Sıvı Gıdaların Ultrasonik Pastörizasyonu

Ultrasonik pastörizasyon, mikrobiyal bozulmayı önlemek ve gıda ve içeceklerde uzun süreli stabilite sağlamak amacıyla E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus ve daha birçok mikrobu inaktive eden, termal olmayan bir sterilizasyon işlemidir.

Gıda ve İçeceklerin Sonikasyonla Termal Olmayan Pastörizasyonu

Ultrasonik pastörizasyon, gıdaların bozulmasına katkıda bulunan organizmaları ve enzimleri yok etmek veya etkisiz hâle getirmek için kullanılan, termal olmayan alternatif bir teknolojidir. Ultrasonikasyon; konserve gıdaları, sütü, süt ürünlerini, yumurtaları, meyve sularını, düşük alkol içerikli içecekleri ve diğer sıvı gıdaları pastörize etmek için kullanılabilir. Hem tek başına ultrasonikasyon hem de yüksek sıcaklık ve basınç koşullarıyla birleştirilen ultrason (termo-mano-sonikasyon olarak bilinir), meyve sularını, sütü, süt ürünlerini, sıvı yumurtaları ve diğer gıda ürünlerini verimli bir şekilde pastörize edebilir. Gelişmiş bir ultrasonik pastörizasyon işlemi, ultrason işlenen gıda ürünlerinin besin içeriğini ve fiziksel özelliklerini olumsuz etkilemediği için geleneksel pastörizasyon tekniklerinden üstündür. Sıvı gıda ürünlerini pastörize etmek için ultrason veya termo-mano-sonikasyon kullanılması, geleneksel yüksek sıcaklıkta kısa süreli (HTST) pastörizasyon yöntemine kıyasla daha yüksek kaliteli, besin açısından zengin bir ürün sağlayabilir.
Beslar et al. (2015) tarafından yapılan çalışma gibi araştırmalar, ultrasonik işlemin meyve sularının işlenmesinde önemli avantajlar sağlayabildiğini ortaya koymuştur. Bunlar arasında verim, ekstraksiyon, bulanıklık, reolojik özellikler ve renk gibi kalite faktörlerinin yanı sıra raf ömrünün de iyileştirilmesi yer alır.

Elma suyundaki Escherichia coli (a) ve Staphylococcus aureus (b) bakterilerinin farklı sıcaklıklarda Ultrason İşlemi (UT) ve aynı sıcaklıklarda Isıl İşlem (HT) sonrasındaki hayatta kalma eğrileri.
görsel ve çalışma: Baboli et al. 2015

Ultrasonik Pastörizasyon Nasıl Çalışır?

Mikropların ultrasonik olarak inaktive edilmesi ve yok edilmesi, termal olmayan bir tekniktir; yani temel çalışma prensibi ısıya dayanmaz. Ultrasonik pastörizasyon esas olarak akustik kavitasyonun etkileriyle gerçekleşir. Akustik / ultrasonik kavitasyon olgusu, çok küçük kavitasyon kabarcıklarının içinde ve çevresinde meydana gelen yerel yüksek sıcaklıklar, basınçlar ve bunlara karşılık gelen farklarla bilinir. Ayrıca akustik kavitasyon, çok yoğun kesme kuvvetleri, sıvı jetleri ve türbülans oluşturur. Bu yıkıcı kuvvetler, mikrobiyal hücrelerde hücre delinmesi ve parçalanması gibi kapsamlı hasarlara neden olur. Hücre delinmesi ve parçalanması, ultrasonik işlem uygulanmış hücrelerde görülen ve esas olarak kavitasyonun oluşturduğu sıvı jetlerinden kaynaklanan benzersiz etkilerdir.

Ultrasonik pastörizasyon, akustik kavitasyona ve onun hidrodinamik kesme kuvvetlerine dayanır

Sonikasyon Neden Geleneksel Pastörizasyondan Üstündür?

