Tanulmány a bakteriális spórák inaktiválásáról ultrahangos technológiával

Tanulmány a bakteriális spórák inaktiválásáról ultrahangos technológiával

Az ultrahang 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú hanghullám. Folyékony közegben molekuláris rezgéseket indukálhat, ami pusztító fizikai hatásokat eredményez. Zöld, biztonságos és szennyeződésmentes tulajdonságai miatt az ultrahangot jelenleg széles körben használják az élelmiszer-feldolgozási területeken, mint például a habzás, emulgeálás, extrakció és hulladékkezelés. Lynn és mtsai. felfedezte, hogy egy medencében ultrahangnak kitett halak elpusztultak. A további kutatások feltárták az ultrahang biológiai hatásait, ami a sterilizálásban való alkalmazásának vizsgálatához vezetett. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés inaktiváló hatással van a mikroorganizmusokra és spóráikra, ugyanakkor a lehető legnagyobb mértékben megőrzi az élelmiszerek minőségét, transzformációs irányt jelent a hagyományos hőkezelési módszerek számára.

Ultrahangos kavitációs mechanizmus

Amikor az ultrahang folyékony közegben terjed, apró buborékok (kavitációs buborékok) képződnek. Folyamatos ultrahang hatására ezek a buborékok energiát halmoznak fel és növekednek. Amikor az energia eléri a kavitációs buborék felszakadási küszöbét, a kavitációs buborék kipukkan, azonnali magas hőmérsékletet (5500 K) és nagy nyomást (50 MPa) generálva, létrehozva a kavitációs hatást. A kavitációs hatást tekintik az ultrahang fő hatásának.

Két különböző típusú kavitáció létezik, mindegyik más-más funkcióval rendelkezik. Az egyik típus az állandósult állapotú kavitáció. Ultrahangos rezgés hatására kis buborékok képződnek, amelyek szimmetrikus táguláson és inerciális összenyomáson mennek keresztül. A buborék átmérője növekszik, és több ezer ciklus után mérete az egyensúlyi mérete körül oszcillál anélkül, hogy felrobbanna. A buborékrezgés okozta kavitációs hatás hatására a közeli folyadék forog, mikronyalábokat generálva; ezt a jelenséget ultramikro-nyaláboknak nevezik. A másik típus az átmeneti kavitáció. Nagy teljesítményű (amplitúdójú) körülmények között a folyadékban lévő mikrogázmagok kavitációs buborékai ultrahang hatására vibrálnak. Az expanzió során a nyomás alacsonyabb, mint a folyadék gőznyomása, így a buborék nagyobbra nő. A tömörítés során a buborék összehúzódik, és a tartalma cseppfolyósodik. A megnövekedett buborékfelület miatt a tartalom nem cseppfolyósítható vissza teljesen a folyadékba; ezen a ponton egy ciklus befejeződik. Egy bizonyos kompressziós ciklusban, amikor a buborékfal rezonál az ultrahanggal, a buborék felrobbanását idézheti elő, ami azonnali magas hőmérsékletet (5500 K) és nagy nyomást (50 MPa) generál, így rendkívül erős nyíróerőket kelt, és turbulenciát indukál a régióban.

Ultrahangos sterilizáló hatás

Tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahang amplitúdója, intenzitása, gyakorisága, expozíciós ideje és kezelési hőmérséklete mind befolyásolja a mikroorganizmusokra gyakorolt ​​hatását, de az egyes paraméterek hatástartományát még vizsgálják. Soleimanzadeh et al. kimutatták, hogy a nagy amplitúdójú ultrahang fokozza a baktériumsejtfalak és -membránok károsodását, így az ultrahangnak a Staphylococcus aureusra gyakorolt ​​sterilizáló hatását az amplitúdó növekedésével fokozza. Vizsgálták továbbá az ultrahang munkaciklusának (az ultrahang idő és az intervallum arányának aránya) hatását a sterilizálási hatásra, kimutatva, hogy a 7:3-as munkaciklus eredményezte a legjobb sterilizációs hatást, mivel a szonda által generált kavitációs buborékok hatékonyabban tudtak lebomlani, kavitációs hatást keltve és a legjobb sterilizálási eredményt elérni. A viszkozitás, a pH érték és a mikroorganizmusok típusa szintén befolyásolja az ultrahang sterilizáló hatását. A mikrobiális fajok és az ultrahangra való érzékenységük kapcsolatának kutatása korlátozott, és egységes következtetés nélkül léteznek különféle vélemények. Chandrapala et al. úgy gondolja, hogy a mikroorganizmusok ultrahangra való érzékenysége összefügg a sejtmérettel és a felszíni szerkezettel; a baktériumok érzékenyebbek, mint a gombák, az anaerob baktériumok érzékenyebbek az aerob baktériumoknál, és a bacilusok érzékenyebbek a coccusoknál. Cameron et al. kimutatták, hogy az ultrahang baktericid hatása nincs közvetlenül összefüggésben a baktériumok méretével és alakjával. A Gram-pozitív és Gram-negatív baktériumokat összehasonlítva a Gram-pozitív baktériumok vastagabb sejtfaluk és sűrűbb peptidoglikán rétegeik miatt ellenállóbbak az ultrahanggal szemben, míg a Gram-negatív baktériumok érzékenyebbek az ultrahangos kezelésre.

