Ultrazvuková pasterizácia omáčok, džúsov a nápojov

Hielscher Ultrasonic GmbH

Ultrazvuková pasterizácia je netepelný sterilizačný proces používaný na inaktiváciu mikróbov, ako sú Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus a mnoho ďalších, aby sa zabránilo mikrobiálnemu znehodnoteniu, a tým sa zabezpečila dlhodobá stabilita potravín a nápojov.

Netepelná pasterizácia potravín a nápojov pôsobením ultrazvuku

Ultrazvuková pasterizácia je netermálna alternatívna technológia, ktorá sa používa na deštrukciu alebo deaktiváciu organizmov a enzýmov, ktoré prispievajú k znehodnoteniu potravín. Ultrazvukom možno pasterizovať konzervované potraviny, mlieko, mliečne výrobky, vajcia, džúsy, nápoje s nízkym obsahom alkoholu a ďalšie tekuté potraviny. Samostatná sonikácia - pôsobenie ultrazvuku – v kombinácii so zvýšenou teplotou a tlakom (známa ako termo-mano-sonikácia) môžu účinne pasterizovať šťavy, mlieko, mliečne výrobky, tekuté vajcia a ďalšie potravinárske výrobky. Sofistikovaná ultrazvuková pasterizačná metóda vyniká medzi tradičnými pasterizačnými technikami, pretože ultrazvuk nemá nepriaznivý vplyv na obsah živín a fyzikálne vlastnosti ošetrených potravinárskych výrobkov. Použitie ultrazvuku alebo termo-mano-sonikácie na účely pasterizácie tekutých potravinárskych výrobkov môže poskytnúť produkt bohatý na živiny s vyššou kvalitou než tradičná „Flash“ pasterizácia (tiež známa ako HTST: High Temperature, Short Time).

Výskumné štúdie (napríklad [5]) uvádzajú, že spracovanie ultrazvukom môže poskytnúť významné výhody pre spracovanie štiav, vrátane zlepšenia faktorov procesu, ako je výťažnosť, extrakcia, zakalenie, reologické vlastnosti a farba, ako aj trvanlivosť produktu.

Ako funguje ultrazvuková pasterizácia?

Ultrazvuková inaktivácia a deštrukcia mikróbov je netermická technika, čo znamená, že jej hlavný pracovný princíp nie je založený na teple. Ultrazvuková pasterizácia je spôsobená hlavne účinkami akustickej kavitácie. Fenomén akustickej/ultrazvukovej kavitácie je známy pre svoje lokálne vysoké teploty, tlaky a príslušné rozdiely, ktoré sa vyskytujú v sekundových kavitačných bublinách a v ich okolí. Akustická kavitácia ďalej generuje veľmi intenzívne šmykové sily, prúdenie kvapaliny a turbulencie. Tieto deštrukčné sily spôsobujú rozsiahle poškodenie mikrobiálnych buniek, ako je perforácia a narušenie buniek. Perforácie a narušenie buniek sú jedinečné účinky pri pôsobení ultrazvuku na bunku.

Tradičná pasterizácia

Potravinársky a nápojový priemysel používa bežnú pasterizáciu na inaktiváciu alebo usmrtenie mikróbov, ako sú baktérie, kvasinky a huby, na prevenciu mikrobiálneho znehodnotenia produktu a tým na predĺženie jeho trvanlivosti a stability. Konvenčný pasterizačný proces je charakterizovaný krátkodobým pôsobením teploty zvyčajne pod 100 °C. Presná teplota a doba trvania sa prispôsobuje konkrétnemu potravinárskemu produktu a mikróbom, ktoré musia byť inaktivované. Účinnosť procesu pasterizácie je určená rýchlosťou mikrobiálnej inaktivácie, ktorá sa meria ako logaritmická redukcia. Redukcia logaritmu (log) meria percento inaktivovaných mikróbov pri určitej teplote za určitý čas. Nastavenie teplotného režimu pasterizácie a rýchlosť mikrobiálnej inaktivácie sú ovplyvnené typom mikroorganizmov a zložením potravinárskeho produktu. Tradičná pasterizácia na báze tepla má niekoľko nevýhod, od nedostatočnej mikrobiálnej inaktivácie, negatívnych účinkov na potravinový produkt až po nerovnomerné zahrievanie ošetreného produktu. Nedostatočné zahriatie na krátku dobu pasterizácie alebo príliš nízka teplota má za následok nízku mieru redukcie log a následné mikrobiálne znehodnotenie. Príliš veľa tepelného pôsobenia môže spôsobiť až spálenie produktu a tiež zníženie nutričnej hodnoty v dôsledku degradácie živín citlivých na teplotu.

