Dr hab. Agnieszka Starek-Wójcicka, prof. uczelni
Dr hab. Zbigniew Kobus, prof. uczelni
Ultradźwięki (Ultrasounds, US) to fale dźwiękowe niesłyszalne dla ludzkiego ucha o częstotliwości powyżej 20 kHz. Skutki oddziaływania ultradźwięków na materię możemy podzielić na mechaniczne i chemiczne, a zależą one od użytej częstotliwości. Przy niskich częstotliwościach (20–100 kHz), dominuje efekt mechaniczny spowodowany intensywnymi drganiami i kawitacją. Powstaje stosunkowo mała liczba pęcherzyków kawitacyjnych o relatywnie dużych rozmiarach. Przy średnich częstotliwościach wynoszących 200-500 kHz tworzy się większa liczba pęcherzyków, które zapadają się mniej gwałtownie i dominuje efekt chemiczny, zaś przy wysokich częstotliwościach (>1 MHz) zarówno chemiczne, jak i fizyczne efekty związane z kawitacją są minimalne.
Tabela 1 przedstawia kilka przykładów zastosowań US do intensyfikacji procesów inżynierii chemicznej i spożywczej. Obecnie US są uważane za wschodzącą technologię w przemyśle spożywczym. Oddziaływanie energii akustycznej z żywnością zachodzi poprzez medium płynne. Rzeczywiście, implozja pęcherzyków tworzy niezwykłe warunki dla reakcji chemicznych poprzez mechaniczne rozerwanie otoczki komórkowej i usprawnienie transferu materiału wewnątrz-komórkowego. Należy jednak pamiętać, że na granicy faz ciał stałych i cieczy fala uderzeniowa i mikrostrumienie utworzone przez kawitację mogą przyczynić się do pewnych zmian właściwości produktu spożywczego. Wszystkie efekty US są mikroskopijne, jednak efekty chemicznych i fizycznych reakcji wywołanych kawitacją z żywnością objawiają się także zmianami makroskopowymi.
Mogą one być postrzegane przez konsumenta w kategoriach zmian konsystencji, barwy i smaku. Dlatego też, w celu poprawy właściwości fizykochemicznych produktów żywnościowych, takich jak skład i struktura używa się ultradźwięków o małej mocy (do 5 W/cm2) i średniej częstotliwości (od 100 kHz i powyżej). Ultradźwięki o dużej mocy (powyżej 10 W/cm2) i niskiej częstotliwości (od 20 do 100 kHz), mają bardziej szerokie spektrum zastosowań. Od około dziesięciu lat są one skutecznym narzędziem stosowanym na dużą skalę, ale dopiero niedawno zoptymalizowano konstrukcję aparatów i poprawiono wydajność systemów o działaniu ciągłym [Chemat i Khan, 2011; Gallo i in., 2018]. Generalnie ultradźwięki zaczęto wykorzystywać w operacjach przetwarzania żywności, aby zmniejszyć zapotrzebowania na energię i chemikalia, oferując w ten sposób bardziej przyjazną środowisku alternatywę.
Obecnie można stwierdzić, że w przetwórstwie spożywczym zastosowania US dzielą się na dwie kategorie, a mianowicie zastępujące tradycyjne technologie oraz wspomagające konwencjonalne technologie. W tym ostatnim przypadku ultradźwięki wykorzystywane są do intensyfikacji różnych procesów: sonokrystalizacji, emulgowania, suszenia i zamrażania, modyfikacji właściwości funkcjonalnych, takich jak żelowanie, lepkość oraz inaktywacji drobnoustrojów [Kobus, 2002; Kobus 2007; Alarcon-Rojo i in., 2018; de SouzaPaglarini i in., 2018; Zhu i in., 2018; Khadhraouii in., 2019; Ranjha i in., 2021; Starek i in., 2021].
Możliwość zastosowania ultra -dźwięków w celu dekontaminacji żywności jest szczególnie istotna. Wiąże się ona z dwoma zjawiskami zwanymi kawitacją akustyczną i strumieniowaniem akustycznym. Podczas kawitacji akustycznej powstają fale podłużne, które powodują powstawanie naprzemiennych cykli wysokiego ciśnienia (ściskanie) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie). W cyklu rozprężania w ciekłym medium powstają małe pęcherzyki kawitacyjne ze względu na zmniejszenie lokalnego ciśnienia poniżej ciśnienia pary cieczy. W fazie wysokiego ciśnienia pęcherzyki ulegają kompresji. Kiedy energia dostarczana przez ultradźwięki dopasowuje się do fluktuacji pęcherzyków, stają się one niestabilne i implodują, generując obszary o wysokiej temperaturze (do 5000°C) i wysokim ciśnieniu (do 1000 atmosfer) [Sango i in., 2014]. Zjawisko to obrazuje rysunek 2.
Strumieniowanie akustyczne polega na powstawaniu lokalnych strumieni cieczy w medium poddanym działaniu ultradźwięków. Strumienie te zwiększają współczynnik wymiany ciepła i przyśpieszają nagrzewanie się cieczy dzięki rozpraszaniu energii mechanicznej. Wszystkie te zjawiska przyczyniają się do niszczenia bakterii.
Mięso jest szczególnie niestabilnym, szybko psującym się produktem, a niekiedy źródłem bakterii i ich toksyn, których spożycie prowadzi do wystąpienia zatrucia pokarmowego. Ze względu na to, niezmiernie ważne staje się opracowanie wydajnych i skutecznych technologii utrwalania mięsa i wyrobów pochodzenia zwierzęcego, przy jednoczesnym zachowaniu ich właściwości fizykochemicznych.
Jest to możliwe dzięki zastosowaniu ultradźwięków. W pracy Caraveoi in. [2015] oceniono mikrobiologiczne i fizykochemiczne cechy wołowiny po zastosowaniu US o wysokiej intensywności przez 60 i 90 minut, a następnie przechowywanej w temperaturze 4°C przez 0, 2, 4, 6, 8 i 10 dni. Obróbka ultradźwiękami przez 90 minut spowodowała redukcję bakterii z grupy coli i psychrofilnych, w stosunku do próby kontrolnej. Próbki traktowane US, w porównaniu z kontrolnymi charakteryzowały się nieco wyższym pH i mniejszą jasnością barwy.
Valenzuela i in. [2021] badali wpływ ultradźwięków o wysokiej intensywności (11 W/cm2) na właściwości fizykochemiczne i trwałość mięsa wołowego Semitendinosus podczas przechowywania przez 0, 3, 6 i 9 dni w temperaturze 4°C. US obniżyły pH i ogólną różnicę barwy w czasie przechowywania (z 5,99 do 1,43 ΔΕ) w porównaniu z wołowiną niepoddaną działaniu ultradźwięków. Autorzy pracy nie zaobserwowali różnicy w zdolności zatrzymywania wody przez mięso poddane sonikacji w porównaniu z kontrolą. Co bardzo ważne, zmniejszyła się także liczba bakterii mezofilnych, psychrofilnych, Staphylococcus spp. oraz coli. Sonikacja okazała się technologią, którą można skutecznie wykorzystać do wydłużenia okresu przydatności wołowiny do spożycia.
Mięso wołowe (longissimus dorsi) było również przedmiotem badań Peña-Gonzáleza i in. [2017], którzy poddali je działaniu ultradźwięków o wysokiej intensywności (40 kHz, 11 W/cm2) przez 60 minut. Próbki kontrolne i traktowane US przechowywano w temperaturze 4°C i oceniano po 0, 7 i 14 dniach. Po 14 dniach przechowywania zaobserwowano, iż zastosowana technika obróbki nieznacznie przyspieszyła utlenianie lipidów mięsa. Natomiast wytrzymałość mięsa na ścinanie zmniejszyła się, stąd produkt poddany obróbce US był postrzegany jako bardziej delikatny i soczysty.
Pozytywne skutki zastosowania omawianej techniki zostały również potwierdzone w naukowej pracy [Pinon i in., 2018], dotyczącej oceny wpływu ultradźwięków na mikroflorę mięsa kurcząt. Zadano następujące parametry częstotliwości i natężenia ultradźwięków: 20 kHz i 27,6 W/cm2; 40 kHz i 10,3 W/cm2; 850 kHz i 24,1 W/cm2. Zliczania drobnoustrojów dokonano przed obróbką ultradźwiękami, bezpośrednio po oraz po 7 dniach przechowywania w warunkach tlenowych w temperaturze 4°C. Wyniki wskazują, że US o wysokiej intensywności pomagają hamować wzrost bakterii kwasu mlekowego, mezofilnych i psychrofilnych obecnych w mięsie kurczaka przy poziomach natężenia ultradźwięków stosowanych w badaniu. Podsumowując, tego typu obróbka może być przydatna w utrwalaniu produktów mięsnych, a tym samym odgrywać ważną rolę w przemyśle spożywczym. Wyniki badań przeprowadzonych przez Stasiaka i in. [2007] potwierdzają możliwość obniżenia zanieczyszczenia powierzchni skóry tuszek kurcząt brojlerów metodą sonikacji ultradźwiękami o niskiej częstotliwości (40 kHz) i średnim natężeniu (około 2 W/cm2) trwającej 6 minut, prowadzonej w 1% roztworze kwasu mlekowego.
Ultradźwięki zostały również wykorzystane do przyspieszenia procesu utrwalania parówek w obniżonej temperaturze. Produkty były obrabiane w łaźni ultradźwiękowej (25 kHz, 200 W) przez 10,53 minuty w 74°C z (US) i bez ultradźwięków (WUS). Materiał badawczy poddano również konwencjonalnej pasteryzacji (CT, łaźnia wodna w 82°C, 16 minut do osiągnięcia 73°C wewnątrz kiełbasek). Temperatura wewnątrz wyrobów poddanych US była o 3,9°C wyższa w porównaniu z WUS. Próbki przechowywano przez 60 dni, oceniając parametry fizykochemiczne i mikrobiologiczne. Traktowanie parówek US zahamowało wzrost bakterii psychotrofowych i bakterii kwasu mlekowego oraz ograniczyło proces jełczenia oksydacyjnego w mięsie. Naukowcy zaobserwowali niewielkie zmiany pH i tekstury podczas przechowywania wyrobów [Cichoski i in., 2015].
Badania naukowe wskazują na szerokie spektrum działania ultradźwięków (intensywność 15,6 W/cm2; 5 minut) połączonych z marynowaniem alginianem potasu (PA). Próbki mięsa poddane obróbce kombinowanej (UPA) charakteryzowały się lepszą zdolnością do zatrzymywania wody i zwiększoną kruchością. Ten rodzaj obróbki (UPA) może być obiecującą technologią umożliwiającą tenderyzację starego mięsa z piersi kurczaka [Shi i in., 2020]. Pozytywne efekty badań Shi i in. [2021] zostały rozszerzone, a następnie potwierdzone i opisane w publikacji wydanej rok później, pt. „Effects of the structure and gel properties of myofibrillar protein on chicken breast quality treated with ultrasound-assisted potassium alginate”.
Bardzo interesujące są również obserwacje Gambuteanuai Alex’a [2015], dotyczące analizy jakości wieprzowiny rozmrażanej za pomocą ultradźwięków o niskiej intensywności w porównaniu z mięsem rozmrażanym konwencjonalnie w powietrzu w temperaturze pokojowej (kontrola) lub przez zanurzenie w wodzie. Rozmrażanie wieprzowiny odbywało się za pomocą generatora o stałej częstotliwości, z regulacją natężenia ultradźwięków. Zastosowane parametry procesu – częstotliwość 25 kHz i intensywność 0,6 W/cm2 pozwoliły skrócić o 87% czas potrzebny do rozmrażania z -5°C do -1°C w porównaniu do rozmrażania w powietrzu. Przy intensywności 0,2, 0,4 i 0,6 W/cm2 szybkości rozmrażania wynosiły odpowiednio 0,62, 0,73, 1°C/min., w porównaniu z 0,16°C/min. w przypadku próby kontrolnej. Właściwości teksturalne ultradźwiękowo rozmrożonego mięsa nie różniły się od wyrobu kontrolnego. Nie stwierdzono również ubytku masy mięsa po obróbce US.
Peptydy pochodzące z żywności mogą znaleźć zastosowanie w produkcji żywności funkcjonalnej oraz nutraceutyków wspomagających profilaktykę niektórych dietozależnych chorób cywilizacyjnych. Kęska i Stadnik [2020] podjęły nowy kierunek badań, w którym sonikację połączyły z marynowaniem mięsa kwaśną serwatką w celu zwiększenia aktywności składników biologicznie czynnych. Autorki wykazały, że zastosowane zabiegi technologiczne wpływały na aktywność biologiczną peptydów, w szczególności antyoksydacyjną polędwiczek wieprzowych. Obserwowane trendy nie były jednak jednoznaczne i zależały od okresu przechowywania wyrobów.
W kolejnej pracy Kęska i in. [2020] zaobserwowali, że maceracja w kwaśnym mleku z równoczesną obróbką ultradźwiękami jako początkowy etap produkcji steku wołowego sous-vide generuje powstawanie peptydów o właściwościach przeciwutleniających. Co więcej, tworzenie peptydów można dodatkowo wzmocnić poprzez dodanie mniszka lekarskiego.
Zagrożenia dotyczące chorób przenoszonych przez żywność uwydatniły potrzebę wytwarzania produktów spożywczych o jak najwyższej klasie bezpieczeństwa. Chociaż tradycyjne technologie utrwalania są odpowiednie do produkcji bezpiecznych pod względem mikrobiologicznym wyrobów, nowe nawyki konsumenckie wymagają poszukiwania żywności o maksymalnej ilości składników prozdrowotnych oraz wolnej od pozostałości chemicznych. Obecnie prowadzone badania naukowe skupiają się na ocenie i rozwoju nietermicznych technologii, przyjaznych dla środowiska z perspektywy zrównoważonego rozwoju. Ultradźwięki posiadają wysoki potencjał w tym zakresie, niemniej jednak często użyte jako samodzielna technologia nie wystarczają do odpowiedniego stopnia utrwalenia mięsa czy produktów z niego wytworzonych, stąd też, naukowcy stosują obróbki kombinowane. Podobnie jak w przypadku innych, innowacyjnych technik przetwarzania, US nie są metodami standardowymi. Dlatego, ocena skuteczności działania ultradźwięków musi zostać przeprowadzona przy każdorazowej zmianie rodzaju utrwalanego surowca. Wdrożenie technologii bazujących na ultradźwiękach na skalę przemysłową umożliwiłoby małym i średnim przedsiębiorstwom zwiększenie swojej konkurencyjności i rozwijanie nowych modeli biznesowych.
Literatura
Alarcon-Rojo, A. D., Peña-González, E., García-Galicia, I., Carrillo-López, L., Huerta-Jiménez, M., Reyes-Villagrana, R., &Janacua-Vidales, H. (2018). Ultrasound application to improve meat quality. Descriptive Food Science, 153-172.
Caraveo, O., Alarcon‐Rojo, A. D., Renteria, A., Santellano, E., &Paniwnyk, L. (2015). Physicochemical and microbiological characteristics of beef treated with high-intensity ultrasound and stored at 4°C. Journal of the Science of Food and Agriculture, 95(12), 2487-2493.
Chemat, F., & Khan, M. K. (2011). Applications of ultrasound in food technology: processing, preservation and extraction. Ultrasonics sonochemistry, 18(4), 813-835.
Cichoski, A. J., Rampelotto, C., Silva, M. S., de Moura, H. C., Terra, N. N., Wagner, R., … &Barin, J. S. (2015). Ultrasound-assisted post-packaging pasteurization of sausages. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 30, 132-137.
de Souza Paglarini, C., Martini, S., &Pollonio, M. A. R. (2019). Using emulsion gels made with sonicated soy protein isolate dispersions to replace fat in frankfurters. LWT, 99, 453-459.
Gallo, M., Ferrara, L., &Naviglio, D. (2018). Application of ultrasound in food science and technology: A perspective. Foods, 7(10), 164.
Gambuteanu, C., &Alexe, P. (2015). Comparison of thawing assisted by low-intensity ultrasound on technological properties of pork Longissimus dorsi muscle. Journal of food science and technology, 52(4), 2130-2138.
Kęska, P., & Stadnik, J. (2020). Combined effect of sonication and acid whey on antioxidant and angiotensin-converting enzyme inhibitory activities of peptides obtained from dry-cured pork loin. Applied Sciences, 10(13), 4521.
Kęska, P., Wójciak, K. M., &Stasiak, D. M. (2020). Influence of Sonication and Taraxacum Officinale Addition on the Antioxidant and Anti-ACE Activity of Protein Extracts from Sous Vide Beef Marinated with Sour Milk and after In Vitro Digestion. Molecules, 25(20), 4692.
Khadhraoui, B., Fabiano-Tixier, A. S., Robinet, P., Imbert, R., &Chemat, F. (2019). Ultrasound technology for food processing, preservation, and extraction. In Green Food Processing Techniques (pp. 23-56). Academic Press.
Kobus, Z. (2002). Wpływ wstępnej obróbki ultradźwiękowej na lepkość miazgi jabłkowej. Inżynieria Rolnicza, 6, 119-124.
Kobus, Z. (2007). Energetyczne aspekty sonifikacji suszu z marchwi. Inżynieria Rolnicza, 11, 213-222.
Peña-González, E. M., Alarcón-Rojo, A. D., Rentería, A., García, I., Santellano, E., Quintero, A., & Luna, L. (2017). Quality and sensory profile of ultrasound-treated beef. Italian Journal of Food Science, 29(3), 463-475.
Pinon, M., Alarcon-Rojo, A., Paniwnyk, L., Mason, T., Luna, L., & Renteria, A. (2018). Ultrasound for improving the preservation of chicken meat. Food Science and Technology, 39, 129-135.
Ranjha, M. M. A., Irfan, S., Lorenzo, J. M., Shafique, B., Kanwal, R., Pateiro, M., … &Aadil, R. M. (2021). Sonication, a potential technique for extraction of phytoconstituents: a systematic review. Processes, 9(8), 1406.
Sango, D., Abela, D., McElhatton, A., &Valdramidis, V. P. (2014). Assisted ultrasound applications for the production of safe foods. Journal of Applied Microbiology, 116(5), 1067-1083.
Shi, H., Zhang, X., Chen, X., Fang, R., Zou, Y., Wang, D., & Xu, W. (2020). How ultrasound combined with potassium alginate marination tenderizes old chicken breast meat: Possible mechanisms from tissue to protein. Food Chemistry, 328, 127144.
Shi, H., Zhou, T., Wang, X., Zou, Y., Wang, D., & Xu, W. (2021). Effects of the structure and gel properties of myofibrillar protein on chicken breast quality treated with ultrasound-assisted potassium alginate. Food Chemistry, 358, 129873.
Starek, A., Kobus, Z., Sagan, A., Chudzik, B., Pawłat, J., Kwiatkowski, M., … & Andrejko, D. (2021). Influence of ultrasound on selected microorganisms, chemical and structural changes in fresh tomato juice. ScientificReports, 11(1), 1-12.
Stasiak, D. M., Dolatowski, Z. J., & Kordowska-Wiater, M. O. N. I. K. A. (2007). Ogólna liczba drobnoustrojów oraz Salmonelli na powierzchni skóry tuszek kurcząt brojlerów po sonikacji. Medycyna Weterynaryjna, 63(10), 1230-1233.
Valenzuela, C., Garcia-Galicia, I. A., Paniwnyk, L., &Alarcon‐Rojo, A. D. (2021). Physicochemical characteristics and shelf life of beef treated with high‐intensity ultrasound. Journal of Food Processing and Preservation, 45(4), e15350.
Zhu, Z., Zhu, W., Yi, J., Liu, N., Cao, Y., Lu, J., … & McClements, D. J. (2018). Effects of sonication on the physicochemical and functional properties of walnut protein isolate. Food Research International, 106, 853-861.
