Estudio sobre inactivación de esporas bacterianas mediante tecnología ultrasónica

Estudio sobre la inactivación de esporas bacterianas mediante tecnología ultrasónica

El ultrasonido es una onda sonora con una frecuencia superior a 20 kHz. Puede inducir vibraciones moleculares en medios líquidos, lo que produce efectos físicos destructivos. Debido a sus características ecológicas, seguras y libres de contaminación, el ultrasonido se usa actualmente ampliamente en campos de procesamiento de alimentos, como desespumado, emulsificación, extracción y tratamiento de residuos. Lynn y col. Descubrieron que los peces expuestos a ultrasonidos en una piscina morían. Investigaciones posteriores revelaron los efectos biológicos del ultrasonido, lo que llevó a estudios sobre su aplicación en la esterilización. El tratamiento ultrasónico de alta intensidad tiene un efecto inactivante sobre los microorganismos y sus esporas, al mismo tiempo que preserva la calidad de los alimentos en la mayor medida posible, lo que representa una dirección de transformación para los métodos tradicionales de tratamiento térmico.

Mecanismo de cavitación ultrasónica

Cuando los ultrasonidos se propagan en un medio líquido, se forman pequeñas burbujas (burbujas de cavitación). Bajo la acción ultrasónica continua, estas burbujas acumulan energía y crecen. Cuando la energía alcanza el umbral de ruptura de la burbuja de cavitación, la burbuja de cavitación estalla, generando alta temperatura instantánea (5500 K) y alta presión (50 MPa), formando el efecto de cavitación. El efecto de cavitación se considera el principal efecto de los ultrasonidos.

Hay dos tipos diferentes de cavitación, cada uno con funciones diferentes. Un tipo es la cavitación en estado estacionario. Bajo vibración ultrasónica, se forman pequeñas burbujas que sufren expansión simétrica y compresión inercial. El diámetro de la burbuja aumenta y, después de miles de ciclos, su tamaño oscila alrededor de su tamaño de equilibrio sin implosionar. El efecto de cavitación provocado por la vibración de la burbuja hace que el fluido cercano gire generando microhaces; este fenómeno se llama ultramicrorayos. El otro tipo es la cavitación transitoria. En condiciones de alta potencia (amplitud), las burbujas de cavitación de los núcleos de microgas existentes en el líquido vibran bajo la acción del ultrasonido. Durante la expansión, la presión es menor que la presión de vapor del fluido, lo que hace que la burbuja crezca. Durante la compresión, la burbuja se contrae y el contenido se licua. Debido al aumento del área de las burbujas, el contenido no puede volver a licuarse completamente en el líquido; en este punto, se completa un ciclo. En un determinado ciclo de compresión, cuando la pared de la burbuja resuena con el ultrasonido, puede hacer que la burbuja implosione, generando alta temperatura instantánea (5500 K) y alta presión (50 MPa), produciendo así fuerzas de corte extremadamente fuertes e induciendo turbulencia en la región.

Efecto de esterilización ultrasónica

Los estudios han encontrado que la amplitud, la intensidad, la frecuencia, el tiempo de exposición y la temperatura de tratamiento del ultrasonido afectan su efecto sobre los microorganismos, pero el rango de influencia de cada parámetro aún está bajo investigación. Los estudios de Soleimanzadeh et al. han demostrado que la ecografía de alta amplitud mejora la alteración de las paredes y membranas celulares bacterianas, aumentando así el efecto de esterilización de la ecografía en Staphylococcus aureus con una amplitud cada vez mayor. Además, investigaron el efecto del ciclo de trabajo del ultrasonido (la relación entre el tiempo del ultrasonido y el tiempo del intervalo) sobre el efecto de esterilización, demostrando que un ciclo de trabajo de 7:3 produjo el mejor efecto de esterilización, ya que las burbujas de cavitación generadas por la sonda podían descomponerse de manera más efectiva, produciendo un efecto de cavitación y logrando el mejor resultado de esterilización. La viscosidad, el valor del pH y el tipo de microorganismos también tienen cierta influencia en el efecto de esterilización del ultrasonido. La investigación sobre la relación entre las especies microbianas y su sensibilidad al ultrasonido es limitada y existen diversas opiniones sin una conclusión unificada. Chandrapala et al. creen que la sensibilidad de los microorganismos al ultrasonido está relacionada con el tamaño celular y la estructura de la superficie; las bacterias son más sensibles que los hongos, las bacterias anaeróbicas son más sensibles que las bacterias aeróbicas y los bacilos son más sensibles que los cocos. Sin embargo, los estudios de Cameron et al. han demostrado que el efecto bactericida del ultrasonido no está directamente relacionado con el tamaño y la forma de las bacterias. Al comparar las bacterias Gram positivas y Gram negativas, las bacterias Gram positivas, debido a sus paredes celulares más gruesas y capas de peptidoglicano más densas, son más resistentes al ultrasonido, mientras que las bacterias Gram negativas son más sensibles al tratamiento con ultrasonido.