Nevýhody konvenčnej pasterizácie:

môže zničiť alebo poškodiť dôležité živiny,
môže spôsobiť nežiaduce príchute,
vysoké energetické nároky,
neúčinné proti zabíjaniu tepelne odolných patogénov,
nevhodný pre každý potravinársky výrobok

Ultrazvuková pasterizácia mlieka a mliečnych výrobkov

Pre pasterizáciu mlieka a mliečnych výrobkov bolo široko testované samostatné použitie ultrazvuku, ale aj termo-sonikácia a termo-mano-sonikácia. Napríklad bolo zistené, že ultrazvuk eliminuje potenciálne patogény na nulu alebo na úrovne prijateľné pre juhoafrické a britské predpisy o mlieku, aj keď pred pasterizáciou bolo prítomných počiatočné množstvo inokula 5krát vyššie, než je povolené. Počet životaschopných buniek E. coli bol znížený o 100% po 10 minútach použitia ultrazvuku. Ďalej bolo preukázané, že počet životaschopných Pseudomonas fluorescens bol znížený o 100% po 6 minútach a počet životaschopných Listeria monocytogenes bol znížený o 99% po 10 minútach sonikácie [4].

Výskum tiež preukázal, že tepelná sonikácia môže inaktivovať Listeria innocua a mezofilné baktérie v surovom plnotučnom mlieku. Sonikácia sa ukázala ako životaschopná technológia pre pasterizáciu a homogenizáciu mlieka, vykazujúca kratšie doby spracovania bez dôležitých zmien pH a obsahu kyseliny mliečnej, spolu s lepším vzhľadom a konzistenciou v porovnaní s konvenčným tepelným spracovaním. Tieto skutočnosti sú výhodné v mnohých aspektoch spracovania mlieka a mliečnych výrobkov [1].

Ultrazvuková pasterizácia štiav a ovocných pyré

Grampozitívne baktérie, ako je Listeria monocytogenes alebo Staphylococcus aureus, sú všeobecne známe ako odolnejšie než gramnegatívne baktérie a odolávajú pasterizačnému procesu, ako je PEF (pulsed electric fields), HPP (high pressure processing) proces a manosonikácia (MS) po dlhšiu dobu. Príčinou je silnejšia bunková stena. Vedecké výskumy porovnávali účinok energetického ultrazvuku na gramnegatívne a grampozitívne baktérie a zistili, že má silnejší inhibičný účinok na gramnegatívne baktérie [6]. Grampozitívne baktérie vyžadujú intenzívnejšie podmienky sonikácie, t. j. vyššie amplitúdy, vyššie teploty, vyššie tlaky a/alebo dlhšiu dobu pôsobenia ultrazvuku. Energetické ultrazvukové systémy spoločnosti Hielscher Ultrasonics môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy a možno ich prevádzkovať pri zvýšených teplotách (CHEMAGAZÍN • 5/XXXI (2021) 15 POTRAVINÁRSKA VÝROBA) a s tlakovými reaktormi s prietokovými celami. To umožňuje intenzívnu sonikáciu/termomanosonikáciu, aby sa deaktivovali aj veľmi rezistentné kmene baktérií.

Ultrazvuková inaktivácia termodurických baktérií

Termodurické baktérie (baktérie odolné vyšším teplotám) sú baktérie, ktoré môžu v rôznej miere prežiť proces pasterizácie. Medzi termodurické druhy baktérií patrí Bacillus, Clostridium a enterokoky. Sonikácia s 80% amplitúdou po dobu 10 minút však inaktivovala vegetatívne bunky B. coagulans a A. flavithermus v odstredenom mlieku o 4,53, respektíve 4,26 logu. "Kombinované ošetrenie pasterizáciou (63 °C/30 min) nasledované ultrazvukom úplne eliminovalo približne log 6 cfu/ml týchto buniek v odstredenom mlieku" [2].

Výhody ultrazvukovej pasterizácie pomocou termo-mano-sonikácie:

vyššia účinnosť,
zabíja aj termodurické baktérie,
účinné proti rôznym mikróbom,
použiteľné v prietokovom režime,
synergické efekty,
extrakcia živín,
energeticky úsporné,
ľahké a bezpečné ovládanie,
potravinárske vybavenie,
jednoduché čistenie a sterilizácia: CIP/SIP

Obr. 1: Ultrazvukový systém spoločnosti Hielscher Ultrasonics

Literatúra

[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.

Podľa podkladov spoločnosti Hielscher Ultrasonic GmbH,
Ing. Jiří DALECKÝ, dalecky@pragolab.cz