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