Studie zur Inaktivierung von Bakteriensporen durch Ultraschalltechnologie

Studie zur Inaktivierung von Bakteriensporen durch Ultraschalltechnologie

Ultraschall ist eine Schallwelle mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz. Es kann in flüssigen Medien molekulare Schwingungen induzieren, die zu zerstörerischen physikalischen Effekten führen können. Aufgrund seiner umweltfreundlichen, sicheren und schadstofffreien Eigenschaften wird Ultraschall derzeit häufig in Bereichen der Lebensmittelverarbeitung wie Entschäumung, Emulgierung, Extraktion und Abfallbehandlung eingesetzt. Lynn et al. entdeckte, dass Fische, die in einem Becken Ultraschall ausgesetzt waren, starben. Weitere Untersuchungen enthüllten die biologischen Wirkungen von Ultraschall und führten zu Studien zu seiner Anwendung bei der Sterilisation. Die hochintensive Ultraschallbehandlung hat eine inaktivierende Wirkung auf Mikroorganismen und deren Sporen und bewahrt gleichzeitig die Lebensmittelqualität weitestgehend, was eine Transformationsrichtung für traditionelle Wärmebehandlungsmethoden darstellt.

Ultraschallkavitationsmechanismus

Wenn sich Ultraschall in einem flüssigen Medium ausbreitet, bilden sich winzige Bläschen (Kavitationsblasen). Unter kontinuierlicher Ultraschalleinwirkung sammeln diese Blasen Energie und wachsen. Wenn die Energie die Bruchschwelle der Kavitationsblase erreicht, platzt die Kavitationsblase und erzeugt sofort eine hohe Temperatur (5500 K) und einen hohen Druck (50 MPa), wodurch der Kavitationseffekt entsteht. Der Kavitationseffekt gilt als Haupteffekt des Ultraschalls.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Kavitation mit jeweils unterschiedlichen Funktionen. Eine Art davon ist die stationäre Kavitation. Unter Ultraschallvibration bilden sich kleine Blasen, die sich symmetrisch ausdehnen und träge verdichten. Der Blasendurchmesser nimmt zu und nach Tausenden von Zyklen pendelt seine Größe um seine Gleichgewichtsgröße, ohne zu implodieren. Der durch die Blasenvibration verursachte Kavitationseffekt führt dazu, dass die Flüssigkeit in der Nähe rotiert und Mikrostrahlen erzeugt. Dieses Phänomen wird Ultramikrostrahlen genannt. Die andere Art ist die transiente Kavitation. Unter Bedingungen hoher Leistung (Amplitude) vibrieren in der Flüssigkeit vorhandene Kavitationsblasen aus Mikrogaskernen unter der Einwirkung von Ultraschall. Während der Expansion ist der Druck niedriger als der Flüssigkeitsdampfdruck, wodurch die Blase größer wird. Beim Komprimieren zieht sich die Blase zusammen und der Inhalt verflüssigt sich. Aufgrund der vergrößerten Blasenfläche kann der Inhalt nicht vollständig wieder in die Flüssigkeit verflüssigt werden; Zu diesem Zeitpunkt ist ein Zyklus abgeschlossen. Wenn die Blasenwand in einem bestimmten Kompressionszyklus mit dem Ultraschall in Resonanz tritt, kann dies dazu führen, dass die Blase implodiert, wodurch augenblicklich hohe Temperaturen (5500 K) und hoher Druck (50 MPa) entstehen, wodurch extrem starke Scherkräfte entstehen und Turbulenzen in der Region entstehen.

Ultraschall-Sterilisationseffekt

Studien haben ergeben, dass die Amplitude, die Intensität, die Frequenz, die Einwirkungszeit und die Behandlungstemperatur des Ultraschalls alle seine Wirkung auf Mikroorganismen beeinflussen, der Einflussbereich jedes Parameters wird jedoch noch untersucht. Studien von Soleimanzadeh et al. haben gezeigt, dass Ultraschall mit hoher Amplitude die Zerstörung von Bakterienzellwänden und -membranen verstärkt und somit die Sterilisationswirkung von Ultraschall auf Staphylococcus aureus mit zunehmender Amplitude erhöht. Darüber hinaus untersuchten sie die Auswirkung des Ultraschall-Arbeitszyklus (das Verhältnis von Ultraschallzeit zu Intervallzeit) auf den Sterilisationseffekt und zeigten, dass ein Arbeitszyklus von 7:3 den besten Sterilisationseffekt erzielte, da die von der Sonde erzeugten Kavitationsblasen effektiver zerfallen konnten, wodurch ein Kavitationseffekt erzeugt und das beste Sterilisationsergebnis erzielt wurde. Auch die Viskosität, der pH-Wert und die Art der Mikroorganismen haben einen gewissen Einfluss auf die Sterilisationswirkung von Ultraschall. Die Forschung zum Zusammenhang zwischen mikrobiellen Arten und ihrer Empfindlichkeit gegenüber Ultraschall ist begrenzt, und es gibt verschiedene Meinungen ohne eine einheitliche Schlussfolgerung. Chandrapala et al. glauben, dass die Empfindlichkeit von Mikroorganismen gegenüber Ultraschall mit der Zellgröße und der Oberflächenstruktur zusammenhängt; Bakterien sind empfindlicher als Pilze, anaerobe Bakterien sind empfindlicher als aerobe Bakterien und Bazillen sind empfindlicher als Kokken. Studien von Cameron et al. haben gezeigt, dass die bakterizide Wirkung von Ultraschall nicht direkt mit der Größe und Form der Bakterien zusammenhängt. Im Vergleich zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien sind grampositive Bakterien aufgrund ihrer dickeren Zellwände und dichteren Peptidoglycanschichten resistenter gegen Ultraschall, während gramnegative Bakterien empfindlicher auf Ultraschallbehandlung reagieren.

