการแปรรูปน้ำผลไม้ รวมถึงการปรับปรุงปัจจัยด้านคุณภาพ เช่น ผลได้ การสกัด ความขุ่น สมบัติทางรีโอโลยี และสี ตลอดจนอายุการเก็บรักษา

กราฟการรอดชีวิตของ Escherichia coli (a) และ Staphylococcus aureus (b) ในน้ำแอปเปิลหลังผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ (UT) ที่อุณหภูมิต่าง ๆ และหลังผ่านการใช้ความร้อน (HT) ที่อุณหภูมิเดียวกัน
ภาพและงานวิจัย: Baboli et al. 2015

การพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์ทำงานอย่างไร?

การทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์และการทำลายจุลินทรีย์ด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่ไม่ใช้ความร้อน ซึ่งหมายความว่าหลักการทำงานหลักไม่ได้อาศัยความร้อน การพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์เกิดขึ้นจากผลของคาวิเทชันทางเสียงเป็นหลัก ปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง / อัลตราซาวนด์เป็นที่ทราบกันว่าทำให้เกิดอุณหภูมิและความดันสูงเฉพาะบริเวณ รวมถึงความแตกต่างของอุณหภูมิและความดันที่เกิดขึ้นภายในและรอบ ๆ ฟองคาวิเทชันขนาดเล็กมาก นอกจากนี้ คาวิเทชันทางเสียงยังก่อให้เกิดแรงเฉือนที่รุนแรงมาก ลำพุ่งของของเหลว และความปั่นป่วน แรงทำลายเหล่านี้ทำให้เซลล์จุลินทรีย์เสียหายอย่างมาก เช่น การเกิดรูทะลุและการแตกสลายของเซลล์ การเกิดรูทะลุและการแตกสลายของเซลล์เป็นผลเฉพาะที่พบในเซลล์ที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ โดยมีสาเหตุหลักมาจากลำพุ่งของของเหลวที่เกิดจากคาวิเทชัน

การพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์อาศัยคาวิเทชันทางเสียงและแรงเฉือนทางอุทกพลศาสตร์ที่เกิดจากคาวิเทชัน

เหตุใดการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จึงเหนือกว่าการพาสเจอไรซ์แบบดั้งเดิม

อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มใช้การพาสเจอไรซ์แบบทั่วไปอย่างแพร่หลายเพื่อทำให้จุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรีย ยีสต์ และรา หมดฤทธิ์หรือถูกฆ่า เพื่อป้องกันการเน่าเสียจากจุลินทรีย์และทำให้ผลิตภัณฑ์มีอายุการเก็บรักษาที่ยาวนานขึ้นและมีความคงตัว การพาสเจอไรซ์แบบทั่วไปทำงานโดยใช้กระบวนการระยะสั้นที่อุณหภูมิสูง ซึ่งโดยปกติต่ำกว่า 100°C (212°F) โดยทั่วไป อุณหภูมิและระยะเวลาที่แน่นอนจะถูกปรับให้เหมาะกับผลิตภัณฑ์อาหารและจุลินทรีย์ที่ต้องทำให้หมดฤทธิ์ ประสิทธิผลของกระบวนการพาสเจอไรซ์พิจารณาจากอัตราการทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ ซึ่งวัดเป็นการลดลงแบบลอการิทึม การลดลงแบบลอการิทึมใช้วัดร้อยละของจุลินทรีย์ที่หมดฤทธิ์ ณ อุณหภูมิที่กำหนดในช่วงเวลาที่กำหนด สภาวะของกระบวนการให้ความร้อนและอัตราการทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ได้รับอิทธิพลจากชนิดของจุลินทรีย์และองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์อาหาร การพาสเจอไรซ์แบบดั้งเดิมที่ใช้ความร้อนมีข้อเสียหลายประการ ตั้งแต่การทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ได้ไม่เพียงพอ ผลเสียต่อผลิตภัณฑ์อาหาร ไปจนถึงการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการ การให้ความร้อนไม่เพียงพอเนื่องจากระยะเวลาพาสเจอไรซ์สั้นเกินไปหรืออุณหภูมิต่ำเกินไปส่งผลให้อัตราการลดลงแบบลอการิทึมต่ำ และเกิดการเน่าเสียจากจุลินทรีย์ตามมา การให้ความร้อนมากเกินไปอาจทำให้ผลิตภัณฑ์เสื่อมคุณภาพ เช่น เกิดกลิ่นรสไหม้ที่ไม่พึงประสงค์ และมีความหนาแน่นของสารอาหารลดลงเนื่องจากสารอาหารที่ไวต่ออุณหภูมิถูกทำลาย

