مقاله کاربرد اولتراسونیک در غیر فعالسازی و تشخیص میکروارگانیسمها در شیر

بخشی از مقاله

 کاربرد اولتراسونیک در غیر فعالسازي و تشخیص میکروارگانیسمها در شیر

چکیده

هدف از این مطالعه بررسی اثر اولتراسونیک بر کاهش بار میکروبی شیر و نیز کاربرد آن در کنترل کیفی و تشخیص آلودگی شیرهاي بستهبندي شده میباشد. و همچنین براي اثربخشی بیشتر، ترکیب اولتراسونیک با حرارت ، فشار و نور UV توصیه میشود. فناوري اولتراسونیک یکی از روشهاي نوین غیر حرارتی نگهداري مواد غذایی است که امروزه به سرعت توسعه یافته است . اولتراسونیک را میتوان به دو دسته تقسیم کرد: دسته اول اولتراسونیک با قدرت بالا یا اولتراسونیک مکانیکی بوده که از امواج صوت با فرکانس پایین (20-100 KHz) که داراي قدرت تخریبی هستند استفاده میشود. در این روش هدف غیر فعال کردن جمعیت میکروبی براي رسیدن به میزان قابل پذیرش با کمترین آسیب به فراورده میباشد . در طول فرایند سونیکاسیون امواج طولی در حین گذر از محیط مایع با ایجاد مناطق کم فشار و پرفشار و در نتیجه آن پدیده کاویتاسیون حبابهایی را درست کرده که این حبابها بعد از ترکیدن انرژي لازم براي انهدام ساختار سلولی را آزاد میکنند. مزیت این روش نسبت به روش حرارتی در غیر فعالسازي میکروارگانیسمها نبود عوارض جانبی بر طعم ،بافت و رتگ مواد غذایی و از همه مهمتر حفظ ارزش تغذیهاي آنهاست. دسته دوم به عنوان اولتراسونیک تشخیصی شناخته شده و از فرکانسهاي بالا

(2-20 MHz) براي اهدافی همچون آنالیز کیفی مواد غذایی و نیز بازرسیهاي غیر تخریبی استفاده میشود . در شیرهاي بستهبندي شده در اثر رشد میکروارگانیسمها یک سري تغییرات شیمیایی و فیزیکی رخ داده که این امر باعث اختلاف در انتشار امواج صوت میشود. با بررسی این عوامل میتوان به آلودگی شیرهاي بستهبندي شده بدون باز کردن بستهبندي آنها پی برد. که همین امر از مزایاي این فناوري به شمار میرود.

٠

واژههاي کلیدي: اولتراسونیک ،روش غیر حرارتی ، شیر

مقدمه

کیفیت میکروبی شیر خام یک موضوع مهم در شیر و فراوردههاي آن میباشد. در فرایندهاي حرارتی مثل پاستوریزاسیون به دلیل استفاده از دماي بالا براي کنترل رشد میکروبی در شیر، شاهد اثرات جانبی نامطلوبی روي ویژگیهاي حسی و تغذیهاي هستیم. به همین دلیل امروزه براي کاهش این اثرات روشهاي جدید غیر حرارتی مثل میکروفیلتراسیون، پالس الکتریک فیلد، فشار بالا، اولتراسونیکاسیون، ترموسونیکاسیون (گرما و امواج فراصوت)، مانوسونیکاسیون(فشار و امواج فراصوت) و

مانوترموسونیکاسیون( گرما، فشار و امواج فراصوت) توسعه یافتهاند(.(1

نظریههاي مختلفی درباره مکانیسم غیر فعالسازي اولتراسونیک وجود دارد. وقتی که امواج طولی اولتراسوند از یک محیط مایع عبور می کنند، نواحی کم فشار و پرفشاري را ایجاد میشود که در بخش هاي کم فشار، فشار منفی، محیط مایع را شکافته و حفره کوچکی ایجاد می نماید. تشکیل، رشد و انفجار حفره هاي مملو از بخار یا گاز در مایع، کاویتاسیون نامیده میشود. دو نوع کاویتاسیون وجود دارد. کاویتاسیون گذرا و کاویتاسیون پایدار. در کاویتاسیون گذرا یک حباب قبل از متلاشی شدن فقط براي چند سیکل آکوستیک دوام می آورد ولی در کاویتاسیون پایدار، حباب ها براي بیش از 10 و یا حتی 100
سیکل باقی می مانند. متلاشی شدن حباب هاي گذرا هر دو اثر مکانیکی و شیمیایی را در مایع نشان می دهند. از آثار مکانیکی می توان به فشار بالا (1000 atm)، دماي بالا (5000k) و تشکیل امواج شوك آور اشاره کرد که این امواج باعث پارگی دیواره سلولی و تسهیل واکنش هاي سونو شیمیایی می شود. آثار شیمیایی شامل تشکیل یون هاي H+ و OH- و

هیدروژن پراکسید است که این ترکیبات اثر باکتري کشی بالایی دارند. از طرف دیگر حباب هاي پایدار با تشکیل جریانهاي باریکی در کنار حبابها، تنش برشی هیدرودینامیک بالایی را ایجاد کرده که در بسیاري از واکنش هاي مکانیکی کاربرد دارد.

