Badanie inaktywacji zarodników bakteryjnych za pomocą technologii ultradźwiękowej

Badanie dotyczące inaktywacji zarodników bakteryjnych za pomocą technologii ultradźwiękowej

Ultradźwięki to fala dźwiękowa o częstotliwości większej niż 20 kHz. Może indukować wibracje molekularne w płynnych mediach, powodując destrukcyjne skutki fizyczne. Ze względu na swoje ekologiczne, bezpieczne i wolne od zanieczyszczeń właściwości ultradźwięki są obecnie szeroko stosowane w dziedzinach przetwórstwa spożywczego, takich jak odpienianie, emulgowanie, ekstrakcja i przetwarzanie odpadów. Lynn i in. odkryli, że ryby wystawione na działanie ultradźwięków w basenie zdechły. Dalsze badania ujawniły biologiczne działanie ultradźwięków, co doprowadziło do badań nad ich zastosowaniem w sterylizacji. Obróbka ultradźwiękowa o dużej intensywności działa dezaktywująco na mikroorganizmy i ich zarodniki, jednocześnie zachowując w możliwie największym stopniu jakość żywności, co stanowi kierunek transformacji tradycyjnych metod obróbki cieplnej.

Mechanizm kawitacji ultradźwiękowej

Kiedy ultradźwięki rozchodzą się w ciekłym ośrodku, tworzą się maleńkie pęcherzyki (pęcherzyki kawitacyjne). Pod ciągłym działaniem ultradźwiękowym pęcherzyki te gromadzą energię i rosną. Kiedy energia osiągnie próg pęknięcia pęcherzyka kawitacyjnego, pęcherzyk kawitacyjny pęka, wytwarzając natychmiastową wysoką temperaturę (5500 K) i wysokie ciśnienie (50 MPa), tworząc efekt kawitacji. Za główny efekt działania ultradźwięków uważa się efekt kawitacji.

Istnieją dwa różne typy kawitacji, każdy o różnych funkcjach. Jednym z typów jest kawitacja w stanie ustalonym. Pod wpływem wibracji ultradźwiękowych tworzą się małe pęcherzyki, które ulegają symetrycznemu rozszerzaniu i kompresji bezwładnościowej. Średnica pęcherzyka wzrasta, a po tysiącach cykli jego rozmiar oscyluje wokół rozmiaru równowagi bez implodowania. Efekt kawitacji wywołany wibracjami pęcherzyków powoduje obrót pobliskiego płynu, generując mikrowiązki; zjawisko to nazywane jest ultramikrowiązkami. Drugim typem jest kawitacja przejściowa. W warunkach dużej mocy (amplitudy) jądra kawitacyjne mikrogazu występujące w cieczy wibrują pod wpływem ultradźwięków. Podczas rozprężania ciśnienie jest niższe niż ciśnienie pary płynu, co powoduje, że pęcherzyk staje się większy. Podczas kompresji pęcherzyk kurczy się, a zawartość upłynnia się. Ze względu na zwiększoną powierzchnię pęcherzyków zawartość nie może zostać całkowicie upłynniona z powrotem do płynu; w tym momencie jeden cykl jest zakończony. W pewnym cyklu sprężania, gdy ściana pęcherzyka rezonuje z ultradźwiękami, może spowodować implozję pęcherzyka, generując natychmiastową wysoką temperaturę (5500 K) i wysokie ciśnienie (50 MPa), wytwarzając w ten sposób niezwykle duże siły ścinające i wywołując turbulencje w regionie.

Efekt sterylizacji ultradźwiękowej

Badania wykazały, że amplituda, intensywność, częstotliwość, czas ekspozycji i temperatura leczenia ultradźwiękami wpływają na jego wpływ na mikroorganizmy, ale zakres wpływu każdego parametru jest wciąż badany. Badania Soleimanzadeha i in. wykazali, że ultradźwięki o wysokiej amplitudzie wzmagają niszczenie ścian i błon komórkowych bakterii, zwiększając w ten sposób efekt sterylizacji ultradźwięków na Staphylococcus aureus wraz ze wzrostem amplitudy. Ponadto zbadali wpływ cyklu pracy ultradźwięków (stosunek czasu trwania ultradźwięków do czasu przerwy) na efekt sterylizacji, wykazując, że cykl pracy wynoszący 7:3 zapewnia najlepszy efekt sterylizacji, ponieważ pęcherzyki kawitacyjne generowane przez sondę mogą skuteczniej się rozkładać, wywołując efekt kawitacji i osiągając najlepszy wynik sterylizacji. Lepkość, wartość pH i rodzaj mikroorganizmów również mają pewien wpływ na działanie sterylizujące ultradźwięków. Badania dotyczące związku między gatunkami drobnoustrojów a ich wrażliwością na ultradźwięki są ograniczone i istnieją różne opinie bez jednolitych wniosków. Chandrapala i in. uważają, że wrażliwość mikroorganizmów na ultradźwięki jest powiązana z wielkością komórek i strukturą powierzchni; bakterie są bardziej wrażliwe niż grzyby, bakterie beztlenowe są bardziej wrażliwe niż bakterie tlenowe, a prątki są bardziej wrażliwe niż ziarniaki. Jednakże badania Camerona i wsp. wykazali, że bakteriobójcze działanie ultradźwięków nie jest bezpośrednio związane z wielkością i kształtem bakterii. Porównując bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne, bakterie Gram-dodatnie ze względu na grubszą ścianę komórkową i gęstszą warstwę peptydoglikanu są bardziej odporne na działanie ultradźwięków, natomiast bakterie Gram-ujemne są bardziej wrażliwe na leczenie ultradźwiękami.