Viele Studien haben gezeigt, dass Ultraschall eine erhebliche bakterizide Wirkung hat, obwohl die Inaktivierung verschiedener Mikroorganismen in verschiedenen Systemen unterschiedlich ist. Mit einer Ultraschallbehandlung allein lässt sich eine bakterizide Dosis von 5 (lg (KBE/ml)) nicht erreichen. Ultraschall hat erhebliche synergistische bakterizide Wirkungen mit anderen Technologien (wie Wärmebehandlung, Druck, Wärmebehandlung in Kombination mit Druck, UV, Nisin und elektrolysiertes Wasser).

Forschungsfortschritte bei Ultraschall kombiniert mit Wärmebehandlung zur Sporeninaktivierung

Obwohl die Ultraschallbehandlung allein bei der Inaktivierung von Sporen nicht sehr wirksam ist, kann sie die Sporenresistenz deutlich verringern. Daher kann die Kombination mit anderen bakteriziden Methoden die Effizienz der Sporeninaktivierung erheblich verbessern; Beispielsweise zeigen Ultraschall in Kombination mit Hitze, Hochdruck, Bakteriziden und UV-Behandlung gute Ergebnisse.

Khanal et al. verglichen die Auswirkungen von Ultraschall und einer kombinierten Ultraschall-Wärmebehandlung auf die Inaktivierung von *Bacillus cereus*-Sporen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall nicht nur die Resistenz einiger *Bacillus licheniformis*-Sporen durch die Induktion der Keimung deutlich reduzierte, sondern die Sporen auch inaktivierte. Im Vergleich zur alleinigen Ultraschallbehandlung erhöhte die kombinierte Ultraschall-Wärmebehandlung die Menge der inaktivierten Sporen deutlich, was auf einen synergistischen Effekt zwischen Ultraschall und Wärmebehandlung auf die Sporeninaktivierung hinweist. Die Forschung von Evelyn et al. zeigte, dass die Inaktivierung von *Clostridium perfringens*-Sporen durch Ultraschall einem kinetischen Modell erster Ordnung folgte. Nach 60-minütiger Behandlung bei 75 °C kombiniert mit 24 kHz, 0,33 W/g Ultraschall verringerte sich die Anzahl der *Clostridium perfringens*-Sporen um 1,5 (lg(KBE/ml)). Zu diesem Zeitpunkt war die Sporeninaktivierungskurve nicht linear, konnte aber gut durch das Weibull-Modell angepasst werden. Die Forschung von Fan Lihua et al. zeigte, dass der kombinierte Einsatz von Ultraschall und Wärmebehandlung einen synergistischen Inaktivierungseffekt auf Sporen hatte. Gleichzeitig schädigte es verschiedene Sporenstrukturen wie die Rinde, die Sporenhülle und die Sporeninnenmembran, was zur Freisetzung intrazellulärer Substanzen und damit zur Sporeninaktivierung führte. Sporen von *Bacillus cereus*, die nach einer kombinierten Ultraschall-Wärmebehandlung zurückblieben, konnten normal keimen, ihr späteres Wachstum war jedoch eingeschränkt und sie synthetisierten weniger oder kein ATP, was darauf hindeutet, dass die kombinierte Ultraschall-Wärmebehandlung einige wichtige Stoffwechselenzyme während des Wachstums nach der Keimung beschädigte. Dies ähnelt dem Mechanismus der Inaktivierung von Sporen durch feuchte Hitze. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass eine kombinierte Ultraschall-Wärmebehandlung *Bacillus cereus*-Sporen in Reisbrei, Rindfleischpaste und Käsepaste um das 7-, 6- bzw. 4-fache der durch Wärmebehandlung allein inaktivierten Menge inaktivierte. Die Ultraschallunterstützung kann allein die Intensität der Wärmebehandlung deutlich reduzieren, den Energieverbrauch senken und die Lebensmittelqualität erhalten.

Die kombinierte Ultraschalltechnologie zur Lebensmittelsterilisation kann die Lebensmittelqualität weitgehend aufrechterhalten und die Zerstörung funktioneller Komponenten reduzieren, was breite Anwendungsaussichten bietet.