Estudo sobre inativação de esporos bacterianos por tecnologia ultrassônica

Estudo sobre a inativação de esporos bacterianos por tecnologia ultrassônica

O ultrassom é uma onda sonora com frequência superior a 20 kHz. Pode induzir vibrações moleculares em meios líquidos, resultando em efeitos físicos destrutivos. Devido às suas características ecológicas, seguras e livres de poluição, o ultrassom é atualmente amplamente utilizado em áreas de processamento de alimentos, como antiespumante, emulsificação, extração e tratamento de resíduos. Lynn et al. descobriram que peixes expostos ao ultrassom em uma piscina morreram. Outras pesquisas revelaram os efeitos biológicos do ultrassom, levando a estudos sobre sua aplicação na esterilização. O tratamento ultrassônico de alta intensidade tem um efeito inativador sobre os microrganismos e seus esporos, ao mesmo tempo que preserva ao máximo a qualidade dos alimentos, representando uma direção de transformação para os métodos tradicionais de tratamento térmico.

Mecanismo de cavitação ultrassônica

Quando o ultrassom se propaga em meio líquido, formam-se pequenas bolhas (bolhas de cavitação). Sob ação ultrassônica contínua, essas bolhas acumulam energia e crescem. Quando a energia atinge o limite de ruptura da bolha de cavitação, a bolha de cavitação estoura, gerando alta temperatura instantânea (5500 K) e alta pressão (50 MPa), formando o efeito de cavitação. O efeito de cavitação é considerado o principal efeito do ultrassom.

Existem dois tipos diferentes de cavitação, cada um com funções diferentes. Um tipo é a cavitação em estado estacionário. Sob vibração ultrassônica, pequenas bolhas se formam e sofrem expansão simétrica e compressão inercial. O diâmetro da bolha aumenta e, após milhares de ciclos, o seu tamanho oscila em torno do seu tamanho de equilíbrio sem implodir. O efeito de cavitação causado pela vibração da bolha faz com que o fluido próximo gire, gerando microfeixes; esse fenômeno é chamado de ultramicro-feixes. O outro tipo é a cavitação transitória. Sob condições de alta potência (amplitude), as bolhas de cavitação dos núcleos de microgás existentes no líquido vibram sob a ação do ultrassom. Durante a expansão, a pressão é inferior à pressão de vapor do fluido, fazendo com que a bolha cresça. Durante a compressão, a bolha se contrai e o conteúdo se liquefaz. Devido ao aumento da área da bolha, o conteúdo não pode ser completamente liquefeito de volta ao fluido; neste ponto, um ciclo é concluído. Em determinado ciclo de compressão, quando a parede da bolha ressoa com o ultrassom, pode causar a implosão da bolha, gerando alta temperatura (5500 K) e alta pressão (50 MPa) instantâneas, produzindo assim forças de cisalhamento extremamente fortes e induzindo turbulência na região.

Efeito de esterilização ultrassônica

Estudos descobriram que a amplitude, a intensidade, a frequência, o tempo de exposição e a temperatura de tratamento do ultrassom afetam seu efeito sobre os microrganismos, mas a faixa de influência de cada parâmetro ainda está sob investigação. Estudos de Soleimanzadeh et al. demonstraram que o ultrassom de alta amplitude aumenta a ruptura das paredes e membranas celulares bacterianas, aumentando assim o efeito de esterilização do ultrassom em Staphylococcus aureus com amplitude crescente. Além disso, eles investigaram o efeito do ciclo de trabalho do ultrassom (a relação entre o tempo do ultrassom e o tempo de intervalo) no efeito de esterilização, mostrando que um ciclo de trabalho de 7:3 produziu o melhor efeito de esterilização, pois as bolhas de cavitação geradas pela sonda poderiam se quebrar de forma mais eficaz, produzindo um efeito de cavitação e alcançando o melhor resultado de esterilização. A viscosidade, o valor do pH e o tipo de microorganismo também têm alguma influência no efeito de esterilização do ultrassom. A pesquisa sobre a relação entre espécies microbianas e sua sensibilidade ao ultrassom é limitada e existem várias opiniões sem uma conclusão unificada. Chandrapala et al. acreditam que a sensibilidade dos microrganismos ao ultrassom está relacionada ao tamanho das células e à estrutura da superfície; as bactérias são mais sensíveis que os fungos, as bactérias anaeróbias são mais sensíveis que as bactérias aeróbias e os bacilos são mais sensíveis que os cocos. No entanto, estudos de Cameron et al. demonstraram que o efeito bactericida do ultrassom não está diretamente relacionado ao tamanho e forma bacteriana. Comparando bactérias Gram-positivas e Gram-negativas, as bactérias Gram-positivas, devido às suas paredes celulares mais espessas e camadas mais densas de peptidoglicano, são mais resistentes ao ultrassom, enquanto as bactérias Gram-negativas são mais sensíveis ao tratamento por ultrassom.

