ULTRAZVUKOVÁ PASTERIZACE OMÁČEK, DŽUSŮ A NÁPOJŮ

Hielscher Ultrasonic GmbH 

Ultrazvuková pasterizace je netepelný sterilizační proces používaný k inaktivaci mikrobů, jako jsou E. coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus a mnoho dalších, aby se zabránilo mikrobiálnímu znehodnocení, a tak se dosáhlo dlouhodobé stability potravin a nápojů.

Netepelná pasterizace potravin a nápojů působením ultrazvuku

Ultrazvuková pasterizace je netermální alternativní technologie, která se používá k destrukci nebo deaktivaci organismů a enzymů, které přispívají ke znehodnocení potravin. Ultrazvukem lze pasterizovat konzervované potraviny, mléko, mléčné výrobky, vejce, džusy, nápoje s nízkým obsahem alkoholu a další tekuté potraviny. Samostatná sonikace a nebo působení ultrazvuku v kombinaci se zvýšenou teplotou a tlakem (známá jako termo-mano-sonikace) mohou účinně pasterizovat šťávy, mléko, mléčné výrobky, tekutá vejce a další potravinářské výrobky. Sofistikovaná ultrazvuková pasterizační metoda vyniká nad tradičními pasterizačními technikami, protože ultrazvuk nemá nepříznivý vliv na obsah živin a fyzikální vlastnosti ošetřených potravinářských výrobků. Použití ultrazvuku nebo termo-mano-sonikace za účelem pasterizace tekutých potravinářských výrobků může poskytnout produkt bohatý na živiny s vyšší kvalitou než tradiční metoda pasterizace Flash pasterizace (HTST: hight – temperature short – time).

Výzkumné studie, například [5], uvádějí, že zpracování ultrazvukem může poskytnout významné výhody pro zpracování šťáv, včetně zlepšení faktorů procesu, jako je výtěžnost, extrakce, zakalení, reologické vlastnosti a barva, jakož i trvanlivost produktu.

Jak funguje ultrazvuková pasterizace?

Ultrazvuková inaktivace a destrukce mikrobů je netermická technika, což znamená, že její hlavní pracovní princip není založen na teple. Ultrazvuková pasterizace je způsobena hlavně účinky akustické kavitace. Fenomén akustické / ultrazvukové kavitace je známý pro své lokálně vysoké teploty, tlaky a příslušné rozdíly, které se vyskytují v sekundových kavitačních bublinách a v jejich okolí. Akustická kavitace dále generuje velmi intenzivní frikční síly, proudy kapaliny a turbulence. Tyto destruující síly způsobují rozsáhlé poškození mikrobiálních buněk, jako je perforace a narušení buněk. Perforace a narušení buněk jsou jedinečné účinky, které se vyskytují při působení ultrazvuku na buňku.


Tradiční pasterizace

Potravinářský a nápojový průmysl používá běžnou pasterizaci k inaktivaci nebo usmrcení mikrobů, jako jsou bakterie, kvasinky a houby, k prevenci mikrobiálního znehodnocení produktu a tím k prodloužení jeho trvanlivosti a stability. Konvenční pasterizační proces je charakterizován krátkodobým působením teploty obvykle pod 100 °C. Přesná teplota a doba trvání se přizpůsobuje konkrétnímu potravinářskému produktu a mikrobům, které musí být inaktivovány. Účinnost procesu pasterizace je určena rychlostí mikrobiální inaktivace, která se měří jako logaritmická redukce. Redukce logaritmu (log) měří procento inaktivovaných mikrobů při určité teplotě za určitý čas. Nastavení teplotního režimu pasterizace a rychlost mikrobiální inaktivace jsou ovlivněny typem mikroorganismů a složením potravinářského produktu. Tradiční pasterizace na bázi tepla má několik nevýhod, od nedostatečné mikrobiální inaktivace, negativních účinků na potravinový produkt až po nerovnoměrné zahřívání ošetřeného produktu. Nedostatečné zahřátí na krátkou dobu pasterizace nebo příliš nízká teplota má za následek nízkou míru redukce log a následné mikrobiální znehodnocení. Příliš mnoho tepelného působení může způsobit až spálení produktu a také snížení nutriční hodnoty v důsledku degradace živin citlivých na teplotu.

Nevýhody konvenční pasterizace:
  • může zničit nebo poškodit důležité živiny,
  • může způsobit nežádoucí příchutě,
  • vysoké energetické nároky,
  • neúčinné proti zabíjení tepelně odolných patogenů,
  • neplatí pro každý potravinářský výrobek

Ultrazvuková pasterizace mléka a mléčných výrobků

Pro pasterizaci mléka a mléčných výrobků bylo široce testováno samostatné použití ultrazvuku, ale také termo-sonikace a termo-mano-sonikace. Například bylo zjištěno, že ultrazvuk eliminuje potenciální patogeny na nulu nebo na úrovně přijatelné pro jihoafrické a britské právní předpisy o mléku, i když před pasterizací bylo přítomno počáteční množství inokula 5krát vyšší, než je povoleno. Počet životaschopných buněk E. coli byl snížen o 100 % po 10 minutách užití ultrazvuku. Dále bylo prokázáno, že životaschopné počty Pseudomonas fluorescens byly sníženy o 100 % po 6 minutách a Listeria monocytogenes byly sníženy o 99 % po 10 minutách sonikace [4].

