Thanh trùng thực phẩm dạng lỏng bằng siêu âm

Thanh trùng bằng siêu âm là một quá trình tiệt trùng không dùng nhiệt nhằm bất hoạt các vi sinh vật như E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus cùng nhiều loài khác để ngăn ngừa hư hỏng do vi sinh vật và duy trì độ ổn định lâu dài của thực phẩm và đồ uống.

Thanh trùng thực phẩm và đồ uống không dùng nhiệt bằng xử lý siêu âm

Thanh trùng bằng siêu âm là một công nghệ thay thế không dùng nhiệt, được sử dụng để tiêu diệt hoặc bất hoạt các sinh vật và enzyme góp phần gây hư hỏng thực phẩm. Có thể sử dụng xử lý siêu âm để thanh trùng thực phẩm đóng hộp, sữa, các sản phẩm từ sữa, trứng, nước ép, đồ uống có hàm lượng cồn thấp và các thực phẩm dạng lỏng khác. Xử lý siêu âm đơn thuần cũng như siêu âm kết hợp với điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (được gọi là xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất) có thể thanh trùng hiệu quả nước ép, sữa, các sản phẩm từ sữa, trứng dạng lỏng và các sản phẩm thực phẩm khác. Quy trình thanh trùng bằng siêu âm tiên tiến vượt trội so với các kỹ thuật thanh trùng truyền thống vì siêu âm không ảnh hưởng bất lợi đến hàm lượng dinh dưỡng và các đặc tính vật lý của sản phẩm thực phẩm được xử lý. Sử dụng siêu âm hoặc xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất để thanh trùng các sản phẩm thực phẩm dạng lỏng có thể tạo ra sản phẩm giàu dinh dưỡng với chất lượng cao hơn so với phương pháp thanh trùng truyền thống ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn (HTST).
Các nghiên cứu như nghiên cứu của Beslar và cộng sự (2015) cho thấy xử lý siêu âm có thể mang lại những lợi ích đáng kể cho quá trình chế biến nước ép, bao gồm cải thiện các yếu tố chất lượng như hiệu suất thu hồi, khả năng chiết xuất, độ đục, tính chất lưu biến và màu sắc, cũng như thời hạn sử dụng.

Các đường cong sống sót của Escherichia coli (a) và Staphylococcus aureus (b) trong nước ép táo sau khi xử lý siêu âm (UT) ở các nhiệt độ khác nhau và sau khi xử lý nhiệt (HT) ở cùng các nhiệt độ đó.
hình ảnh và nghiên cứu: Baboli và cộng sự 2015

Thanh trùng bằng siêu âm hoạt động như thế nào?

Bất hoạt và tiêu diệt vi sinh vật bằng siêu âm là một kỹ thuật không dùng nhiệt, nghĩa là nguyên lý hoạt động chính của kỹ thuật này không dựa trên nhiệt. Thanh trùng bằng siêu âm chủ yếu diễn ra nhờ các tác động của hiện tượng xâm thực âm học. Hiện tượng xâm thực âm học / siêu âm được biết đến với nhiệt độ, áp suất cao cục bộ và các chênh lệch tương ứng, xuất hiện bên trong và xung quanh các bọt xâm thực cực nhỏ. Hơn nữa, xâm thực âm học tạo ra lực cắt rất mạnh, các tia chất lỏng và dòng chảy rối. Những lực phá hủy này gây tổn thương nghiêm trọng cho tế bào vi sinh vật, chẳng hạn như làm thủng và phá vỡ tế bào. Sự tạo lỗ thủng và phá vỡ tế bào là những tác động đặc thù được ghi nhận ở các tế bào được xử lý bằng siêu âm, chủ yếu do các tia chất lỏng sinh ra bởi hiện tượng xâm thực gây nên.

Thanh trùng bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học và các lực cắt thủy động lực học do hiện tượng này tạo ra