ข้อเสียของการพาสเจอไรซ์แบบทั่วไป

• อาจทำลายหรือทำให้สารอาหารสำคัญเสียหาย
• อาจทำให้เกิดกลิ่นรสที่ไม่พึงประสงค์
• ต้องใช้พลังงานสูง
• ไม่มีประสิทธิผลในการฆ่าเชื้อก่อโรคที่ทนความร้อน
• ไม่สามารถใช้กับผลิตภัณฑ์อาหารทุกชนิดได้

การพาสเจอไรซ์ผลิตภัณฑ์นมด้วยอัลตราซาวนด์

มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความร้อน และการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความร้อนและความดัน เพื่อพาสเจอไรซ์นมและผลิตภัณฑ์นม ตัวอย่างเช่น พบว่าอัลตราซาวนด์สามารถกำจัดจุลินทรีย์ที่ทำให้เน่าเสียและจุลินทรีย์ที่อาจก่อโรคให้เหลือศูนย์หรือเหลือระดับที่ยอมรับได้ตามกฎหมายเกี่ยวกับนมของแอฟริกาใต้และสหราชอาณาจักร แม้ว่าก่อนผ่านกระบวนการจะมีปริมาณเชื้อเริ่มต้นที่ใส่ลงไปสูงกว่าระดับที่อนุญาต 5× ก็ตาม จำนวนเซลล์ที่มีชีวิตของ E. coli ลดลง 100% หลังใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 10.0 min นอกจากนี้ ยังแสดงให้เห็นว่าจำนวนเซลล์ที่มีชีวิตของ Pseudomonas fluorescens ลดลง 100% หลังผ่านไป 6.0 min และ Listeria monocytogenes ลดลง 99% หลังผ่านไป 10.0 min (Cameron et al. 2009)
งานวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความร้อนสามารถทำให้ Listeria innocua และแบคทีเรียที่เจริญได้ดีที่อุณหภูมิปานกลางในน้ำนมดิบเต็มมันเนยหมดฤทธิ์ได้ มีการแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ได้จริงสำหรับการพาสเจอไรซ์และการทำให้นมเป็นเนื้อเดียวกัน โดยใช้เวลาในการแปรรูปสั้นกว่า ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของ pH และปริมาณกรดแลกติก อีกทั้งยังมีลักษณะปรากฏและความสม่ำเสมอดีกว่าเมื่อเทียบกับกระบวนการใช้ความร้อนแบบทั่วไป ข้อเท็จจริงเหล่านี้เป็นประโยชน์ต่อการแปรรูปผลิตภัณฑ์นมในหลายด้าน (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

การพาสเจอไรซ์น้ำผลไม้และผลไม้บดด้วยอัลตราซาวนด์

มีการนำการพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์มาใช้เป็นเทคนิคการพาสเจอไรซ์ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็ว เพื่อทำให้ Escherichia coli และ Staphylococcus aureus ในน้ำแอปเปิลหมดฤทธิ์ เมื่อน้ำแอปเปิลที่ไม่มีเนื้อผลไม้ผ่านกระบวนการอัลตราซาวนด์ ระยะเวลาที่ใช้ในการลดจำนวนลง 5-log เท่ากับ 35 s สำหรับ E. coli ที่ 60degC และ 30 s สำหรับ S. aureus ที่ 62degC แม้งานวิจัยจะพบว่าปริมาณเนื้อผลไม้สูงทำให้อัลตราซาวนด์ฆ่า S. aureus ได้น้อยลง ขณะที่ไม่มีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อ E. coli แต่ควรสังเกตว่าไม่มีการใช้ความดัน การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ภายใต้ความดันที่สูงขึ้นเพิ่มความรุนแรงของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์อย่างมีนัยสำคัญ และส่งผลให้การทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ในของเหลวที่มีความหนืดมากขึ้นรุนแรงขึ้นด้วย การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ไม่มีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระที่ประเมินจากความสามารถในการกำจัดอนุมูลอิสระ 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) แต่เพิ่มปริมาณสารฟีนอลิกทั้งหมดอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการนี้ยังทำให้น้ำผลไม้มีความคงตัวมากขึ้นและมีความสม่ำเสมอสูงขึ้นด้วย (ดู Baboli et al. 2020)