Výzkum také prokázal, že tepelná sonikace může inaktivovat Listeria innocua a mezofilní bakterie v syrovém plnotučném mléce. Sonikace se ukázala jako životaschopná technologie pro pasterizaci a homogenizaci mléka, vykazující kratší doby zpracování bez důležitých změn pH a obsahu kyseliny mléčné, spolu s lepším vzhledem a konzistencí ve srovnání s konvenčním tepelným zpracováním. Tyto skutečnosti jsou výhodné v mnoha aspektech zpracování mléka a mléčných výrobků [1].

Ultrazvuková pasterizace šťáv a ovocných pyré

Grampozitivní bakterie, jako je Listeria monocytogenes nebo Staphylococcus aureus, jsou obecně známy jako odolnější než gramnegativní bakterie a odolávají pasterizačnímu procesu, jako je PEF (pulsed electric fields), HPP (high preasure processing) proces a manosonikace (MS) po delší dobu. Příčinou je silnější buněčná stěna. Vědecké výzkumy porovnávaly účinek energetického ultrazvuku na gramnegativní a grampozitivní bakterie a zjistily, že má silnější inhibiční účinek na gramnegativní bakterie [6]. Grampozitivní bakterie vyžadují intenzivnější podmínky sonikace, tj. vyšší amplitudy, vyšší teploty, vyšší tlaky a / nebo delší dobu působení ultrazvuku. Energetické ultrazvukové systémy společnosti Hielscher Ultrasonics mohou poskytovat velmi vysoké amplitudy a lze je provozovat při zvýšených teplotách CHEMAGAZÍN • 5 / XXXI (2021) 15 POTRAVINÁŘSKÁ VÝROBA a s tlakovými reaktory s průtočnými celami. To umožňuje intenzivní sonikaci/termomanosonikaci, aby se deaktivovaly i velmi rezistentní kmeny bakterií.

Ultrazvuková inaktivace termodurických bakterií

Termodurické bakterie jsou bakterie, které mohou v různé míře přežít proces pasterizace. Mezi termodurické druhy bakterií patří Bacillus, Clostridium a Enterococci. „Sonikace s 80% amplitudou po dobu 10 minut však inaktivovala vegetativní buňky B. coagulans a A. fl avithermus v odstředěném mléce o 4,53, respektive 4,26 logu. „Kombinované ošetření pasterizací (63 °C / 30 min) následované ultrazvukem zcela eliminovalo přibližně log 6 cfu/ml těchto buněk v odstředěném mléce“ [2].

Výhody ultrazvukové pasterizace pomocí termo-mano-sonikace:
  • vyšší účinnost,
  • zabíjí termodurické bakterie,
  • účinné proti různým mikrobům,
  • použitelné v průtočném režimu,
  • synergické efekty,
  • extrakce živin,
  • energeticky úsporné,
  • snadné a bezpečné ovládání,
  • potravinářské vybavení,
  • snadné čištění a sterilizace: CIP/SIP
hielscher.jpg
Obr. 1: Ultrazvukový systém společnosti Hielscher Ultrasonics


Literatura

[1] Bermúdez-Aguirre D., Corradini M.G., Mawson R., Barbosa-Cánovas G.V., Modeling the inactivation of Listeria innocua in raw whole milk treated under thermo-sonication, Innovative Food Science and Emerging Technologies 10, 2009, s.172–178.

[2] Khanal S.N., Anand S., Muthukumarappan K., Huegli M., Inactivation of thermoduric aerobic sporeformers in milk by ultrasonication, Food Control 37(1), 2014, s.232–239.

[3] Baboli Z.M., Williams L., Chen G., Rapid Pasteurization of Apple Juice Using a New Ultrasonic Reactor, Foods 2020, 9, s.801.

[4] Cameron M., Mcmaster L.D., Britz T.J., Impact of ultrasound on dairy spoilage microbes and milk components, Dairy Science & Technology, EDP sciences/Springer, 2009, 89 (1), s.83–98.

[5] Başlar M., Yildirim H.B., Tekin Z.H., Ertugay M.F., Ultrasonic Applications for Juice Making. In: M. Ashokkumar (ed.), Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, Springer Science+Business Media Singapore 2015.

[6] Monsen T., Lövgren E., Widerström M., Wallinder L., In vitro effect of ultrasound on bacteria and suggested protocol for sonication and diagnosis of prosthetic infections, Journal of Clinical Microbiology 47 (8), 2009, s.2496–2501.

Dle pokladů společnosti Hielscher Ultrasonic GmbH,
Ing. Jiří DALECKÝ, dalecky@pragolab.cz