Vì sao xử lý siêu âm vượt trội so với thanh trùng truyền thống

Ngành thực phẩm và đồ uống sử dụng rộng rãi phương pháp thanh trùng thông thường để bất hoạt hoặc tiêu diệt các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men và nấm mốc nhằm ngăn ngừa hư hỏng do vi sinh vật, kéo dài thời hạn sử dụng và tăng độ ổn định của sản phẩm. Thanh trùng thông thường được thực hiện bằng cách xử lý trong thời gian ngắn ở nhiệt độ cao, thường dưới 100°C (212°F). Nhiệt độ và thời gian chính xác thường được điều chỉnh cho phù hợp với từng sản phẩm thực phẩm và các vi sinh vật cần bất hoạt. Hiệu quả của quá trình thanh trùng được xác định bằng tỷ lệ bất hoạt vi sinh vật, được đo bằng mức giảm log. Mức giảm log đo tỷ lệ phần trăm vi sinh vật bị bất hoạt ở một nhiệt độ cụ thể trong một khoảng thời gian cụ thể. Các điều kiện xử lý nhiệt và tỷ lệ bất hoạt vi sinh vật chịu ảnh hưởng của loại vi sinh vật cũng như thành phần của sản phẩm thực phẩm. Thanh trùng truyền thống bằng nhiệt có một số nhược điểm, bao gồm bất hoạt vi sinh vật không đầy đủ, ảnh hưởng bất lợi đến sản phẩm thực phẩm và gia nhiệt không đồng đều trong toàn bộ sản phẩm được xử lý. Gia nhiệt không đủ do thời gian thanh trùng quá ngắn hoặc nhiệt độ quá thấp dẫn đến mức giảm log thấp và sau đó là hư hỏng do vi sinh vật. Xử lý nhiệt quá mức có thể làm giảm chất lượng sản phẩm, chẳng hạn như gây mùi vị cháy khét và làm giảm mật độ dinh dưỡng do các chất dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt bị phá hủy.

Nhược điểm của thanh trùng thông thường

• có thể phá hủy hoặc làm tổn hại các chất dinh dưỡng quan trọng
• có thể gây mùi vị bất thường
• nhu cầu năng lượng cao
• không hiệu quả trong việc tiêu diệt các tác nhân gây bệnh chịu nhiệt
• không áp dụng được cho mọi sản phẩm thực phẩm

Thanh trùng các sản phẩm sữa bằng siêu âm

Xử lý siêu âm, xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất đã được nghiên cứu rộng rãi để thanh trùng sữa và các sản phẩm từ sữa. Chẳng hạn, siêu âm đã được chứng minh là có thể loại bỏ hoàn toàn các vi sinh vật gây hư hỏng và các tác nhân có khả năng gây bệnh hoặc giảm chúng xuống mức được chấp nhận theo quy định pháp luật về sữa của Nam Phi và Anh, ngay cả khi lượng vi sinh vật cấy ban đầu trước khi xử lý cao gấp 5× mức cho phép. Số lượng tế bào E. coli sống giảm 100% sau 10,0 min xử lý siêu âm. Ngoài ra, kết quả cho thấy số lượng Pseudomonas fluorescens sống giảm 100% sau 6,0 min và Listeria monocytogenes giảm 99% sau 10,0 min. (Cameron et al. 2009)
Nghiên cứu cũng chứng minh rằng xử lý siêu âm kết hợp nhiệt có thể bất hoạt Listeria innocua và vi khuẩn ưa ấm trong sữa nguyên kem chưa qua xử lý nhiệt. Siêu âm đã được chứng minh là công nghệ khả thi để thanh trùng và đồng nhất sữa, với thời gian xử lý ngắn hơn mà không làm thay đổi đáng kể độ pH và hàm lượng axit lactic, đồng thời mang lại ngoại quan và độ đồng nhất tốt hơn so với xử lý nhiệt thông thường. Những đặc điểm này mang lại lợi ích trong nhiều khía cạnh của quá trình chế biến sữa. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

Thanh trùng nước ép và trái cây nghiền nhuyễn bằng siêu âm

Thanh trùng bằng siêu âm đã được áp dụng như một kỹ thuật thanh trùng thay thế hiệu quả và nhanh chóng để bất hoạt Escherichia coli và Staphylococcus aureus trong nước ép táo. Khi nước ép táo không chứa thịt quả được xử lý bằng siêu âm, thời gian để đạt mức giảm 5 log là 35 s đối với E. coli ở 60degC và 30 s đối với S. aureus ở 62degC. Mặc dù nghiên cứu cho thấy hàm lượng thịt quả cao làm giảm khả năng tiêu diệt S. aureus của siêu âm, trong khi không ảnh hưởng đáng kể đến E. coli, cần lưu ý rằng quá trình này không sử dụng áp suất. Xử lý siêu âm ở áp suất cao làm tăng đáng kể hiện tượng xâm thực siêu âm và qua đó tăng cường bất hoạt vi sinh vật trong các chất lỏng có độ nhớt cao hơn. Xử lý siêu âm không ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính chống oxy hóa được xác định thông qua khả năng bắt giữ gốc tự do 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), nhưng làm tăng đáng kể tổng hàm lượng hợp chất phenolic. Quá trình xử lý cũng tạo ra nước ép ổn định hơn với độ đồng đều cao hơn. (xem Baboli et al. 2020)

