Ультразвукова пастеризація рідких харчових продуктів

Ультразвукова пастеризація – це непоточний процес стерилізації для інактивації мікробів, таких як E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus, серед багатьох інших, щоб запобігти мікробному псуванню та досягти довгострокової стабільності харчових продуктів і напоїв.

Непоточна пастеризація харчових продуктів і напоїв за допомогою ультразвукової обробки

Ультразвукова пастеризація – це непоточна альтернативна технологія, яка використовується для знищення або інактивації організмів і ферментів, що сприяють псуванню харчових продуктів. Ультразвукову обробку можна використовувати для пастеризації консервованих продуктів, молока, молочних продуктів, яєць, соків, напоїв з низьким вмістом алкоголю та інших рідких харчових продуктів. Ультразвукова обробка окремо, а також ультразвук у поєднанні з підвищеними умовами нагрівання та тиску (відомий як термо-мано-сонікація) можуть ефективно пастеризувати соки, молоко, молочні продукти, рідкі яйця та інші харчові продукти. Складна ультразвукова пастеризація перевищує традиційні техніки пастеризації, оскільки ультразвук не негативно впливає на поживний вміст і фізичні характеристики оброблених харчових продуктів. Використання ультразвуку або термо-мано-сонікації для пастеризації рідких харчових продуктів може забезпечити продукт, багатий на поживні речовини, з вищою якістю, ніж традиційний метод пастеризації при високій температурі та короткому часі (HTST). Дослідницькі роботи, такі як Beslar et al. (2015), виявили, що ультразвукова обробка може забезпечити значні переваги для переробки соків, включаючи покращені фактори якості, такі як вихід, екстракція, хмарність, реологічні властивості та колір, а також термін придатності.

Криві виживання Escherichia coli (a) та Staphylococcus aureus (b) в яблучному соку після ультразвукової обробки (UT) за різних температур і після теплової обробки (HT) за тих самих температур.
зображення та дослідження: Baboli et al. 2015

Як працює ультразвукова пастеризація?

Ультразвукова інактивація та знищення мікробів – це непоточна техніка, що означає, що її основний принцип роботи не базується на теплі. Ультразвукова пастеризація зумовлена переважно ефектами акустичної кавітації. Явище акустичної / ультразвукової кавітації відоме своїми локально високими температурами, тисками та відповідними диференціалами, які виникають у та навколо крихітних кавітаційних бульбашок. Крім того, акустична кавітація генерує дуже інтенсивні зсувні сили, рідинні струмені та турбулентності. Ці руйнівні сили спричиняють значні пошкодження мікробних клітин, такі як перфорація та руйнування клітин. Перфорація та руйнування клітин – це унікальні ефекти, виявлені в клітинах, оброблених ультразвуком, зумовлені переважно рідинними струменями, що генеруються кавітацією.

Ультразвукова пастеризація базується на акустичній кавітації та її гідродинамічних зсувних силах

Чому ультразвукова обробка перевищує традиційну пастеризацію

Харчова та напоєва промисловість широко застосовує традиційну пастеризацію для інактивації або знищення мікробів, таких як бактерії, дріжджі та гриби, щоб запобігти мікробному псуванню та забезпечити своїм продуктам довший термін придатності та стабільність. Традиційна пастеризація працює шляхом короткої обробки при підвищених температурах, зазвичай нижчих за 100°C (212°F). Точна температура та тривалість зазвичай налаштовуються відповідно до конкретного харчового продукту та мікробів, які необхідно інактивувати. Ефективність процесу пастеризації визначається швидкістю інактивації мікробів, яка вимірюється як логарифмічне зменшення. Логарифмічне зменшення вимірює відсоток інактивованих мікробів при конкретній температурі протягом конкретного часу. Умови температурної обробки та швидкість інактивації мікробів залежать від типу мікробів, а також від складу харчового продукту. Традиційна пастеризація на основі нагрівання має кілька недоліків, починаючи від недостатньої інактивації мікробів, негативних впливів на харчовий продукт, а також нерівномірного нагрівання обробленого продукту. Недостатнє нагрівання через занадто коротку тривалість пастеризації або занадто низьку температуру призводить до низького рівня логарифмічного зменшення та подальшого мікробного псування. Надмірна термічна обробка може спричинити псування продукту, таке як пригорілі присмаки, та зменшення поживної цінності через руйнування термочутливих поживних речовин.

Недоліки традиційної пастеризації

• може руйнувати або пошкоджувати важливі поживні речовини
• може спричиняти сторонні присмаки
• високі енерговитрати
• неефективна проти термостійких патогенів
• не застосовна до кожного харчового продукту