การทำให้แบคทีเรียแกรมบวกและแกรมลบหมดฤทธิ์ด้วยอัลตราซาวนด์

โดยทั่วไป เป็นที่ทราบกันว่าแบคทีเรียแกรมบวก เช่น Listeria monocytogenes หรือ Staphylococcus aureus มีความทนทานมากกว่าแบคทีเรียแกรมลบ และทนต่อเทคโนโลยีการพาสเจอไรซ์ เช่น PEF, HPP และการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความดัน (MS) ได้นานกว่า เนื่องจากมีผนังเซลล์หนากว่า แบคทีเรียแกรมลบมีเยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็นลิพิดสองชั้น – ชั้นนอกหนึ่งชั้นและชั้นที่หุ้มไซโทพลาซึมหนึ่งชั้น – โดยมีชั้นเพปทิโดไกลแคนบาง ๆ อยู่ระหว่างเยื่อหุ้มทั้งสอง ทำให้แบคทีเรียเหล่านี้ไวต่อการทำให้หมดฤทธิ์ด้วยอัลตราซาวนด์มากกว่า ในทางกลับกัน แบคทีเรียแกรมบวกมีเยื่อหุ้มลิพิดเพียงชั้นเดียว พร้อมผนังเพปทิโดไกลแคนที่หนากว่า ซึ่งทำให้ทนต่อกระบวนการพาสเจอไรซ์ได้มากกว่า การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ได้เปรียบเทียบผลของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อแบคทีเรียแกรมลบและแกรมบวก และพบว่ามีผลยับยั้งแบคทีเรียแกรมลบได้มากกว่า (ดู Monsen et al. 2009) แบคทีเรียแกรมบวกต้องใช้สภาวะอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงกว่า กล่าวคือ แอมพลิจูดสูงกว่า อุณหภูมิสูงกว่า ความดันสูงกว่า และ/หรือระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์นานกว่า ระบบอัลตราซาวนด์กำลังสูงของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก และสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นและใช้ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหลที่สามารถเพิ่มความดันได้ ซึ่งช่วยให้ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ / คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความร้อนและความดันอย่างเข้มข้น เพื่อทำให้แม้แต่แบคทีเรียสายพันธุ์ที่ทนทานมากหมดฤทธิ์ได้

การทำให้แบคทีเรียทนความร้อนหมดฤทธิ์ด้วยอัลตราซาวนด์

แบคทีเรียทนความร้อนคือแบคทีเรียที่สามารถรอดชีวิตจากกระบวนการพาสเจอไรซ์ได้ในระดับที่แตกต่างกัน แบคทีเรียกลุ่มที่ทนความร้อน ได้แก่ Bacillus, Clostridium และ Enterococci “อย่างไรก็ตาม การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่แอมพลิจูด 80% เป็นเวลา 10 min ทำให้เซลล์ระยะเจริญของ B. coagulans และ A. flavithermus ในนมพร่องมันเนยหมดฤทธิ์ โดยลดจำนวนลง 4.53 และ 4.26 log ตามลำดับ กระบวนการร่วมที่ใช้การพาสเจอไรซ์ (63 องศา C/30 min) ตามด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ กำจัดเซลล์เหล่านี้ในนมพร่องมันเนยที่มีปริมาณประมาณ log 6 cfu/mL ได้อย่างสมบูรณ์” (Khanal et al. 2014)

อุปกรณ์พาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics มีประสบการณ์ยาวนานในการประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม รวมถึงอุตสาหกรรมสาขาอื่น ๆ อีกมากมาย เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ของเราติดตั้งโซโนโทรดและเซลล์ไหล (ชิ้นส่วนที่สัมผัสของเหลว) ที่ทำความสะอาดได้ง่าย (การทำความสะอาดในสถานที่ CIP / การทำให้ปราศจากเชื้อในสถานที่ SIP) เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก สามารถเดินเครื่องต่อเนื่องที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างง่ายดายในการทำงานแบบ 24/7 แอมพลิจูดสูงมีความสำคัญต่อการทำให้จุลินทรีย์ที่ทนทานมากกว่า (เช่น แบคทีเรียแกรมบวก) หมดฤทธิ์ สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ โซโนโทรดและเครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหลอัลตราซาวนด์ทั้งหมดสามารถทำงานภายใต้อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้นได้ ซึ่งช่วยให้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับความร้อนและความดันมีความน่าเชื่อถือ และการพาสเจอไรซ์มีประสิทธิผลสูง
เทคโนโลยีล้ำสมัย สมรรถนะสูง และซอฟต์แวร์ที่พัฒนาอย่างก้าวหน้า ทำให้อุปกรณ์ของ Hielscher Ultrasonics เป็นกำลังหลักที่เชื่อถือได้ในสายการพาสเจอไรซ์อาหารของคุณ ด้วยขนาดที่ใช้พื้นที่น้อยและทางเลือกในการติดตั้งที่หลากหลาย เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher จึงสามารถผสานเข้ากับสายการผลิตที่มีอยู่หรือติดตั้งเพิ่มเติมได้อย่างง่ายดาย
โปรดติดต่อเราตอนนี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณลักษณะและความสามารถของระบบพาสเจอไรซ์ด้วยอัลตราซาวนด์ของเรา เรายินดีหารือเกี่ยวกับการใช้งานของคุณ!
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: