Studie o inaktivaci bakteriálních spor ultrazvukovou technologií

Studie o inaktivaci bakteriálních spor ultrazvukovou technologií

Ultrazvuk je zvuková vlna s frekvencí větší než 20 kHz. Může vyvolat molekulární vibrace v kapalných médiích, což má za následek destruktivní fyzikální účinky. Díky svým zeleným, bezpečným a neznečišťujícím vlastnostem je ultrazvuk v současné době široce používán v oblastech zpracování potravin, jako je odpěňování, emulgace, extrakce a zpracování odpadu. Lynn a kol. zjistili, že ryby vystavené ultrazvuku v bazénu uhynuly. Další výzkum odhalil biologické účinky ultrazvuku, což vedlo ke studiím jeho použití při sterilizaci. Vysoce intenzivní ultrazvukové ošetření má inaktivační účinek na mikroorganismy a jejich spóry při současném zachování kvality potravin v nejvyšší možné míře, což představuje transformační směr pro tradiční metody tepelného zpracování.

Ultrazvukový kavitační mechanismus

Když se ultrazvuk šíří v kapalném prostředí, tvoří se drobné bublinky (kavitační bublinky). Při nepřetržitém působení ultrazvuku tyto bubliny akumulují energii a rostou. Když energie dosáhne prahu prasknutí kavitační bubliny, kavitační bublina praskne a vytvoří okamžitou vysokou teplotu (5500 K) a vysoký tlak (50 MPa), čímž se vytvoří kavitační efekt. Kavitační efekt je považován za hlavní účinek ultrazvuku.

Existují dva různé typy kavitace, z nichž každý má různé funkce. Jedním typem je kavitace v ustáleném stavu. Při ultrazvukových vibracích se tvoří malé bublinky, které podléhají symetrické expanzi a inerciální kompresi. Průměr bubliny se zvětšuje a po tisících cyklů její velikost osciluje kolem své rovnovážné velikosti, aniž by implodovala. Kavitační efekt způsobený vibrací bublin způsobuje rotaci blízké tekutiny a generování mikropaprsků; tento jev se nazývá ultramikropaprsky. Dalším typem je přechodná kavitace. Za podmínek vysokého výkonu (amplitudy) vibrují kavitační bubliny mikroplynových jader existující v kapalině působením ultrazvuku. Během expanze je tlak nižší než tlak par kapaliny, což způsobuje, že se bublina zvětšuje. Během stlačování se bublina smršťuje a obsah zkapalňuje. Kvůli zvětšené ploše bublin nemůže být obsah zcela zkapalněn zpět do tekutiny; v tomto okamžiku je jeden cyklus dokončen. V určitém kompresním cyklu, kdy stěna bubliny rezonuje s ultrazvukem, může způsobit implozi bubliny, generující okamžitou vysokou teplotu (5500 K) a vysoký tlak (50 MPa), čímž se vytvoří extrémně silné smykové síly a vyvolá se turbulence v oblasti.

Ultrazvukový sterilizační efekt

Studie zjistily, že amplituda, intenzita, frekvence, doba expozice a teplota ošetření ultrazvuku ovlivňují jeho účinek na mikroorganismy, ale rozsah vlivu každého parametru je stále předmětem zkoumání. Studie Soleimanzadeh et al. prokázali, že ultrazvuk s vysokou amplitudou zesiluje narušení bakteriálních buněčných stěn a membrán, čímž se zvyšuje sterilizační účinek ultrazvuku na Staphylococcus aureus se zvyšující se amplitudou. Dále zkoumali vliv ultrazvukového pracovního cyklu (poměr ultrazvukového času k času intervalu) na sterilizační efekt, přičemž ukázali, že pracovní cyklus 7:3 přinesl nejlepší sterilizační účinek, protože kavitační bubliny generované sondou se mohly účinněji rozbít, vytvářet kavitační efekt a dosahovat nejlepšího výsledku sterilizace. Určitý vliv na sterilizační účinek ultrazvuku má také viskozita, hodnota pH a typ mikroorganismů. Výzkum vztahu mezi mikrobiálními druhy a jejich citlivostí na ultrazvuk je omezený a existují různé názory bez jednotného závěru. Chandrapala a kol. věřit, že citlivost mikroorganismů na ultrazvuk souvisí s velikostí buněk a strukturou povrchu; bakterie jsou citlivější než houby, anaerobní bakterie jsou citlivější než aerobní bakterie a bacily jsou citlivější než koky. Nicméně studie Camerona et al. ukázaly, že baktericidní účinek ultrazvuku přímo nesouvisí s velikostí a tvarem bakterií. Ve srovnání s grampozitivními a gramnegativními bakteriemi jsou grampozitivní bakterie díky silnějším buněčným stěnám a hustším peptidoglykanovým vrstvám odolnější vůči ultrazvuku, zatímco gramnegativní bakterie jsou citlivější na léčbu ultrazvukem.

