Étude sur l'inactivation des spores bactériennes par la technologie ultrasonique

Étude sur l'inactivation des spores bactériennes par la technologie ultrasonique

L'échographie est une onde sonore dont la fréquence est supérieure à 20 kHz. Il peut induire des vibrations moléculaires dans les milieux liquides, entraînant des effets physiques destructeurs. En raison de leurs caractéristiques écologiques, sûres et non polluantes, les ultrasons sont actuellement largement utilisés dans les domaines de la transformation des aliments tels que le démoussage, l'émulsification, l'extraction et le traitement des déchets. Lynn et coll. a découvert que des poissons exposés aux ultrasons dans une piscine mouraient. Des recherches plus approfondies ont révélé les effets biologiques des ultrasons, conduisant à des études sur leur application en stérilisation. Le traitement par ultrasons de haute intensité a un effet inactivant sur les micro-organismes et leurs spores, tout en préservant au maximum la qualité des aliments, ce qui représente une direction de transformation pour les méthodes traditionnelles de traitement thermique.

Mécanisme de cavitation ultrasonique

Lorsque les ultrasons se propagent dans un milieu liquide, de minuscules bulles (bulles de cavitation) se forment. Sous l’action continue des ultrasons, ces bulles accumulent de l’énergie et grandissent. Lorsque l'énergie atteint le seuil de rupture de la bulle de cavitation, la bulle de cavitation éclate, générant une température élevée instantanée (5 500 K) et une pression élevée (50 MPa), formant l'effet de cavitation. L’effet de cavitation est considéré comme le principal effet des ultrasons.

Il existe deux types de cavitation, chacun ayant des fonctions différentes. Un type est la cavitation en régime permanent. Sous vibration ultrasonique, de petites bulles se forment et subissent une expansion symétrique et une compression inertielle. Le diamètre de la bulle augmente, et après des milliers de cycles, sa taille oscille autour de sa taille d'équilibre sans imploser. L'effet de cavitation provoqué par la vibration de la bulle fait tourner le fluide à proximité, générant des micro-faisceaux ; ce phénomène est appelé ultra-micro-faisceaux. L'autre type est la cavitation transitoire. Dans des conditions de puissance (amplitude) élevée, les bulles de cavitation des micro-noyaux gazeux existant dans le liquide vibrent sous l'action des ultrasons. Lors de l’expansion, la pression est inférieure à la pression de vapeur du fluide, ce qui fait grossir la bulle. Lors de la compression, la bulle se contracte et le contenu se liquéfie. En raison de la surface de bulles accrue, le contenu ne peut pas être complètement liquéfié dans le fluide ; à ce stade, un cycle est terminé. Dans un certain cycle de compression, lorsque la paroi de la bulle entre en résonance avec les ultrasons, la bulle peut imploser, générant instantanément une température élevée (5 500 K) et une pression élevée (50 MPa), produisant ainsi des forces de cisaillement extrêmement fortes et induisant des turbulences dans la région.

Effet de stérilisation par ultrasons

Des études ont montré que l'amplitude, l'intensité, la fréquence, la durée d'exposition et la température de traitement des ultrasons affectent tous leur effet sur les micro-organismes, mais la plage d'influence de chaque paramètre est encore à l'étude. Les études de Soleimanzadeh et al. ont montré que les ultrasons de haute amplitude améliorent la perturbation des parois et des membranes cellulaires bactériennes, augmentant ainsi l'effet stérilisant des ultrasons sur Staphylococcus aureus avec une amplitude croissante. En outre, ils ont étudié l'effet du cycle d'utilisation des ultrasons (le rapport entre la durée des ultrasons et le temps d'intervalle) sur l'effet de stérilisation, montrant qu'un cycle d'utilisation de 7 : 3 produisait le meilleur effet de stérilisation, car les bulles de cavitation générées par la sonde pouvaient se décomposer plus efficacement, produisant un effet de cavitation et obtenant le meilleur résultat de stérilisation. La viscosité, la valeur du pH et le type de micro-organismes ont également une certaine influence sur l'effet stérilisant des ultrasons. Les recherches sur la relation entre les espèces microbiennes et leur sensibilité aux ultrasons sont limitées et diverses opinions existent sans conclusion unifiée. Chandrapala et coll. pensent que la sensibilité des micro-organismes aux ultrasons est liée à la taille des cellules et à la structure de leur surface ; les bactéries sont plus sensibles que les champignons, les bactéries anaérobies sont plus sensibles que les bactéries aérobies et les bacilles sont plus sensibles que les coques. Cependant, les études de Cameron et al. ont montré que l’effet bactéricide des ultrasons n’est pas directement lié à la taille et à la forme des bactéries. En comparant les bactéries Gram-positives et Gram-négatives, les bactéries Gram-positives, en raison de leurs parois cellulaires plus épaisses et de leurs couches de peptidoglycane plus denses, sont plus résistantes aux ultrasons, tandis que les bactéries Gram-négatives sont plus sensibles au traitement par ultrasons.

