Studio sull'inattivazione delle spore batteriche mediante tecnologia ad ultrasuoni

Studio sull'inattivazione delle spore batteriche mediante tecnologia ad ultrasuoni

L'ultrasuono è un'onda sonora con una frequenza superiore a 20 kHz. Può indurre vibrazioni molecolari nei mezzi liquidi, con conseguenti effetti fisici distruttivi. Grazie alle sue caratteristiche ecologiche, sicure e prive di inquinamento, gli ultrasuoni sono attualmente ampiamente utilizzati nei settori della lavorazione alimentare come la schiumatura, l'emulsificazione, l'estrazione e il trattamento dei rifiuti. Lynn et al. scoprì che i pesci esposti agli ultrasuoni in una piscina morivano. Ulteriori ricerche hanno rivelato gli effetti biologici degli ultrasuoni, portando a studi sulla sua applicazione nella sterilizzazione. Il trattamento ad ultrasuoni ad alta intensità ha un effetto inattivante sui microrganismi e sulle loro spore, preservando contemporaneamente la qualità degli alimenti nella massima misura possibile, rappresentando una direzione di trasformazione per i metodi tradizionali di trattamento termico.

Meccanismo di cavitazione ultrasonica

Quando gli ultrasuoni si propagano in un mezzo liquido, si formano minuscole bolle (bolle di cavitazione). Sotto la continua azione ultrasonica, queste bolle accumulano energia e crescono. Quando l'energia raggiunge la soglia di rottura della bolla di cavitazione, la bolla di cavitazione scoppia, generando istantaneamente alta temperatura (5500 K) e alta pressione (50 MPa), formando l'effetto di cavitazione. L'effetto cavitazione è considerato l'effetto principale degli ultrasuoni.

Esistono due diversi tipi di cavitazione, ciascuno con funzioni diverse. Un tipo è la cavitazione stazionaria. Sotto la vibrazione ultrasonica, si formano piccole bolle che subiscono espansione simmetrica e compressione inerziale. Il diametro della bolla aumenta e, dopo migliaia di cicli, la sua dimensione oscilla attorno alla dimensione di equilibrio senza implodere. L'effetto di cavitazione causato dalla vibrazione delle bolle fa ruotare il fluido vicino generando microfasci; questo fenomeno è chiamato ultramicrofasci. L'altro tipo è la cavitazione transitoria. In condizioni di elevata potenza (ampiezza), le bolle di cavitazione dei nuclei di microgas esistenti nel liquido vibrano sotto l'azione degli ultrasuoni. Durante l'espansione, la pressione è inferiore alla pressione del vapore del fluido, provocando l'ingrossamento della bolla. Durante la compressione, la bolla si contrae e il contenuto si liquefa. A causa della maggiore area delle bolle, il contenuto non può essere completamente liquefatto nel fluido; a questo punto un ciclo è completato. In un certo ciclo di compressione, quando la parete della bolla risuona con gli ultrasuoni, può far implodere la bolla, generando istantaneamente alta temperatura (5500 K) e alta pressione (50 MPa), producendo così forze di taglio estremamente forti e inducendo turbolenza nella regione.

Effetto di sterilizzazione ad ultrasuoni

Gli studi hanno scoperto che l’ampiezza, l’intensità, la frequenza, il tempo di esposizione e la temperatura di trattamento degli ultrasuoni influenzano tutti il ​​loro effetto sui microrganismi, ma il campo di influenza di ciascun parametro è ancora oggetto di studio. Studi di Soleimanzadeh et al. hanno dimostrato che gli ultrasuoni ad alta ampiezza migliorano la distruzione delle pareti e delle membrane cellulari batteriche, aumentando così l'effetto di sterilizzazione degli ultrasuoni sullo Staphylococcus aureus con ampiezza crescente. Inoltre, hanno studiato l’effetto del ciclo di lavoro degli ultrasuoni (il rapporto tra il tempo degli ultrasuoni e il tempo dell’intervallo) sull’effetto di sterilizzazione, dimostrando che un ciclo di lavoro di 7:3 produceva il miglior effetto di sterilizzazione, poiché le bolle di cavitazione generate dalla sonda potevano rompersi in modo più efficace, producendo un effetto di cavitazione e ottenendo il miglior risultato di sterilizzazione. Anche la viscosità, il valore del pH e il tipo di microrganismi influiscono sull'effetto di sterilizzazione degli ultrasuoni. La ricerca sulla relazione tra le specie microbiche e la loro sensibilità agli ultrasuoni è limitata ed esistono varie opinioni senza una conclusione univoca. Chandrapala et al. credere che la sensibilità dei microrganismi agli ultrasuoni sia correlata alle dimensioni delle cellule e alla struttura della superficie; i batteri sono più sensibili dei funghi, i batteri anaerobici sono più sensibili dei batteri aerobici e i bacilli sono più sensibili dei cocchi. Tuttavia, gli studi di Cameron et al. hanno dimostrato che l’effetto battericida degli ultrasuoni non è direttamente correlato alla dimensione e alla forma dei batteri. Confrontando batteri Gram-positivi e Gram-negativi, i batteri Gram-positivi, a causa delle loro pareti cellulari più spesse e degli strati di peptidoglicani più densi, sono più resistenti agli ultrasuoni, mentre i batteri Gram-negativi sono più sensibili al trattamento con ultrasuoni.