Mnoho studií prokázalo, že ultrazvuk má významný baktericidní účinek, i když inaktivace různých mikroorganismů se v různých systémech liší. Samotná léčba ultrazvukem nemůže dosáhnout baktericidní dávky 5 (lg (CFU/ml)). Ultrazvuk má významné synergické baktericidní účinky s dalšími technologiemi (jako je tepelné ošetření, tlak, tepelné ošetření kombinované s tlakem, UV, nisin a elektrolyzovaná voda).

Pokrok ve výzkumu v oblasti ultrazvuku v kombinaci s tepelným ošetřením pro inaktivaci spór

Ačkoli samotná léčba ultrazvukem není při inaktivaci spór příliš účinná, může významně snížit rezistenci spór. Proto jeho kombinace s jinými baktericidními metodami může významně zlepšit účinnost inaktivace spór; například ultrazvuk v kombinaci s teplem, vysokým tlakem, baktericidy a UV ošetřením všechny vykazují dobré výsledky.

Khanal a kol. porovnávali účinky ultrazvuku a kombinovaného ošetření ultrazvukem a teplem na inaktivaci spor *Bacillus cereus*. Jejich výsledky ukázaly, že ultrazvuk nejen významně snížil odolnost některých spor *Bacillus licheniformis* indukcí klíčení, ale také spory inaktivoval. Ve srovnání se samotným ultrazvukovým ošetřením kombinované ošetření ultrazvukem a teplem významně zvýšilo množství inaktivovaných spor, což ukazuje na synergický účinek mezi ultrazvukem a tepelným ošetřením na inaktivaci spor. Výzkum Evelyn et al. ukázal, že inaktivace spór *Clostridium perfringens* ultrazvukem následovala kinetický model prvního řádu. Po 60 minutách ošetření při 75 °C v kombinaci s 24 kHz, 0,33 W/g ultrazvuku se počet spor *Clostridium perfringens* snížil o 1,5 (lg(CFU/ml)). V tomto okamžiku křivka inaktivace spor nebyla lineární, ale mohla být dobře přizpůsobena Weibullově modelu. Výzkum Fan Lihua et al. ukázal, že kombinované použití ultrazvuku a tepelného ošetření mělo synergický inaktivační účinek na spory. Současně poškodil různé struktury spor, jako je kůra, obal spor a vnitřní membrána spor, což vedlo k uvolnění intracelulárních látek a tím k inaktivaci spor. Spory *Bacillus cereus* zadržené po ultrazvukovém kombinovaném tepelném ošetření mohly normálně klíčit, ale jejich pozdější růst byl omezen a syntetizovaly méně nebo žádný ATP, což naznačuje, že ultrazvukové kombinované tepelné ošetření poškodilo některé klíčové metabolické enzymy během postgerminačního růstu. To je podobné mechanismu inaktivace spor vlhkým teplem. Kromě toho studie ukázaly, že ultrazvukové kombinované tepelné ošetření inaktivovalo spory *Bacillus cereus* v rýžové kaši, hovězí pastě a sýrové pastě 7, 6 a 4krát, v daném pořadí, než množství inaktivované samotným tepelným ošetřením. Ultrazvuková pomoc může výrazně snížit intenzitu samotného tepelného ošetření, snížit spotřebu energie a zachovat kvalitu potravin.

Ultrazvuková kombinovaná technologie pro sterilizaci potravin může do značné míry zachovat kvalitu potravin a snížit destrukci funkčních součástí, což ukazuje široké možnosti použití.