De nombreuses études ont montré que les ultrasons ont un effet bactéricide significatif, bien que l'inactivation de différents micro-organismes varie selon les systèmes. Le traitement par ultrasons seul ne peut pas atteindre une dose bactéricide de 5 (lg (CFU/mL)). Les ultrasons ont des effets bactéricides synergiques importants avec d'autres technologies (telles que le traitement thermique, la pression, le traitement thermique combiné à la pression, les UV, la nisine et l'eau électrolysée).

Progrès de la recherche sur les ultrasons combinés au traitement thermique pour l'inactivation des spores

Bien que le traitement par ultrasons à lui seul ne soit pas très efficace pour inactiver les spores, il peut réduire considérablement la résistance des spores. Par conséquent, sa combinaison avec d’autres méthodes bactéricides peut améliorer considérablement l’efficacité de l’inactivation des spores ; par exemple, les ultrasons combinés à la chaleur, à la haute pression, aux bactéricides et au traitement UV donnent tous de bons résultats.

Khanal et coll. ont comparé les effets des ultrasons et du traitement combiné ultrasons-chaleur sur l'inactivation des spores de *Bacillus cereus*. Leurs résultats ont montré que les ultrasons réduisaient non seulement de manière significative la résistance de certaines spores de *Bacillus licheniformis* en induisant la germination, mais inactivaient également les spores. Comparé au traitement aux ultrasons seul, le traitement combiné aux ultrasons et à la chaleur a augmenté de manière significative la quantité de spores inactivées, indiquant un effet synergique entre les ultrasons et le traitement thermique sur l'inactivation des spores. Les recherches d'Evelyn et al. ont montré que l'inactivation des spores de *Clostridium perfringens* par ultrasons suivait un modèle cinétique de premier ordre. Après 60 min de traitement à 75 ℃ combiné à des ultrasons de 24 kHz, 0,33 W/g, le nombre de spores de *Clostridium perfringens* a diminué de 1,5 (lg(CFU/mL)). À ce stade, la courbe d’inactivation des spores n’était pas linéaire, mais elle pouvait être bien ajustée par le modèle de Weibull. Les recherches de Fan Lihua et al. ont montré que l'utilisation combinée des ultrasons et du traitement thermique avait un effet synergique d'inactivation sur les spores. Simultanément, il a endommagé diverses structures de spores, telles que le cortex, l'enveloppe des spores et la membrane interne des spores, entraînant la libération de substances intracellulaires et donc l'inactivation des spores. Les spores de *Bacillus cereus* retenues après le traitement thermique combiné par ultrasons ont pu germer normalement, mais leur croissance ultérieure a été limitée et elles ont synthétisé moins ou pas d'ATP, ce qui indique que le traitement thermique combiné par ultrasons a endommagé certaines enzymes métaboliques clés au cours de la croissance post-germination. Ceci est similaire au mécanisme d’inactivation des spores par la chaleur humide. De plus, des études ont montré que le traitement thermique combiné par ultrasons inactivait les spores de *Bacillus cereus* dans la bouillie de riz, la pâte de bœuf et la pâte de fromage respectivement 7, 6 et 4 fois la quantité inactivée par le traitement thermique seul. L'assistance par ultrasons peut réduire considérablement l'intensité du traitement thermique, réduire la consommation d'énergie et maintenir la qualité des aliments.

La technologie combinée par ultrasons pour la stérilisation des aliments peut largement maintenir la qualité des aliments et réduire la destruction des composants fonctionnels, offrant ainsi de larges perspectives d'application.