Molti studi hanno dimostrato che gli ultrasuoni hanno un effetto battericida significativo, sebbene l’inattivazione dei diversi microrganismi vari nei diversi sistemi. Il solo trattamento ad ultrasuoni non può raggiungere una dose battericida di 5 (lg (CFU/mL)). Gli ultrasuoni hanno effetti battericidi sinergici significativi con altre tecnologie (come trattamento termico, pressione, trattamento termico combinato con pressione, UV, nisina e acqua elettrolizzata).

Progressi della ricerca sugli ultrasuoni combinati con il trattamento termico per l'inattivazione delle spore

Sebbene il trattamento con gli ultrasuoni da solo non sia molto efficace nell’inattivare le spore, può ridurre significativamente la resistenza delle spore. Pertanto, combinandolo con altri metodi battericidi è possibile migliorare significativamente l’efficienza dell’inattivazione delle spore; ad esempio, gli ultrasuoni combinati con calore, alta pressione, battericidi e trattamento UV mostrano tutti buoni risultati.

Khanal et al. hanno confrontato gli effetti degli ultrasuoni e del trattamento combinato ultrasuoni-calore sull'inattivazione delle spore di *Bacillus cereus*. I risultati hanno mostrato che gli ultrasuoni non solo hanno ridotto significativamente la resistenza di alcune spore di *Bacillus licheniformis* inducendone la germinazione, ma hanno anche inattivato le spore. Rispetto al solo trattamento con ultrasuoni, il trattamento combinato ultrasuoni-calore ha aumentato significativamente la quantità di spore inattivate, indicando un effetto sinergico tra ultrasuoni e trattamento termico sull'inattivazione delle spore. La ricerca di Evelyn et al. ha dimostrato che l'inattivazione delle spore di *Clostridium perfrigens* mediante ultrasuoni seguiva un modello cinetico di primo ordine. Dopo 60 minuti di trattamento a 75 ℃ combinato con ultrasuoni a 24 kHz, 0,33 W/g, il numero di spore di *Clostridium perfrigens* è diminuito di 1,5 (lg(CFU/mL)). A questo punto, la curva di inattivazione delle spore non era lineare, ma poteva essere ben adattata dal modello di Weibull. La ricerca di Fan Lihua et al. ha dimostrato che l'uso combinato di ultrasuoni e trattamento termico ha avuto un effetto sinergico di inattivazione sulle spore. Contemporaneamente, ha danneggiato varie strutture delle spore, come la corteccia, il rivestimento delle spore e la membrana interna delle spore, portando al rilascio di sostanze intracellulari e quindi all'inattivazione delle spore. Le spore di *Bacillus cereus* trattenute dopo il trattamento termico combinato ad ultrasuoni potevano germinare normalmente, ma la loro crescita successiva era limitata e sintetizzavano meno o nessun ATP, indicando che il trattamento termico combinato ad ultrasuoni ha danneggiato alcuni enzimi metabolici chiave durante la crescita post-germinazione. Questo è simile al meccanismo di inattivazione delle spore da parte del calore umido. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che il trattamento termico combinato ad ultrasuoni ha inattivato le spore di *Bacillus cereus* nel porridge di riso, nella pasta di manzo e nella pasta di formaggio rispettivamente di 7, 6 e 4 volte la quantità inattivata dal solo trattamento termico. L'assistenza ad ultrasuoni può ridurre significativamente l'intensità del solo trattamento termico, ridurre il consumo di energia e mantenere la qualità degli alimenti.

La tecnologia combinata ad ultrasuoni per la sterilizzazione degli alimenti può mantenere in gran parte la qualità degli alimenti e ridurre la distruzione dei componenti funzionali, mostrando ampie prospettive di applicazione.