امواج اولتراسونیک همچنین قادر به غیر فعالسازي آنزیمها نیز میباشند. ماکرومولکولها در اثر سونیکاسیون و تنش برشی حاصل از کاویتاسیون دپلیمریزه شده و به دنبال آن آنزیمها فعالیت خود را از دست میدهند.

در حال حاضر اولتراسونیک مکانیکی در 3 حالت میتواند در یک محیط غذایی مایع اعمال شود:

1. فراوري ماده غذایی مایع در دمایی پایینتر از دماي کشنده میکروبی، در صورت استفاده از امواج اولتراسوند به تنهایی ، سونیکاسیون نامیده میشود که در این حالت نرخ مرگ پایین است.
2. وقتی که سونیکاسیون در در دماهاي کشنده میکروبی انجام شود، غیر فعالسازي در نتیجه ترکیبی از اولتراسوند و حرارت (ترموسونیکاسیون) بوده که به خاطر اثرات سینرژیستی قدرت میکروبکشی چند برابر میشود. مثلا غیرفعال سازي لیستریا مونوسیتوژنز با این روش هفت برابر سریعتر از تیمار حرارتی در همان دما میباشد.

3. زمانی که در اولتراسونیک حرارتی از فشار پایین (200-500KPa) استفاده شود، این فرایند مانوترموسونیکاسیون نامیده میشود که سرعت غیر غعالسازي در آن به شدت افزایش مییابد. به عنوان مثال در غیر فعال سازي آنزیم

١

پکتین متیل استراز در گوجه فرنگی افزایش 52/9 برابري نسبت به زمانی که تنها از حرارت استفاده میشود را شاهد هستیم.

آزمایشهاي غیر فعال سازي میکروبی اغلب در فرکانس 20 KHz انجام می شود. مشاهده شده است که اسپورها، سلول هاي کوکسی و گرم مثبت ها نسبت به فرم رویشی، گرم منفی ها و باکتري هاي میله اي شکل مقاوم ترند. کینتیک غیر فعال سازي در دماهاي پایین معمولا به صورت منحنی لگاریتمی بوده در حالیکه در دماهاي بالا که خاصیت کشندگی دارد منحنی به شکل غیر لگاریتمی است. سونیکاسیون حرارتی باعث آسیب فیزیکی شده و موجب چروکیدگی، پارگی و سوراخ در پوشش سلول می شود(.(2

کنترل کیفی مواد غذایی یکی از موضوعات حساس در تولید مواد غذایی است که امروزه باعث حساسیت بیشتر مصرف کنندگان در جوامع در حال توسعه و توسعه یافته شده است. به همین دلیل امروزه فناوريهاي نوین سنجش شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی به سرعت در حال پیشرفت میباشند(.(3

میکروارگانیسمها در حین رشد در یک محیط مایع باعث بروز تغییراتی میشوند که این تغییرات قابل شناسایی توسط اولتراسونیک میباشد. فناوري اولتراسونیک به دلیل داشتن ویژگی غیر تخریبی، امروزه در صنعت غذا با استقبال زیادي روبرو شده است. از مزایاي این فناوري میتوان به کارایی آن در محیطهاي کدر و بی ضرر بودن امواج آن براي انسان اشاره کرد(,3 .(4

هدف از این مطالعه بررسی اثر اولتراسونیک بر کاهش بار میکروبی شیر و نیز کاربرد آن در کنترل کیفی و تشخیص آلودگی شیرهاي بستهبندي شده میباشد.

نتایج و بحث

کاربرد اولتراسونیک در غیر فعال سازي میکرو ارگانیسمها

پژوهشهاي انجام شده حاکی از آن است که اولتراسونیک به تنهایی نمیتواند اثر تخریبی کافی روي میکروارگانیسمها داشته باشد. در یک بررسی مشاهده شده است که اولتراسونیک در دماهاي نزدیک 50˚C نمیتواند باکتريها را در مواد غذایی غیر فعال کند در حالیکه افزایش دما به بالاي 50˚C اثر قابل ملاحظهاي در غیرفعال سازي باکتريها دارد. باکتريهاي گرم منفی در مقایسه با باکتريهاي گرم مثبت به تلفیق اولتراسونیک و حرارت حساسترند. که این ناشی از وجود لایه پپتیدوگلیکان در باکتريهاي گرم مثبت است .(5) این یافته با تحقیقات انجام شده در سال 2012 بر روي دو باکتري اشرشیا کلی به عنوان یک باکتري گرم منفی و استافیلوکوکوس اورئوس به عنوان یک باکتري گرم مثبت مطابقت دارد(.(6