Gıda ve içecek endüstrisi, mikrobiyal bozulmayı önlemek ve ürünlerine daha uzun raf ömrü ve stabilite kazandırmak amacıyla bakteri, maya ve mantar gibi mikropları inaktive etmek veya öldürmek için geleneksel pastörizasyonu yaygın olarak uygular. Geleneksel pastörizasyon, genellikle 100°C (212°F) altında olan yüksek sıcaklıklarda kısa süreli bir işlemle gerçekleştirilir. Kesin sıcaklık ve süre, normalde ilgili gıda ürününe ve inaktive edilmesi gereken mikroplara göre ayarlanır. Bir pastörizasyon işleminin etkinliği, logaritmik azalma olarak ölçülen mikrobiyal inaktivasyon oranıyla belirlenir. Logaritmik azalma, belirli bir sıcaklıkta belirli bir süre boyunca inaktive edilen mikropların yüzdesini ölçer. Isıl işlem koşulları ve mikrobiyal inaktivasyon oranı, mikropların türünün yanı sıra gıda ürününün bileşiminden de etkilenir. Geleneksel ısıya dayalı pastörizasyonun, yetersiz mikrobiyal inaktivasyondan gıda ürünü üzerindeki olumsuz etkilere ve işlenen ürünün eşit olmayan biçimde ısınmasına kadar çeşitli dezavantajları vardır. Çok kısa pastörizasyon süresi veya çok düşük sıcaklık nedeniyle yetersiz ısıtma, düşük bir logaritmik azalma oranına ve ardından mikrobiyal bozulmaya yol açar. Aşırı ısıl işlem, yanık tadı gibi istenmeyen tat ve aromalara ve sıcaklığa duyarlı besin maddelerinin yok olması nedeniyle besin yoğunluğunun azalmasına yol açarak ürünün bozulmasına neden olabilir.

Geleneksel Pastörizasyonun Dezavantajları

• önemli besin maddelerini yok edebilir veya bunlara zarar verebilir
• istenmeyen tat ve aromalara neden olabilir
• yüksek enerji gereksinimleri
• ısıya dayanıklı patojenleri öldürmede etkisizdir
• her gıda ürününe uygulanamaz

Süt Ürünlerinin Ultrasonik Pastörizasyonu

Sonikasyon, termo-sonikasyon ve termo-mano-sonikasyon, süt ve süt ürünlerinin pastörizasyonu için kapsamlı biçimde araştırılmıştır. Örneğin, işlem öncesindeki başlangıç inokulum yükleri izin verilenden 5× daha yüksek olduğunda bile ultrasonun bozulmaya yol açan mikroorganizmaları ve potansiyel patojenleri sıfıra veya Güney Afrika ve Britanya süt mevzuatının kabul ettiği düzeylere indirdiği bulunmuştur. E. coli’nin canlı hücre sayıları, 10,0 min ultrasonikasyon sonrasında %100 azalmıştır. Ayrıca Pseudomonas fluorescens’in canlı hücre sayılarının 6,0 min sonrasında %100, Listeria monocytogenes’in canlı hücre sayılarının ise 10,0 min sonrasında %99 azaldığı gösterilmiştir. (Cameron et al. 2009)
Araştırmalar ayrıca termo-sonikasyonun çiğ tam yağlı sütte Listeria innocua ve mezofilik bakterileri inaktive edebildiğini göstermiştir. Ultrasonun, geleneksel ısıl işlemle karşılaştırıldığında pH ve laktik asit içeriğinde önemli değişiklikler olmadan daha kısa işlem süreleri, daha iyi görünüm ve kıvam sunarak sütün pastörizasyonu ve homojenizasyonu için uygulanabilir bir teknoloji olduğu gösterilmiştir. Bu bulgular, süt ürünlerinin işlenmesinin birçok yönü açısından avantajlıdır. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Meyve Sularının ve Meyve Pürelerinin Ultrasonik Pastörizasyonu

Ultrasonik pastörizasyon, elma suyundaki Escherichia coli ve Staphylococcus aureus bakterilerini inaktive etmek için verimli ve hızlı bir alternatif pastörizasyon tekniği olarak uygulanmıştır. Posasız elma suyu ultrasonik olarak işlendiğinde, 5-log azalma süresi E. coli için 60degC sıcaklıkta 35 s ve S. aureus için 62degC sıcaklıkta 30 s olmuştur. Çalışmada yüksek posa içeriğinin ultrasonun S. aureus üzerindeki öldürücü etkisini azalttığı, E. coli üzerinde ise anlamlı bir etkisinin olmadığı bulunmuş olsa da basınç uygulanmadığı dikkate alınmalıdır. Yüksek basınç altında sonikasyon, ultrasonik kavitasyonu ve dolayısıyla daha viskoz sıvılardaki mikrobiyal inaktivasyonu önemli ölçüde yoğunlaştırır. Ultrason işlemi, 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH) radikal süpürme aktivitesiyle belirlenen antioksidan aktivite üzerinde anlamlı bir etki göstermemiş, ancak toplam fenolik içeriği önemli ölçüde artırmıştır. İşlem ayrıca daha yüksek homojenliğe sahip, daha stabil bir meyve suyu elde edilmesiyle sonuçlanmıştır. (bkz. Baboli et al. 2020)

