Undersøgelse om inaktivering af bakteriesporer ved ultralydsteknologi

Undersøgelse om inaktivering af bakterielle sporer ved hjælp af ultralydsteknologi

Ultralyd er en lydbølge med en frekvens på over 20 kHz. Det kan inducere molekylære vibrationer i flydende medier, hvilket resulterer i destruktive fysiske effekter. På grund af dets grønne, sikre og forureningsfrie egenskaber er ultralyd i øjeblikket meget udbredt i fødevareforarbejdningsområder såsom skumdæmpning, emulgering, ekstraktion og affaldsbehandling. Lynn et al. opdagede, at fisk udsat for ultralyd i en pool døde. Yderligere forskning afslørede de biologiske virkninger af ultralyd, hvilket førte til undersøgelser af dets anvendelse i sterilisering. Højintensiv ultralydsbehandling har en inaktiverende effekt på mikroorganismer og deres sporer, samtidig med at fødevarekvaliteten bevares i videst muligt omfang, hvilket repræsenterer en transformationsretning for traditionelle varmebehandlingsmetoder.

Ultralydskavitationsmekanisme

Når ultralyd forplanter sig i et flydende medium, dannes der små bobler (kavitationsbobler). Under kontinuerlig ultralydsvirkning akkumulerer disse bobler energi og vokser. Når energien når tærsklen for kavitationsboblebrud, brister kavitationsboblen og genererer øjeblikkelig høj temperatur (5500 K) og højt tryk (50 MPa), hvilket danner kavitationseffekten. Kavitationseffekten betragtes som den vigtigste effekt af ultralyd.

Der er to forskellige typer kavitation, hver med forskellige funktioner. En type er steady-state kavitation. Under ultralydsvibrationer dannes små bobler og gennemgår symmetrisk ekspansion og inertikompression. Boblediameteren øges, og efter tusindvis af cyklusser svinger dens størrelse rundt om dens ligevægtsstørrelse uden at implodere. Kavitationseffekten forårsaget af boblevibrationen får den nærliggende væske til at rotere, hvilket genererer mikrostråler; dette fænomen kaldes ultra-mikrostråler. Den anden type er forbigående kavitation. Under betingelser med høj effekt (amplitude), vibrerer mikro-gaskerne-kavitationsbobler, der findes i væsken, under påvirkning af ultralyd. Under ekspansion er trykket lavere end væskedamptrykket, hvilket får boblen til at vokse sig større. Under komprimering trækker boblen sig sammen, og indholdet bliver flydende. På grund af det øgede bobleareal kan indholdet ikke gøres fuldstændigt flydende tilbage i væsken; på dette tidspunkt er en cyklus afsluttet. I en bestemt kompressionscyklus, når boblevæggen resonerer med ultralyden, kan det få boblen til at implodere, hvilket genererer øjeblikkelig høj temperatur (5500 K) og højt tryk (50 MPa), hvilket producerer ekstremt stærke forskydningskræfter og inducerer turbulens i området.

Ultralydssteriliseringseffekt

Undersøgelser har fundet ud af, at amplituden, intensiteten, frekvensen, eksponeringstiden og behandlingstemperaturen for ultralyd alle påvirker dets virkning på mikroorganismer, men påvirkningsområdet for hver parameter er stadig under undersøgelse. Undersøgelser af Soleimanzadeh et al. har vist, at ultralyd med høj amplitude øger forstyrrelsen af ​​bakterielle cellevægge og membraner og dermed øger steriliseringseffekten af ​​ultralyd på Staphylococcus aureus med stigende amplitude. Desuden undersøgte de effekten af ​​ultralydsdriftscyklussen (forholdet mellem ultralydstid og intervaltid) på steriliseringseffekten, hvilket viste, at en arbejdscyklus på 7:3 gav den bedste steriliseringseffekt, da kavitationsboblerne genereret af sonden mere effektivt kunne nedbrydes, hvilket gav en kavitationseffekt og opnåede det bedste steriliseringsresultat. Viskositeten, pH-værdien og typen af ​​mikroorganismer har også en vis indflydelse på steriliseringseffekten af ​​ultralyd. Forskning i forholdet mellem mikrobielle arter og deres følsomhed over for ultralyd er begrænset, og der eksisterer forskellige meninger uden en samlet konklusion. Chandrapala et al. mener, at mikroorganismers følsomhed over for ultralyd er relateret til cellestørrelse og overfladestruktur; bakterier er mere følsomme end svampe, anaerobe bakterier er mere følsomme end aerobe bakterier, og baciller er mere følsomme end kokker. Undersøgelser af Cameron et al. har vist, at den bakteriedræbende effekt af ultralyd ikke er direkte relateret til bakteriel størrelse og form. Sammenligner man Gram-positive og Gram-negative bakterier, er Gram-positive bakterier på grund af deres tykkere cellevægge og tættere peptidoglycan-lag mere resistente over for ultralyd, mens Gram-negative bakterier er mere følsomme over for ultralydsbehandling.