Muchos estudios han demostrado que el ultrasonido tiene un efecto bactericida significativo, aunque la inactivación de diferentes microorganismos varía en diferentes sistemas. El tratamiento con ultrasonido por sí solo no puede alcanzar una dosis bactericida de 5 (lg (UFC/mL)). El ultrasonido tiene importantes efectos bactericidas sinérgicos con otras tecnologías (como el tratamiento térmico, la presión, el tratamiento térmico combinado con presión, los rayos UV, la nisina y el agua electrolizada).

Avances de la investigación sobre ultrasonido combinado con tratamiento térmico para la inactivación de esporas

Aunque el tratamiento con ultrasonido por sí solo no es muy eficaz para inactivar las esporas, puede reducir significativamente la resistencia de las esporas. Por tanto, combinarlo con otros métodos bactericidas puede mejorar significativamente la eficiencia de inactivación de las esporas; por ejemplo, el ultrasonido combinado con calor, alta presión, bactericidas y tratamiento UV muestran buenos resultados.

Khanal et al. compararon los efectos del ultrasonido y el tratamiento combinado con ultrasonido y calor sobre la inactivación de las esporas de *Bacillus cereus*. Sus resultados mostraron que el ultrasonido no sólo redujo significativamente la resistencia de algunas esporas de *Bacillus licheniformis* al inducir la germinación, sino que también las inactivó. En comparación con el tratamiento con ultrasonido solo, el tratamiento combinado con ultrasonido y calor aumentó significativamente la cantidad de esporas inactivadas, lo que indica un efecto sinérgico entre el ultrasonido y el tratamiento térmico sobre la inactivación de las esporas. La investigación de Evelyn et al. demostró que la inactivación de las esporas de *Clostridium perfringens* mediante ultrasonidos seguía un modelo cinético de primer orden. Después de 60 minutos de tratamiento a 75 ℃ combinado con ultrasonido de 24 kHz, 0,33 W/g, el número de esporas de *Clostridium perfringens* disminuyó en 1,5 (lg(UFC/mL)). En este punto, la curva de inactivación de esporas no era lineal, pero el modelo de Weibull podría ajustarla bien. La investigación de Fan Lihua et al. demostró que el uso combinado de ultrasonido y tratamiento térmico tenía un efecto de inactivación sinérgico sobre las esporas. Al mismo tiempo, dañó varias estructuras de las esporas, como la corteza, la cubierta de las esporas y la membrana interna de las esporas, lo que provocó la liberación de sustancias intracelulares y, por tanto, la inactivación de las esporas. Las esporas de *Bacillus cereus* retenidas después del tratamiento térmico combinado con ultrasonidos pudieron germinar normalmente, pero su crecimiento posterior fue restringido y sintetizaron menos o nada de ATP, lo que indica que el tratamiento térmico combinado con ultrasonidos dañó algunas enzimas metabólicas clave durante el crecimiento posterior a la germinación. Esto es similar al mecanismo de inactivación de las esporas por calor húmedo. Además, los estudios han demostrado que el tratamiento térmico combinado con ultrasonidos inactivó las esporas de *Bacillus cereus* en gachas de arroz, pasta de carne y pasta de queso en 7, 6 y 4 veces, respectivamente, la cantidad inactivada por el tratamiento térmico solo. La asistencia ultrasónica puede reducir significativamente la intensidad del tratamiento térmico por sí sola, reducir el consumo de energía y mantener la calidad de los alimentos.

La tecnología combinada ultrasónica para la esterilización de alimentos puede mantener en gran medida la calidad de los alimentos y reducir la destrucción de componentes funcionales, lo que muestra amplias perspectivas de aplicación.