Muitos estudos demonstraram que o ultrassom tem um efeito bactericida significativo, embora a inativação de diferentes microrganismos varie em diferentes sistemas. O tratamento com ultrassom por si só não pode atingir uma dose bactericida de 5 (lg (UFC/mL)). O ultrassom tem efeitos bactericidas sinérgicos significativos com outras tecnologias (como tratamento térmico, pressão, tratamento térmico combinado com pressão, UV, nisina e água eletrolisada).

Progresso da pesquisa sobre ultrassom combinado com tratamento térmico para inativação de esporos

Embora o tratamento por ultrassom por si só não seja muito eficaz na inativação de esporos, pode reduzir significativamente a resistência dos esporos. Portanto, combiná-lo com outros métodos bactericidas pode melhorar significativamente a eficiência da inativação de esporos; por exemplo, ultrassom combinado com calor, alta pressão, bactericidas e tratamento UV apresentam bons resultados.

Khanal et al. compararam os efeitos do ultrassom e do tratamento combinado de ultrassom e calor na inativação de esporos de *Bacillus cereus*. Seus resultados mostraram que o ultrassom não apenas reduziu significativamente a resistência de alguns esporos do *Bacillus licheniformis* ao induzir a germinação, mas também inativou os esporos. Comparado ao tratamento com ultrassom sozinho, o tratamento combinado com ultrassom e calor aumentou significativamente a quantidade de esporos inativados, indicando um efeito sinérgico entre o ultrassom e o tratamento térmico na inativação dos esporos. A pesquisa de Evelyn et al. mostrou que a inativação de esporos de *Clostridium perfringens* por ultrassom seguiu um modelo cinético de primeira ordem. Após 60 min de tratamento a 75 ℃ combinado com ultrassom de 24 kHz e 0,33 W/g, o número de esporos de *Clostridium perfringens* diminuiu 1,5 (lg(CFU/mL)). Neste ponto, a curva de inativação de esporos não era linear, mas poderia ser bem ajustada pelo modelo Weibull. A pesquisa de Fan Lihua et al. mostrou que o uso combinado de ultrassom e tratamento térmico teve um efeito de inativação sinérgica nos esporos. Simultaneamente, danificou várias estruturas de esporos, como o córtex, o revestimento dos esporos e a membrana interna dos esporos, levando à liberação de substâncias intracelulares e, portanto, à inativação dos esporos. Os esporos de *Bacillus cereus* retidos após o tratamento térmico combinado ultrassônico poderiam germinar normalmente, mas seu crescimento posterior foi restrito e eles sintetizaram menos ou nenhum ATP, indicando que o tratamento térmico combinado ultrassônico danificou algumas enzimas metabólicas importantes durante o crescimento pós-germinação. Isso é semelhante ao mecanismo de inativação dos esporos pelo calor úmido. Além disso, estudos demonstraram que o tratamento térmico combinado ultrassônico inativou esporos de *Bacillus cereus* em mingau de arroz, pasta de carne e pasta de queijo em 7, 6 e 4 vezes, respectivamente, a quantidade inativada apenas pelo tratamento térmico. A assistência ultrassônica pode reduzir significativamente a intensidade do tratamento térmico por si só, reduzir o consumo de energia e manter a qualidade dos alimentos.

A tecnologia combinada ultrassônica para esterilização de alimentos pode manter amplamente a qualidade dos alimentos e reduzir a destruição de componentes funcionais, mostrando amplas perspectivas de aplicação.