Studiu privind inactivarea sporilor bacterieni prin tehnologie cu ultrasunete

Studiu privind inactivarea sporilor bacterieni prin tehnologie cu ultrasunete

Ultrasunetele este o undă sonoră cu o frecvență mai mare de 20 kHz. Poate induce vibrații moleculare în mediile lichide, ducând la efecte fizice distructive. Datorită caracteristicilor sale ecologice, sigure și lipsite de poluare, ultrasunetele sunt utilizate în prezent pe scară largă în domeniile de prelucrare a alimentelor, cum ar fi antispumantul, emulsionarea, extracția și tratarea deșeurilor. Lynn și colab. a descoperit că peștii expuși la ultrasunete într-un bazin au murit. Cercetările ulterioare au scos la iveală efectele biologice ale ultrasunetelor, ducând la studii privind aplicarea acestuia în sterilizare. Tratamentul cu ultrasunete de mare intensitate are un efect de inactivare asupra microorganismelor și sporilor acestora, păstrând în același timp calitatea alimentelor în cea mai mare măsură posibilă, reprezentând o direcție de transformare pentru metodele tradiționale de tratament termic.

Mecanism de cavitație cu ultrasunete

Când ultrasunetele se propagă într-un mediu lichid, se formează bule mici (bule de cavitație). Sub acțiunea ultrasonică continuă, aceste bule acumulează energie și cresc. Când energia atinge pragul de rupere a bulei de cavitație, bula de cavitație izbucnește, generând instantaneu temperatură ridicată (5500 K) și presiune ridicată (50 MPa), formând efectul de cavitație. Efectul de cavitație este considerat principalul efect al ultrasunetelor.

Există două tipuri diferite de cavitație, fiecare cu funcții diferite. Un tip este cavitația în stare staționară. Sub vibrația ultrasonică, se formează bule mici și sunt supuse expansiunii simetrice și compresiei inerțiale. Diametrul bulei crește și, după mii de cicluri, dimensiunea sa oscilează în jurul dimensiunii sale de echilibru fără a exploda. Efectul de cavitație cauzat de vibrația bulei face ca fluidul din apropiere să se rotească, generând micro-raze; acest fenomen se numește ultra-micro-raze. Celălalt tip este cavitația tranzitorie. În condiții de mare putere (amplitudine), bulele de cavitație ale micronucleelor ​​de gaz existente în lichid vibrează sub acțiunea ultrasunetelor. În timpul expansiunii, presiunea este mai mică decât presiunea vaporilor fluidului, ceea ce face ca bula să devină mai mare. În timpul compresiei, bula se contractă, iar conținutul se lichefiază. Datorită suprafeței crescute de bule, conținutul nu poate fi complet lichefiat înapoi în fluid; în acest moment, un ciclu este încheiat. Într-un anumit ciclu de compresie, atunci când peretele bulei rezonează cu ultrasunetele, poate provoca explozia bulei, generând instantaneu temperatură ridicată (5500 K) și presiune ridicată (50 MPa), producând astfel forțe de forfecare extrem de puternice și inducând turbulențe în regiune.

Efect de sterilizare cu ultrasunete

Studiile au descoperit că amplitudinea, intensitatea, frecvența, timpul de expunere și temperatura de tratament a ultrasunetelor afectează toate efectul acestuia asupra microorganismelor, dar intervalul de influență a fiecărui parametru este încă în curs de investigare. Studiile lui Soleimanzadeh et al. au demonstrat că ultrasunetele de mare amplitudine sporesc perturbarea pereților și membranelor celulare bacteriene, crescând astfel efectul de sterilizare al ultrasunetelor asupra Staphylococcus aureus cu creșterea amplitudinii. Mai mult, au investigat efectul ciclului de lucru cu ultrasunete (raportul dintre timpul de ultrasunete și timpul de interval) asupra efectului de sterilizare, arătând că un ciclu de lucru de 7:3 a dat cel mai bun efect de sterilizare, deoarece bulele de cavitație generate de sondă s-ar putea descompune mai eficient, producând un efect de cavitație și obținând cel mai bun rezultat de sterilizare. Vâscozitatea, valoarea pH-ului și tipul de microorganisme au, de asemenea, o anumită influență asupra efectului de sterilizare al ultrasunetelor. Cercetările privind relația dintre speciile microbiene și sensibilitatea lor la ultrasunete sunt limitate și există diverse opinii fără o concluzie unificată. Chandrapala și colab. cred că sensibilitatea microorganismelor la ultrasunete este legată de dimensiunea celulei și structura suprafeței; bacteriile sunt mai sensibile decât ciupercile, bacteriile anaerobe sunt mai sensibile decât bacteriile aerobe, iar bacilii sunt mai sensibili decât cocii. Cu toate acestea, studiile lui Cameron et al. au demonstrat că efectul bactericid al ultrasunetelor nu este direct legat de mărimea și forma bacteriilor. Comparând bacteriile Gram-pozitive și Gram-negative, bacteriile Gram-pozitive, datorită pereților celulari mai groși și a straturilor mai dense de peptidoglicani, sunt mai rezistente la ultrasunete, în timp ce bacteriile Gram-negative sunt mai sensibile la tratamentul cu ultrasunete.

Multe studii au arătat că ultrasunetele au un efect bactericid semnificativ, deși inactivarea diferitelor microorganisme variază în diferite sisteme. Tratamentul cu ultrasunete singur nu poate atinge o doză bactericidă de 5 (lg (CFU/mL)). Ultrasunetele au efecte bactericide sinergice semnificative cu alte tehnologii (cum ar fi tratamentul termic, presiunea, tratamentul termic combinat cu presiune, UV, nisină și apă electrolizată).

Progresul cercetării asupra ultrasunetelor combinate cu tratamentul termic pentru inactivarea sporilor

Deși tratamentul cu ultrasunete singur nu este foarte eficient la inactivarea sporilor, poate reduce semnificativ rezistența sporilor. Prin urmare, combinarea acestuia cu alte metode bactericide poate îmbunătăți semnificativ eficiența de inactivare a sporilor; de exemplu, ultrasunetele combinate cu căldură, presiune înaltă, bactericide și tratament UV arată toate rezultate bune.

Khanal și colab. au comparat efectele ultrasunetelor și ale tratamentului combinat cu ultrasunete și căldură asupra inactivării sporilor *Bacillus cereus*. Rezultatele lor au arătat că ultrasunetele nu numai că au redus semnificativ rezistența unor spori *Bacillus licheniformis* prin inducerea germinării, dar au și inactivat sporii. În comparație cu tratamentul cu ultrasunete singur, tratamentul combinat cu ultrasunete și căldură a crescut semnificativ cantitatea de spori inactivați, indicând un efect sinergic între ultrasunete și tratamentul termic asupra inactivării sporilor. Cercetările lui Evelyn și colab. au arătat că inactivarea sporilor *Clostridium perfringens* prin ultrasunete a urmat un model cinetic de ordinul întâi. După 60 de minute de tratament la 75 ℃ combinat cu ultrasunete de 24 kHz, 0,33 W/g, numărul de spori *Clostridium perfringens* a scăzut cu 1,5 (lg(CFU/mL)). În acest moment, curba de inactivare a sporilor nu a fost liniară, dar ar putea fi bine potrivită de modelul Weibull. Cercetările lui Fan Lihua și colab. au arătat că utilizarea combinată a ultrasunetelor și a tratamentului termic a avut un efect sinergic de inactivare asupra sporilor. Simultan, a deteriorat diferite structuri ale sporilor, cum ar fi cortexul, stratul de spori și membrana interioară a sporilor, ducând la eliberarea de substanțe intracelulare și, astfel, la inactivarea sporilor. Sporii de *Bacillus cereus* reținuți după tratamentul termic combinat cu ultrasunete au putut germina în mod normal, dar creșterea lor ulterioară a fost restricționată și au sintetizat mai puțin sau deloc ATP, ceea ce indică faptul că tratamentul termic combinat cu ultrasunete a deteriorat unele enzime metabolice cheie în timpul creșterii post-germinare. Acest lucru este similar cu mecanismul de inactivare a sporilor prin căldură umedă. Mai mult, studiile au arătat că tratamentul termic combinat cu ultrasunete a inactivat sporii *Bacillus cereus* din terci de orez, pasta de vită și pasta de brânză de 7, 6 și, respectiv, de 4 ori, cantitatea inactivată numai prin tratamentul termic. Asistența cu ultrasunete poate reduce semnificativ intensitatea tratamentului termic, poate reduce consumul de energie și poate menține calitatea alimentelor.

Tehnologia combinată cu ultrasunete pentru sterilizarea alimentelor poate menține în mare măsură calitatea alimentelor și poate reduce distrugerea componentelor funcționale, arătând perspective largi de aplicare.