Bất hoạt vi khuẩn Gram dương và Gram âm bằng siêu âm

Vi khuẩn Gram dương, chẳng hạn như Listeria monocytogenes hoặc Staphylococcus aureus, nhìn chung được biết là có sức đề kháng cao hơn vi khuẩn Gram âm và chịu được các công nghệ thanh trùng như PEF, HPP và siêu âm kết hợp áp suất (MS) trong thời gian xử lý dài hơn do có thành tế bào dày hơn. Vi khuẩn Gram âm có hai màng tế bào lipid – một màng ngoài và một màng tế bào chất – với một lớp peptidoglycan mỏng ở giữa, khiến chúng dễ bị bất hoạt bằng siêu âm hơn. Mặt khác, vi khuẩn Gram dương chỉ có một màng lipid với thành peptidoglycan dày hơn, giúp chúng có sức đề kháng cao hơn đối với các phương pháp thanh trùng. Các nghiên cứu khoa học đã so sánh tác động của siêu âm công suất cao lên vi khuẩn Gram âm và Gram dương và nhận thấy rằng siêu âm có tác dụng ức chế mạnh hơn đối với vi khuẩn Gram âm. (xem Monsen và cộng sự 2009) Vi khuẩn Gram dương đòi hỏi điều kiện siêu âm mạnh hơn, tức là biên độ cao hơn, nhiệt độ cao hơn, áp suất cao hơn và/hoặc thời gian xử lý siêu âm dài hơn. Các hệ thống siêu âm công suất cao của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao và có thể vận hành ở nhiệt độ cao cũng như với các buồng phản ứng dòng chảy có thể tăng áp. Điều này cho phép xử lý siêu âm cường độ cao / xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất để bất hoạt ngay cả những chủng vi khuẩn có sức đề kháng rất cao.

Bất hoạt vi khuẩn chịu nhiệt bằng siêu âm

Vi khuẩn chịu nhiệt là những vi khuẩn có thể sống sót qua quá trình thanh trùng ở các mức độ khác nhau. Các vi khuẩn chịu nhiệt bao gồm Bacillus, Clostridium và Enterococci. “Tuy nhiên, xử lý siêu âm ở biên độ 80% trong 10 min đã bất hoạt các tế bào sinh dưỡng của B. coagulans và A. flavithermus trong sữa tách béo, với mức giảm lần lượt là 4,53 và 4,26 log. Phương pháp xử lý kết hợp thanh trùng (63 độ C/30 min), sau đó xử lý siêu âm, đã loại bỏ hoàn toàn lượng tế bào này ở mức khoảng log 6 cfu/mL trong sữa tách béo.” (Khanal và cộng sự 2014)

Thiết bị thanh trùng bằng siêu âm hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm trong việc ứng dụng siêu âm công suất cao trong ngành thực phẩm và đồ uống cũng như nhiều ngành công nghiệp khác. Các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi được trang bị đầu phát siêu âm và buồng dòng chảy (các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng) dễ làm sạch (vệ sinh tại chỗ CIP / tiệt trùng tại chỗ SIP). Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Biên độ cao đóng vai trò quan trọng để bất hoạt các vi sinh vật có sức đề kháng cao hơn (ví dụ: vi khuẩn Gram dương). Để đạt biên độ cao hơn nữa, có các đầu phát siêu âm được thiết kế theo yêu cầu. Tất cả các đầu phát siêu âm và buồng phản ứng dòng chảy siêu âm đều có thể vận hành ở nhiệt độ và áp suất cao, cho phép xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất một cách đáng tin cậy và thanh trùng với hiệu quả cao.
Công nghệ tiên tiến nhất, hiệu suất cao và phần mềm tinh vi giúp các thiết bị của Hielscher Ultrasonics trở thành những cỗ máy làm việc bền bỉ, đáng tin cậy trong dây chuyền thanh trùng thực phẩm của bạn. Với diện tích lắp đặt nhỏ và các tùy chọn lắp đặt linh hoạt, các thiết bị siêu âm Hielscher có thể dễ dàng được tích hợp hoặc lắp bổ sung vào các dây chuyền sản xuất hiện có.
Vui lòng liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về các tính năng và khả năng của các hệ thống thanh trùng bằng siêu âm của chúng tôi. Chúng tôi rất sẵn lòng trao đổi với bạn về ứng dụng của bạn!
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: