Исследование инактивации бактериальных спор с помощью ультразвуковой технологии

Исследование инактивации бактериальных спор с помощью ультразвуковой технологии

Ультразвук – это звуковая волна частотой более 20 кГц. Он может вызывать молекулярные вибрации в жидких средах, что приводит к разрушительным физическим эффектам. Благодаря своим экологическим, безопасным и экологически чистым характеристикам ультразвук в настоящее время широко используется в таких областях пищевой промышленности, как пеногасление, эмульгирование, экстракция и обработка отходов. Линн и др. обнаружили, что рыба, подвергшаяся воздействию ультразвука в бассейне, погибла. Дальнейшие исследования выявили биологические эффекты ультразвука, что привело к исследованиям его применения при стерилизации. Ультразвуковая обработка высокой интенсивности оказывает инактивирующее воздействие на микроорганизмы и их споры, одновременно максимально сохраняя качество пищевых продуктов, что представляет собой направление трансформации традиционных методов термической обработки.

Ультразвуковой кавитационный механизм

При распространении ультразвука в жидкой среде образуются мельчайшие пузырьки (кавитационные пузырьки). Под непрерывным ультразвуковым воздействием эти пузырьки накапливают энергию и растут. Когда энергия достигает порога разрыва кавитационного пузыря, кавитационный пузырь лопается, создавая мгновенную высокую температуру (5500 К) и высокое давление (50 МПа), образуя эффект кавитации. Эффект кавитации считается основным эффектом ультразвука.

Существует два разных типа кавитации, каждый из которых имеет разные функции. Одним из типов является стационарная кавитация. Под воздействием ультразвуковой вибрации формируются маленькие пузырьки, которые подвергаются симметричному расширению и инерционному сжатию. Диаметр пузырька увеличивается, и после тысяч циклов его размер колеблется вокруг равновесного размера, не разрушаясь. Эффект кавитации, вызванный вибрацией пузырьков, заставляет близлежащую жидкость вращаться, создавая микролучи; это явление называется ультрамикролучами. Другой тип — переходная кавитация. В условиях большой мощности (амплитуды) существующие в жидкости кавитационные пузырьки зародышей микрогаза вибрируют под действием ультразвука. Во время расширения давление ниже давления паров жидкости, в результате чего пузырек увеличивается в размерах. При сжатии пузырек сжимается, а содержимое разжижается. Из-за увеличенной площади пузырьков содержимое не может полностью раствориться обратно в жидкость; на этом этапе один цикл завершается. В определенном цикле сжатия, когда стенка пузыря резонирует с ультразвуком, это может привести к взрыву пузыря, создавая мгновенную высокую температуру (5500 К) и высокое давление (50 МПа), создавая тем самым чрезвычайно сильные сдвиговые силы и вызывая турбулентность в этом регионе.

Эффект ультразвуковой стерилизации

Исследования показали, что амплитуда, интенсивность, частота, время воздействия и температура обработки ультразвуком влияют на его воздействие на микроорганизмы, но диапазон влияния каждого параметра все еще находится в стадии изучения. Исследования Сулейманзаде и др. показали, что ультразвук высокой амплитуды усиливает разрушение стенок и мембран бактериальных клеток, тем самым увеличивая стерилизующее действие ультразвука на золотистый стафилококк с увеличением амплитуды. Кроме того, они исследовали влияние рабочего цикла ультразвука (отношение времени ультразвука к времени интервала) на эффект стерилизации, показав, что рабочий цикл 7:3 дает лучший эффект стерилизации, поскольку кавитационные пузырьки, создаваемые зондом, могут более эффективно разрушаться, создавая эффект кавитации и достигая наилучшего результата стерилизации. Вязкость, значение pH и тип микроорганизмов также оказывают определенное влияние на стерилизующий эффект ультразвука. Исследования связи между видами микробов и их чувствительностью к ультразвуку ограничены, и существуют различные мнения без единого вывода. Чандрапала и др. считают, что чувствительность микроорганизмов к ультразвуку связана с размером клеток и структурой поверхности; бактерии более чувствительны, чем грибы, анаэробные бактерии более чувствительны, чем аэробные бактерии, а бациллы более чувствительны, чем кокки. Однако исследования Кэмерона и соавт. показали, что бактерицидный эффект ультразвука не связан напрямую с размером и формой бактерий. По сравнению с грамположительными и грамотрицательными бактериями грамположительные бактерии из-за более толстых клеточных стенок и более плотных слоев пептидогликана более устойчивы к воздействию ультразвука, а грамотрицательные бактерии более чувствительны к воздействию ультразвука.

