Milk preservation by ultrasound technology: Thermosonication and thermal inactivation of Staphylococcus aureus

Mestrado em Engenharia Alimentar / Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa

Milk, while being a very nutritive liquid, is also extremely perishable. In addition, if not properly preserved, milk can endanger consumer’s health due to the potential growth of pathogenic microorganisms that might be present. Heat is the most common method used by the dairy industry for microbial inactivation and milk pasteurization. However, thermal treatments have negative effects on milk nutrients and structure, which are important for human nutrition and to produce other dairy products. Therefore, non-thermal technologies are being developed and studied for the inactivation of microorganisms. Ultrasound utilizes soundwaves that are above the hearing range for humans. When acoustic waves pass through a liquid, food cavitation occurs, with lethal effects on microorganisms. Ultrasound can be combined with heat (thermosonication, TS) for more efficient microbial inactivation. The main objective of this study was to evaluate the efficacy of thermosonication treatments for Staphylococcus aureus pathogen inactivation in whole milk. Thermal inactivation alone was also assessed. The thermal and TS inactivation kinetics were modeled, and thermal resistance parameters were determined. TS treatments using 10 W/mL and isothermal temperatures (58 ºC, 63 ºC, and 66 ºC) were carried out. Exclusively thermal inactivation was investigated for 58 ºC, 63 ºC, 66 ºC, and 72 ºC. Thermosonication demonstrated a significant advantage over conventional thermal inactivation for all tested temperatures. Ultrasound at 58 ºC was much more efficient for S. aureus inactivation, reducing the D-value from 27.93 ± 1.73 to 1.99 ± 0.07 minutes. Reductions in the D-values of much lower magnitude were observed at higher temperatures: at 63 ºC, the D-value decreased from 2.12 ± 0.15 to 1.20 ± 0.07 minutes, and at 66 ºC, it dropped from 1.02 ± 0.06 to 0.14 ± 0.02 minutes. Ultrasound is a promising technology to speed up microbial inactivation and reduce temperatures or times required for milk pasteurization.

O leite é um alimento rico em nutrientes, extremamente perecível. A pasteurização do leite cru evita o crescimento de microrganismos de alteração e patogénicos, sendo o calor o método convencional mais utilizado na indústria dos lacticínios para a sua conservação e segurança. Os tratamentos térmicos afetam negativamente os nutrientes e a estrutura do leite. Neste contexto, é pertinente investigar a aplicação de tecnologias não térmicas de pasteurização. Os ultrassons utilizam ondas sonoras acima do alcance auditivo do ser humano. As ondas acústicas quando atravessam um alimento líquido geram a cavitação, que provoca danos letais nos microrganismos. Os ultrassons podem ser combinados com calor (TS, termossonicação) para uma inativação microbiana mais eficiente. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a eficácia da TS na inativação do microrganismo patogénico Staphylococcus aureus no leite. A inativação exclusivamente térmica foi também avaliada. As cinéticas de inativação por TS e inativação térmica foram modeladas e os parâmetros de resistência térmica foram determinados. Os tratamentos TS, com uma densidade de potência acústica de 10 W/mL, foram combinados com temperaturas de 58 ºC, 63 ºC e 66 ºC, enquanto a inativação exclusivamente térmica foi investigada para 58 ºC, 63 ºC, 66 ºC e 72 ºC. A TS demonstrou uma vantagem significativa sobre a inativação térmica convencional para todas as temperaturas testadas. Ultrassons a 58 ºC foi mais eficiente na inativação de S. aureus, reduzindo o valor D de 27,93 ± 1,73 para 1,99 ± 0,07 minutos. A temperaturas mais elevadas foram registadas reduções no valor D de menor magnitude: de 2,12 ± 0,15 para 1,20 ± 0,07 minutos (a 63 ºC), e de 1,02 ± 0,06 para 0,14 ± 0,02 minutos (a 66 ºC). Os resultados demonstram que os ultrassons são uma tecnologia promissora para acelerar a inativação de microrganismos e reduzir temperaturas e tempos da pasteurização.

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