Wiele badań wykazało, że ultradźwięki mają znaczące działanie bakteriobójcze, chociaż inaktywacja różnych mikroorganizmów jest różna w różnych układach. Samo leczenie ultradźwiękami nie jest w stanie osiągnąć dawki bakteriobójczej wynoszącej 5 (lg (CFU/ml)). Ultradźwięki mają znaczące synergistyczne działanie bakteriobójcze z innymi technologiami (takimi jak obróbka cieplna, ciśnieniowa, obróbka cieplna połączona z ciśnieniem, promieniowanie UV, nizyna i woda elektrolizowana).

Postęp badań nad ultradźwiękami w połączeniu z obróbką cieplną w celu inaktywacji zarodników

Chociaż samo leczenie ultradźwiękami nie jest zbyt skuteczne w inaktywacji zarodników, może znacznie zmniejszyć oporność zarodników. Dlatego połączenie go z innymi metodami bakteriobójczymi może znacząco poprawić skuteczność inaktywacji przetrwalników; na przykład ultradźwięki w połączeniu z ciepłem, wysokim ciśnieniem, środkami bakteriobójczymi i promieniowaniem UV dają dobre wyniki.

Khanal i in. porównali wpływ ultradźwięków i łączonej obróbki ultradźwiękowej i cieplnej na inaktywację przetrwalników *Bacillus cereus*. Wyniki wykazały, że ultradźwięki nie tylko znacząco zmniejszają odporność niektórych zarodników *Bacillus licheniformis* poprzez indukcję kiełkowania, ale także inaktywują zarodniki. W porównaniu z samą obróbką ultradźwiękową, łączona obróbka ultradźwiękowo-cieplna znacząco zwiększyła ilość inaktywowanych zarodników, co wskazuje na synergistyczny efekt pomiędzy obróbką ultradźwiękową i cieplną na inaktywację zarodników. Badania Evelyn i wsp. wykazały, że inaktywacja zarodników *Clostridium perfringens* za pomocą ultradźwięków przebiega zgodnie z modelem kinetycznym pierwszego rzędu. Po 60 minutach leczenia w temperaturze 75°C w połączeniu z ultradźwiękami o częstotliwości 24 kHz i mocy 0,33 W/g, liczba zarodników *Clostridium perfringens* spadła o 1,5 (lg(CFU/ml)). W tym momencie krzywa inaktywacji zarodników nie była liniowa, ale można ją było dobrze dopasować za pomocą modelu Weibulla. Badania Fan Lihua i wsp. wykazały, że połączone zastosowanie ultradźwięków i obróbki cieplnej miało synergistyczny efekt inaktywacji zarodników. Jednocześnie uszkadza różne struktury zarodników, takie jak kora zarodników, otoczka zarodników i wewnętrzna błona zarodników, co prowadzi do uwolnienia substancji wewnątrzkomórkowych, a tym samym inaktywacji zarodników. Zarodniki * Bacillus cereus * zachowane po skojarzonej obróbce cieplnej ultradźwiękowej mogły normalnie kiełkować, ale ich późniejszy wzrost był ograniczony i syntetyzowały mniej ATP lub nie wytwarzały go wcale, co wskazuje, że skojarzona obróbka cieplna ultradźwiękowa uszkadzała niektóre kluczowe enzymy metaboliczne podczas wzrostu po kiełkowaniu. Jest to podobne do mechanizmu inaktywacji zarodników pod wpływem wilgotnego ciepła. Ponadto badania wykazały, że kombinowana obróbka cieplna ultradźwiękowa inaktywowała przetrwalniki * Bacillus cereus * w kaszce ryżowej, paście wołowej i paście serowej odpowiednio 7, 6 i 4 razy w stosunku do ilości inaktywowanej samą obróbką cieplną. Pomoc ultradźwiękowa może znacznie zmniejszyć intensywność samej obróbki cieplnej, zmniejszyć zużycie energii i utrzymać jakość żywności.

Połączona technologia ultradźwiękowa do sterylizacji żywności może w dużym stopniu utrzymać jakość żywności i zmniejszyć niszczenie elementów funkcjonalnych, wykazując szerokie perspektywy zastosowania.