Многие исследования показали, что ультразвук оказывает значительное бактерицидное действие, хотя инактивация разных микроорганизмов в разных системах неодинакова. Одно лишь ультразвуковое лечение не может обеспечить бактерицидную дозу 5 (мкг (КОЕ/мл)). Ультразвук оказывает значительное синергическое бактерицидное действие с другими технологиями (такими как термическая обработка, давление, термическая обработка в сочетании с давлением, УФ, низин и электролизная вода).

Прогресс исследований ультразвука в сочетании с термической обработкой для инактивации спор

Хотя сама по себе ультразвуковая обработка не очень эффективна для инактивации спор, она может значительно снизить устойчивость спор. Следовательно, сочетание его с другими бактерицидными методами может значительно повысить эффективность инактивации спор; например, ультразвук в сочетании с теплом, высоким давлением, бактерицидами и ультрафиолетовой обработкой дают хорошие результаты.

Ханал и др. сравнили влияние ультразвука и комбинированной ультразвуково-тепловой обработки на инактивацию спор *Bacillus cereus*. Их результаты показали, что ультразвук не только значительно снижает устойчивость некоторых спор *Bacillus licheniformis*, вызывая прорастание, но также инактивирует споры. По сравнению с только ультразвуковой обработкой, комбинированная ультразвуково-тепловая обработка значительно увеличивала количество инактивированных спор, что указывает на синергетический эффект ультразвука и термической обработки на инактивацию спор. Исследование Эвелин и др. показало, что инактивация спор *Clostridium perfringens* ультразвуком соответствует кинетической модели первого порядка. После 60 минут обработки при 75 ℃ в сочетании с ультразвуком 24 кГц, 0,33 Вт/г количество спор *Clostridium perfringens* уменьшилось на 1,5 (lg(КОЕ/мл)). На этом этапе кривая инактивации спор не была линейной, но ее можно было хорошо описать моделью Вейбулла. Исследование Фань Лихуа и др. показало, что комбинированное использование ультразвука и термической обработки оказывает синергетический эффект инактивации спор. Одновременно он повреждал различные структуры спор, такие как кора, оболочка спор и внутренняя мембрана спор, что приводило к высвобождению внутриклеточных веществ и, следовательно, к инактивации спор. Споры *Bacillus cereus*, сохраненные после комбинированной ультразвуковой термической обработки, могли нормально прорастать, но их последующий рост был ограничен, и они синтезировали меньше АТФ или вообще не синтезировали его, что указывает на то, что ультразвуковая комбинированная термическая обработка повредила некоторые ключевые метаболические ферменты во время роста после прорастания. Это похоже на механизм инактивации спор влажным теплом. Кроме того, исследования показали, что ультразвуковая комбинированная термическая обработка инактивировала споры *Bacillus cereus* в рисовой каше, говяжьей пасте и сырной пасте в 7, 6 и 4 раза соответственно по сравнению с количеством, инактивированным только термической обработкой. Ультразвуковая помощь сама по себе позволяет значительно снизить интенсивность термической обработки, снизить энергопотребление и сохранить качество продуктов питания.

Ультразвуковая комбинированная технология стерилизации пищевых продуктов позволяет в значительной степени сохранить качество пищевых продуктов и уменьшить разрушение функциональных компонентов, демонстрируя широкие перспективы применения.