Gram-Pozitif ve Gram-Negatif Bakterilerin Ultrasonik İnaktivasyonu

Listeria monocytogenes veya Staphylococcus aureus gibi gram-pozitif bakterilerin genel olarak gram-negatif bakterilerden daha dirençli olduğu ve daha kalın hücre duvarları nedeniyle PEF, HPP ve mano-sonikasyon (MS) gibi pastörizasyon teknolojilerine daha uzun işlem süreleri boyunca dayanabildiği bilinmektedir. Gram-negatif bakterilerin, aralarında ince bir peptidoglikan tabakası bulunan biri dışta, diğeri sitoplazmik olmak üzere iki lipit hücre zarı vardır; bu da onları ultrasonik inaktivasyona daha duyarlı hâle getirir. Öte yandan gram-pozitif bakterilerin, daha kalın bir peptidoglikan duvarına sahip yalnızca tek bir lipit zarı vardır; bu yapı onlara pastörizasyon işlemlerine karşı daha fazla direnç kazandırır. Bilimsel araştırmalar, yüksek güçlü ultrasonun gram-negatif ve gram-pozitif bakteriler üzerindeki etkisini karşılaştırmış ve gram-negatif bakteriler üzerinde daha güçlü bir inhibe edici etkisi olduğunu bulmuştur. (bkz. Monsen et al. 2009) Gram-pozitif bakteriler daha yoğun ultrason koşulları, yani daha yüksek genlikler, daha yüksek sıcaklıklar, daha yüksek basınçlar ve/veya daha uzun sonikasyon süresi gerektirir. Hielscher Ultrasonics’in yüksek güçlü ultrason sistemleri çok yüksek genlikler sağlayabilir ve yüksek sıcaklıklarda, basınçlandırılabilir akış hücresi reaktörleriyle çalıştırılabilir. Bu, çok dirençli bakteri suşlarını bile inaktive etmek için yoğun sonikasyon / termo-mano-sonikasyon uygulanmasına olanak tanır.

Termodurik Bakterilerin Ultrasonik İnaktivasyonu

Termodurik bakteriler, pastörizasyon işleminden değişen ölçülerde sağ çıkabilen bakterilerdir. Termodurik bakteri türleri arasında Bacillus, Clostridium ve Enterococci yer alır. “Bununla birlikte, %80 genlikte 10 min ultrasonikasyon, yağsız sütteki B. coagulans ve A. flavithermus’un vejetatif hücrelerinde sırasıyla 4,53 ve 4,26 log inaktivasyon sağlamıştır. Pastörizasyon (63 derece C/30 min) ve ardından ultrasonikasyondan oluşan kombine bir işlem, yağsız sütteki bu hücrelerin yaklaşık log 6 cfu/mL miktarını tamamen ortadan kaldırmıştır.” (Khanal et al. 2014)

Yüksek Performanslı Ultrasonik Pastörizasyon Ekipmanı

Hielscher Ultrasonics, yüksek güçlü ultrasonun gıda ve içecek endüstrisinin yanı sıra diğer birçok endüstri dalında uygulanması konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahiptir. Ultrasonik işlemcilerimiz, kolay temizlenebilir (yerinde temizleme CIP / yerinde sterilizasyon SIP) sonotrotlar ve akış hücreleriyle (sıvıyla temas eden parçalar) donatılmıştır. Hielscher Ultrasonics’in endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Yüksek genlikler, daha dirençli mikropları (ör. gram-pozitif bakteriler) inaktive etmek için önemlidir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak üretilmiş ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Tüm sonotrotlar ve ultrasonik akış hücresi reaktörleri yüksek sıcaklık ve basınç altında çalıştırılabilir; bu da güvenilir bir termo-mano-sonikasyona ve son derece etkili pastörizasyona olanak tanır.
En son teknoloji, yüksek performans ve gelişmiş yazılım, Hielscher Ultrasonics cihazlarını gıda pastörizasyon hattınızın güvenilir ve dayanıklı ekipmanları hâline getirir. Az yer kaplamaları ve çok yönlü kurulum seçenekleri sayesinde Hielscher sonikatörleri mevcut üretim hatlarına kolayca entegre edilebilir veya sonradan eklenebilir.
Ultrasonik pastörizasyon sistemlerimizin özellikleri ve kapasitesi hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şimdi bizimle iletişime geçin. Uygulamanızı sizinle görüşmekten memnuniyet duyarız!
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: