Студија о инактивацији бактеријских спора ултразвучном технологијом

Студија о инактивацији бактеријских спора ултразвучном технологијом

Ултразвук је звучни талас са фреквенцијом већом од 20 кХз. Може да изазове молекуларне вибрације у течним медијима, што резултира деструктивним физичким ефектима. Због својих зелених, безбедних карактеристика и карактеристика без загађења, ултразвук се тренутно широко користи у областима прераде хране као што су уклањање пене, емулговање, екстракција и третман отпада. Линн ет ал. открили да су рибе изложене ултразвуку у базену угинуле. Даља истраживања су открила биолошке ефекте ултразвука, што је довело до студија о његовој примени у стерилизацији. Третман ултразвуком високог интензитета има инактивирајући ефекат на микроорганизме и њихове споре, док истовремено у највећој могућој мери чува квалитет хране, представљајући правац трансформације традиционалних метода термичке обраде.

Ултразвучни кавитациони механизам

Када се ултразвук шири у течном медију, формирају се ситни мехурићи (кавитациони мехурићи). Под континуираним ултразвучним дејством, ови мехурићи акумулирају енергију и расту. Када енергија достигне праг кидања кавитационог мехурића, кавитациони мехур пуца, стварајући тренутну високу температуру (5500 К) и висок притисак (50 МПа), формирајући ефекат кавитације. Ефекат кавитације се сматра главним ефектом ултразвука.

Постоје две различите врсте кавитације, свака са различитим функцијама. Један тип је кавитација у стабилном стању. Под ултразвучном вибрацијом, мали мехурићи се формирају и пролазе кроз симетрично ширење и инерцијску компресију. Пречник мехурића се повећава, и након хиљада циклуса, његова величина осцилира око своје равнотежне величине без имплодирања. Ефекат кавитације изазван вибрацијом мехурића узрокује ротацију оближње течности, стварајући микро-зраке; овај феномен се назива ултра-микро-зраци. Други тип је пролазна кавитација. У условима велике снаге (амплитуде), кавитациони мехурићи микро-гасних језгара који постоје у течности вибрирају под дејством ултразвука. Током експанзије, притисак је нижи од притиска паре течности, што доводи до тога да мехур расте. Током компресије, мехур се скупља, а садржај постаје течни. Због повећане површине мехурића, садржај се не може у потпуности вратити у течност; у овом тренутку један циклус је завршен. У одређеном циклусу компресије, када зид мехурића резонује са ултразвуком, то може проузроковати имплодацију мехурића, генеришући тренутну високу температуру (5500 К) и висок притисак (50 МПа), чиме се стварају изузетно јаке силе смицања и изазивају турбуленције у региону.

Ефекат ултразвучне стерилизације

Студије су откриле да амплитуда, интензитет, учесталост, време експозиције и температура третмана ултразвука утичу на његов ефекат на микроорганизме, али опсег утицаја сваког параметра се још увек истражује. Студије Солеиманзадех ет ал. су показали да ултразвук високе амплитуде појачава нарушавање ћелијских зидова и мембрана бактерија, чиме се повећава стерилизациони ефекат ултразвука на Стапхилоцоццус ауреус са повећањем амплитуде. Даље, они су истраживали ефекат радног циклуса ултразвука (однос времена ултразвука и времена интервала) на ефекат стерилизације, показујући да је радни циклус од 7:3 дао најбољи ефекат стерилизације, јер би мехурићи кавитације које генерише сонда могли ефикасније да се разбију, производећи ефекат кавитације и постижући најбољи резултат стерилизације. Вискозност, пХ вредност и врста микроорганизама такође имају одређени утицај на стерилизациони ефекат ултразвука. Истраживања о односу између микробних врста и њихове осетљивости на ултразвук су ограничена, а различита мишљења постоје без јединственог закључка. Цхандрапала и др. верују да је осетљивост микроорганизама на ултразвук повезана са величином ћелије и структуром површине; бактерије су осетљивије од гљивица, анаеробне бактерије су осетљивије од аеробних бактерија, а бацили су осетљивији од кока. Међутим, студије Камерона и сар. су показали да бактерицидни ефекат ултразвука није директно повезан са величином и обликом бактерије. Упоређујући Грам-позитивне и Грам-негативне бактерије, Грам-позитивне бактерије су због дебљих ћелијских зидова и гушћих слојева пептидогликана отпорније на ултразвук, док су Грам-негативне бактерије осетљивије на ултразвучни третман.

Многе студије су показале да ултразвук има значајан бактерицидни ефекат, иако се инактивација различитих микроорганизама разликује у различитим системима. Само ултразвучни третман не може постићи бактерицидну дозу од 5 (лг (ЦФУ/мЛ)). Ултразвук има значајне синергистичке бактерицидне ефекте са другим технологијама (као што су топлотна обрада, притисак, топлотна обрада у комбинацији са притиском, УВ, низин и електролизована вода).

Напредак истраживања ултразвука у комбинацији са топлотном обрадом за инактивацију спора

Иако само ултразвучни третман није веома ефикасан у инактивацији спора, може значајно смањити отпор спора. Стога, комбиновање са другим бактерицидним методама може значајно побољшати ефикасност инактивације спора; на пример, ултразвук у комбинацији са топлотом, високим притиском, бактерицидима и УВ третманом показују добре резултате.

Кханал ет ал. упоредили ефекте ултразвука и комбинованог третмана ултразвуком и топлотом на инактивацију спора *Бациллус цереус*. Њихови резултати су показали да ултразвук не само да је значајно смањио отпор неких спора *Бациллус лицхениформис* изазивањем клијања, већ је и инактивирао споре. У поређењу са само ултразвучним третманом, комбиновани третман ултразвуком и топлотом значајно је повећао количину инактивираних спора, што указује на синергистички ефекат између ултразвучног и топлотног третмана на инактивацију спора. Истраживање Евелин и сарадника показало је да је инактивација спора *Цлостридиум перфрингенс* ултразвуком следила кинетички модел првог реда. После 60 минута третмана на 75 ℃ у комбинацији са ултразвуком од 24 кХз, 0,33 В/г, број спора *Цлостридиум перфрингенс* се смањио за 1,5 (лг(ЦФУ/мЛ)). У овом тренутку, крива инактивације спора није била линеарна, али би се могла добро уклопити у Веибуллов модел. Истраживање Фан Лихуа и сарадника показало је да комбинована употреба ултразвука и топлотне обраде има синергистички ефекат инактивације на споре. Истовремено је оштетио различите структуре спора, као што су кортекс, омотач спора и унутрашња мембрана спора, што је довело до ослобађања интрацелуларних супстанци и самим тим до инактивације спора. Споре *Бациллус цереус* задржане након комбиноване ултразвучне термичке обраде могле су нормално да клијају, али је њихов каснији раст био ограничен и синтетизовале су мање или нимало АТП-а, што указује да је комбинована ултразвучна топлотна обрада оштетила неке кључне метаболичке ензиме током раста након клијања. Ово је слично механизму инактивације спора влажном топлотом. Штавише, студије су показале да је комбинована ултразвучна термичка обрада инактивирала споре *Бациллус цереус* у пиринчаној каши, говеђи пасти и пасти од сира за 7, 6, односно 4 пута у односу на количину инактивисану само топлотном обрадом. Ултразвучна помоћ може значајно смањити интензитет термичке обраде сама, смањити потрошњу енергије и одржати квалитет хране.

Ултразвучна комбинована технологија за стерилизацију хране може у великој мери да одржи квалитет хране и смањи уништавање функционалних компоненти, показујући широке изгледе за примену.