Mange undersøgelser har vist, at ultralyd har en betydelig bakteriedræbende effekt, selvom inaktiveringen af ​​forskellige mikroorganismer varierer i forskellige systemer. Ultralydsbehandling alene kan ikke opnå en bakteriedræbende dosis på 5 (lg (CFU/mL)). Ultralyd har betydelige synergistiske bakteriedræbende virkninger med andre teknologier (såsom varmebehandling, tryk, varmebehandling kombineret med tryk, UV, nisin og elektrolyseret vand).

Forskningsfremskridt i ultralyd kombineret med varmebehandling for sporeinaktivering

Selvom ultralydsbehandling alene ikke er særlig effektiv til at inaktivere sporer, kan den reducere sporeresistens betydeligt. Derfor kan en kombination af det med andre bakteriedræbende metoder forbedre spore-inaktiveringseffektiviteten betydeligt; for eksempel viser ultralyd kombineret med varme, højt tryk, bakteriedræbende midler og UV-behandling alle gode resultater.

Khanal et al. sammenlignede virkningerne af ultralyd og kombineret ultralyd-varmebehandling på inaktivering af *Bacillus cereus* sporer. Deres resultater viste, at ultralyd ikke kun signifikant reducerede modstanden af ​​nogle *Bacillus licheniformis* sporer ved at inducere spiring, men også inaktiverede sporerne. Sammenlignet med ultralydsbehandling alene øgede kombineret ultralyd-varmebehandling mængden af ​​inaktiverede sporer signifikant, hvilket indikerer en synergistisk effekt mellem ultralyd og varmebehandling på sporeinaktivering. Evelyn et al.s forskning viste, at inaktiveringen af ​​*Clostridium perfringens* sporer ved ultralyd fulgte en førsteordens kinetisk model. Efter 60 minutters behandling ved 75 ℃ kombineret med 24 kHz, 0,33 W/g ultralyd, faldt antallet af *Clostridium perfringens* sporer med 1,5 (lg(CFU/mL)). På dette tidspunkt var sporeinaktiveringskurven ikke lineær, men den kunne passes godt af Weibull-modellen. Fan Lihua et al.s forskning viste, at den kombinerede brug af ultralyd og varmebehandling havde en synergistisk inaktiveringseffekt på sporer. Samtidig beskadigede det forskellige sporestrukturer, såsom cortex, sporepels og spores indre membran, hvilket førte til frigivelse af intracellulære stoffer og dermed sporeinaktivering. Sporer af *Bacillus cereus* tilbageholdt efter ultralyds kombineret varmebehandling kunne spire normalt, men deres senere vækst blev begrænset, og de syntetiserede mindre eller ingen ATP, hvilket indikerer, at ultralyd kombineret varmebehandling beskadigede nogle vigtige metaboliske enzymer under vækst efter spiring. Dette svarer til mekanismen for fugtig varmeinaktivering af sporer. Desuden har undersøgelser vist, at kombineret ultralydsbehandling inaktiverede *Bacillus cereus* sporer i risengrød, oksekødpasta og ostepasta med henholdsvis 7, 6 og 4 gange den mængde, der blev inaktiveret ved varmebehandling alene. Ultralydsassistance kan markant reducere intensiteten af ​​varmebehandling alene, reducere energiforbruget og opretholde fødevarekvaliteten.

Ultralyds kombineret teknologi til fødevaresterilisering kan i vid udstrækning opretholde fødevarekvaliteten og reducere ødelæggelsen af ​​funktionelle komponenter, hvilket viser brede anvendelsesmuligheder.