هدف از تلفیق اولتراسونیک وحرارت کاهش دما و زمان فرایند هاي گرمایی است. در غیر فعال سازي باکتريهاي انتروباکتریاسه و نیز باکتريهاي مزوفیل در شیر دامنه امواج ، زمان و دماي فرایند از عوامل تاثیر گذار میباشند. وقتی دامنه امواج زیادتر شود، ناحیهاي که کاویتاسیون در آن رخ داده بیشتر شده و بنابراین در زمان طولانیتر با دماي بالاتر و دامنه

٢

بیشتر، غیر فعالسازي این میکروبها نیز بیشتر میشود. در مورد انتروباکتریاسه ها پیشنهاد میشود از دامنه 120μm، در زمان 12min و دماي 60˚C استفاده شود تا حداکثر میکروبکشی حاصل شود((8 ,7

در صنعت شیر، حضور اشرشیا کلی نشاندهنده آلودگی مدفوعی بوده و به عنوان آلودگی ثانویه در نظر گرفته میشود. در

بررسیهاي انجام شده روي اشرشیاکلی مشاهده میشود که فرایند اولتراسونیک قادر به حذف 100% این باکتري بعد از 10 دقیقه است.. اندیس Dus value در مقدار104 cfu·mL−1باکتري ، 2/3 دقیقه و در مقدار106cfu·mL−1 باکتري،1/7

دقیقه میباشد.(شکل .(9)(1

شکل ١. رگرسیون دادهھا با ضریب اطمینان %۵٩ نشان دھنده اثر اولتراسونیک در 20KHz بر غلظتھای متفاوت اشرشیاکلی در شیر UHT است(٩).

لیستریا مونوسیتوژنز به عنوان یک پاتوژن گرم منفی در نظر گرفته میشود که قادر است در دماي یخچال رشد کند. حذف 99% این باکتري در مفدار 104 cfu·mL−1باکتري با کاهش 2 سیکل لگاریتمی و اندیس 5/1 Dus value دقیقه و حذف 99/4% در مقدار 106cfu·mL−1باکتري با کاهش 2/07 سیکل لگاریتمی و اندیس 4/9 Dus valueدقیقه همراه است(شکل .(2

٣

سودوموناس فلورسنس غالبا در شیر خام وجود دارد و هرچند بعد از پاستوریزاسیون از بین میرود، در اثر آلودگی ثانویه میتواند درشیر پیدا شود. حذف 100% تمام فرم هاي رویشی این باکتري در مقدار 104cfu·mL−1 بعد از 5 دقیقه فراوري با اولتراسونیک مشاهده میشود. که این مقدار برابر با کاهش 3/26 سیکل لگاریتمی بوده و اندیس Dus value در این تلقیح 1/6 دقیقه است. درمقدار 106cfu·mL−1باکتري مدت زمان 6 دقیقه لازم است تا تمام سلولهاي رویشی با 5/64 سیکل لگاریتمی کاهش یابد و اندیس Dus value در این تلقیح 1/6 دقیقه است.

شکل ٢. رگرسیون دادهھا( ضریب اطمینان %۵٩) نشاندھنده اثر اولتراسونیک در20KHz بر روی لیستریا مونوسیتوژنز و سودوموناس فلورسانس در غلظتھای مختلف در شیر(9) UHT

در بررسی هاي انجام شده روي دو باکتري اشرشیا کلی و لیستریامونوسیتوژتز، مشاهده میشود که این دو باکتري هنگامی که در فاز لگاریتمی هستند حساسیت بیشتري نسبت به زمانی که در فاز ثابت هستند به امواج اولتراسونیک نشان میدهند(.(10

بعضی از محققین پیشبینی میکنند که با افزایش دما کارایی اولتراسونیک کاهش مییابد. این نظریه میتواند بر این اساس باشد که افزایش حرارت اثر سونیکاسیون را پوشش داده و با افزایش فشار بخار در دماي بالا اثر تخریبی امواج کاهش مییابد که در نتیحه آن حباب هاي تشکیل شده با اینکه از نظر تعداد بیشترند ولی کوچکتر بوده و قدرت تخریبی کمتري دارند. ولی در مورد شیر به نظر میرسد حضور ذرات جامد معلق باعث بهبود شدت کاویتاسیون میشود(.(7

٤