Számos tanulmány kimutatta, hogy az ultrahangnak jelentős baktericid hatása van, bár a különböző mikroorganizmusok inaktiválása a különböző rendszerekben eltérő. Az ultrahangos kezelés önmagában nem képes 5 (lg (CFU/mL)) baktériumölő dózist elérni. Az ultrahangnak jelentős szinergikus baktericid hatása van más technológiákkal (például hőkezeléssel, nyomással, nyomással kombinált hőkezeléssel, UV-sugárzással, nizinnel és elektrolizált vízzel).

A spórák inaktiválására szolgáló hőkezeléssel kombinált ultrahanggal kapcsolatos kutatási eredmények

Bár az ultrahangos kezelés önmagában nem túl hatékony a spórák inaktiválásában, jelentősen csökkentheti a spórák rezisztenciáját. Ezért más baktericid módszerekkel való kombinálása jelentősen javíthatja a spórainaktiválás hatékonyságát; például a hővel, nagy nyomással, baktériumölő szerekkel és UV-kezeléssel kombinált ultrahang mind jó eredményeket mutat.

Khanal et al. összehasonlították az ultrahang és a kombinált ultrahang-hőkezelés hatását a *Bacillus cereus* spórák inaktiválására. Eredményeik azt mutatták, hogy az ultrahang nemcsak jelentősen csökkentette egyes *Bacillus licheniformis* spórák rezisztenciáját a csírázás indukálásával, hanem a spórákat is inaktiválta. Az önmagában végzett ultrahangos kezeléshez képest a kombinált ultrahang-hőkezelés jelentősen megnövelte az inaktivált spórák mennyiségét, ami az ultrahang és a hőkezelés közötti szinergikus hatásra utal a spórák inaktiválására. Evelyn és munkatársai kutatásai kimutatták, hogy a *Clostridium perfringens* spórák ultrahanggal történő inaktiválása elsőrendű kinetikai modellt követett. 60 perces, 75 ℃-os kezelést követően 24 kHz-es, 0,33 W/g ultrahanggal kombinálva a *Clostridium perfringens* spórák száma 1,5-tel (lg(CFU/mL)) csökkent. Ezen a ponton a spórainaktivációs görbe nem volt lineáris, de a Weibull-modellel jól illeszthető volt. Fan Lihua és munkatársai kutatásai kimutatták, hogy az ultrahang és a hőkezelés együttes alkalmazása szinergikus inaktiváló hatást fejt ki a spórákra. Ezzel egyidejűleg károsította a különböző spóraszerkezeteket, mint például a kéreg, a spóraburok és a spóra belső membránja, ami intracelluláris anyagok felszabadulásához és ezáltal a spórák inaktiválásához vezetett. Az ultrahangos kombinált hőkezelés után visszamaradt *Bacillus cereus* spórái normálisan tudtak csírázni, de későbbi növekedésük korlátozott volt, és alig vagy egyáltalán nem szintetizáltak ATP-t, ami arra utal, hogy az ultrahangos kombinált hőkezelés károsította néhány kulcsfontosságú metabolikus enzimet a csírázás utáni növekedés során. Ez hasonló a spórák nedves hővel történő inaktiválásához. Ezenkívül a vizsgálatok kimutatták, hogy az ultrahangos kombinált hőkezelés 7-szer, 6-szor és 4-szer inaktiválta a *Bacillus cereus* spórákat a rizskása, a marhahús- és a sajtpépben, mint a hőkezeléssel inaktivált mennyiség. Az ultrahangos segítségnyújtás önmagában jelentősen csökkentheti a hőkezelés intenzitását, csökkentheti az energiafogyasztást és megőrizheti az élelmiszerek minőségét.

Az élelmiszer-sterilizálás ultrahangos kombinált technológiája nagymértékben megőrzi az élelmiszerek minőségét és csökkenti a funkcionális alkatrészek tönkremenetelét, széles körű alkalmazási kilátásokat mutatva.