Ультразвукова пастеризація молочних продуктів

Ультразвукова обробка, термозвукова обробка та термоманозвукова обробка широко досліджувалися для пастеризації молока та молочних продуктів. Наприклад, було виявлено, що ультразвук знищує мікроорганізми псування та потенційні патогени до нуля або до рівнів, прийнятних для законодавства Південної Африки та Великобританії щодо молока, навіть коли початкове навантаження інокулюму було в 5 разів вищим за допустиме до обробки. Життєздатні клітини E. coli були зменшені на 100% після 10,0 хв ультразвукової обробки. Крім того, було показано, що життєздатні клітини Pseudomonas fluorescens були зменшені на 100% після 6,0 хв, а Listeria monocytogenes була зменшена на 99% після 10,0 хв. (Cameron et al. 2009)
Дослідження також продемонстрували, що термозвукова обробка може інактивувати Listeria innocua та мезофільні бактерії в сирому цільному молоці. Було показано, що ультразвук є придатною технологією для пастеризації та гомогенізації молока, демонструючи коротші часи обробки без важливих змін у рівні pH та вмісті молочної кислоти, а також кращий зовнішній вигляд та консистенцію порівняно з традиційною термічною обробкою. Ці факти є переважними в багатьох аспектах переробки молочної продукції. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Ультразвукова пастеризація соків та фруктових пюре

Ультразвукова пастеризація застосовувалася як ефективна та швидка альтернативна техніка пастеризації для інактивації Escherichia coli та Staphylococcus aureus у яблучному соку. Коли яблучний сік без м’якоті оброблявся ультразвуком, час 5-логарифмічного зменшення становив 35 с для E. coli при 60degC та 30 с для S. aureus при 62degC. Хоча в дослідженні було виявлено, що високий вміст м’якоті робив ультразвук менш летальним для S. aureus, тоді як він не мав значного впливу на E. coli, слід зазначити, що тиск не застосовувався. Ультразвукова обробка при підвищеному тиску значно інтенсифікує ультразвукову кавітацію та, відповідно, інактивацію мікробів у більш в’язких рідинах. Ультразвукова обробка не мала значного впливу на антиоксидантну активність, визначену за допомогою активності поглинання радикалів 2,2-дифеніл-1-пікрилгідразилу (DPPH), але вона значно збільшила загальний вміст фенольних сполук. Обробка також призвела до більш стабільного соку з вищою однорідністю. (cf. Baboli et al. 2020)

Ультразвукова інактивація грампозитивних і грамнегативних бактерій

Грампозитивні бактерії, такі як Listeria monocytogenes або Staphylococcus aureus, загалом відомі як більш стійкі, ніж грамнегативні бактерії, і витримують технології пастеризації, такі як PEF, HPP та mano-sonication (MS), протягом довших періодів обробки завдяки товстішим клітинним стінкам. Грамнегативні бактерії мають дві – одну зовнішню і одну цитоплазматичну – ліпідні клітинні мембрани з тонким шаром пептидоглікану між ними, що робить їх більш вразливими до ультразвукової інактивації. З іншого боку, грампозитивні бактерії мають лише одну ліпідну мембрану з товстішою пептидоглікановою стінкою, що надає їм більшої стійкості до обробки пастеризації. Наукові дослідження порівнювали вплив потужного ультразвуку на грамнегативні та грампозитивні бактерії і виявили, що він мав сильніший інгібуючий ефект на грамнегативні бактерії. (cf. Monsen et al. 2009) Грампозитивним бактеріям потрібні більш інтенсивні умови ультразвуку, тобто вищі амплітуди, вищі температури, вищі тиски та/або довший час ультразвукової обробки. Системи потужного ультразвуку Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та можуть працювати при підвищених температурах і з проточними реакторами, що витримують тиск. Це дозволяє проводити інтенсивну ультразвукову обробку / термо-магно-ультразвукову обробку для інактивації навіть дуже стійких штамів бактерій.

Ультразвукова інактивація термостійких бактерій

Термостійкі бактерії – це бактерії, які можуть виживати, в різній мірі, під час процесу пастеризації. До термостійких видів бактерій належать Bacillus, Clostridium та Enterococci. “Ультразвукова обробка при 80% амплітуди протягом 10 хв, однак, інактивувала вегетативні клітини B. coagulans та A. flavithermus у знежиреному молоці на 4,53 та 4,26 log відповідно. Комбінована обробка пастеризацією (63 degrees C/30 min) з наступною ультразвуковою обробкою повністю знищила приблизно log 6 cfu/mL цих клітин у знежиреному молоці.” (Khanal et al. 2014)

Високоефективне обладнання для ультразвукової пастеризації

Hielscher Ultrasonics має багаторічний досвід у застосуванні потужного ультразвуку в харчовій та напоївій промисловості, а також у багатьох інших галузях промисловості. Наші ультразвукові процесори оснащені легкими в очищенні (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) сонотродами та проточними комірками (мокрі частини). Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Високі амплітуди важливі для інактивації більш стійких мікробів (наприклад, грампозитивних бактерій). Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Усі сонотроди та ультразвукові проточні реактори можуть працювати при підвищених температурах і тисках, що забезпечує надійну термо-магно-ультразвукову обробку та високоефективну пастеризацію.
Передові технології, висока продуктивність та складне програмне забезпечення роблять Hielscher Ultrasonics надійними робочими конячками на вашій лінії пастеризації харчових продуктів. Завдяки компактним розмірам та різноманітним варіантам встановлення, ультразвукові пристрої Hielscher можна легко інтегрувати або дооснащувати існуючі виробничі лінії.
Зв’яжіться з нами, щоб дізнатися більше про характеристики та можливості наших систем ультразвукової пастеризації. Ми будемо раді обговорити з вами ваше застосування!
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових пристроїв: