Ultrassom: tecnologia para inativação de microrganismos em produtos lácteos

A crescente busca por produtos alimentícios cada vez menos processados, com características mais próximas ao alimento in natura, com rótulo limpo, que além de naturais e frescos, também não possuam aditivos químicos, tem alavancado a indústria na procura de novas alternativas tecnológicas na elaboração e processamento de alimentos de alta qualidade e seguros do ponto de vista microbiológico.

O processamento térmico é método tradicional quando se fala em inativação de microrganismos em produtos lácteos, como por exemplo, a pasteurização, esterilização, secagem e evaporação. Atualmente, o tratamento UHT (ultra-high temperature), que consiste em uma esterilização que dura poucos segundos, porém em temperatura elevadas (135 a 150°C), é mais utilizado na indústria de laticínios  pois aumenta a vida de prateleira do produto, permitindo sua estocagem em temperatura ambiente. Entretanto, o tratamento UHT como qualquer outra métodos que empregue altas temperaturas, ocasiona modificações sensoriais indesejadas e perdas nutricionais significativas, como desnaturação de proteínas e vitaminas, aumento da viscosidade e sabor residual desagradável no produto, por exemplo.

Para driblar as consequências desses tratamentos, as tecnologias não térmicas têm sido amplamente estudadas. São processos que também realizam a inativação de patógenos, porém não dependem de altas temperaturas. Com isso, além de minimizar ou eliminar os efeitos negativos da aplicação de altas temperaturas no produto, há redução de consumo de energia, custo de produção e aumento da validade comercial.

O processamento por ultrassom é uma das alternativas não convencionais encontradas para o processamento de bebidas lácteas, pois é capaz de operar em níveis mais baixos de temperatura. Estudos têm mostrado que além da eficácia na inativação de microrganismos, esse tratamento aumenta a atividade de compostos bioativos, preserva as características sensoriais e nutricionais e utiliza menos energia em comparação aos métodos convencionais, diminuindo o custo do processo.

O equipamento de ultrassom não foi tradicionalmente projetado para processar alimentos. Os estudos com ultrassom começaram na década 1920 e 1960 após a constatação que as ondas sonoras geradas pelos submarinos utilizados na guerra eram capazes de levar os peixes a morte.  As aplicações em alimentos são divididas de acordo com a frequência das ondas sonoras utilizadas, que podem ser de baixa e alta intensidade. Essas ondas sonoras são classificadas de acordo com a capacidade audível pelo ouvido humano (0 – 20 Hz), o ultrassom corresponde à faixa de ondas acima de 20 kHz de frequência.

O ultrassom de alta intensidade (uai) utiliza ondas de grande amplitude e baixas frequências (20 – 100 kHz), que provocam alterações estruturais nos produtos lácteos, e em suas características microbiológicas e físico-químicas. Sendo este último então um método não convencional mais adequado para processamento nesse tipo de produto. Ele atua na inativação microbiana por cavitação intracelular, onde há aquecimento localizado produzindo radicais livres e micro-streaming, causando também ruptura das estruturas e de componentes celulares, até lise celular.

Contudo é postulado que a  cavitação acústica é o fenômeno ultrassônico responsável pela maior parte das alterações microbiológicas no ultrassom de alta intensidade. Ela é resultado da diferença de pressão quando há aplicação das ondas sonoras provocando a formação e colapso de microbolhas em soluções aquosas que provocam forças de cisalhamento. As ondas provocadas por essas micro-implosões geram uma turbulência local e liberam alta quantidade de energia, aumentando temperatura e pressão e enfraquecendo ou até rompendo as paredes celulares das moléculas, levando então à morte celular.

O ultrassom possui natureza multidimensional: potência sônica, amplitude das ondas, tempo de processamento e volume de produto/solução. Mas a composição do alimento e a temperatura do processamento também influenciam no sucesso do tratamento. A frequência e potência das ondas definem o tamanho das microbolhas. Estudos concluem que bolhas maiores, produzidas em baixa frequência, têm poder de inativação melhor, e que quanto maior a amplitude das ondas sonoras, maior a quantidade de bolhas que sofrem cavitação, ou seja, melhor o poder de inativação microbiana.

Apesar do uso da UAI como uma alternativa, em especial no processo de bebidas, o ultrassom é uma tecnologia emergente e a sua utilização em escala industrial ainda carece de otimização com estudos de eficiência energética e diminuição dos custos de instalação e manutenção, por exemplo. Além disso, a literatura já mostra efeitos significativos quando a UAI é combinada com outras tecnologias não térmicas.

Autores

Adriano G. Cruz: Universidade Federal Fluminense (UFF), Faculdade de Medicina Veterinária

Gabriella A.R. Oliveira: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ), Departamento de Alimentos

Hugo Scudino: Universidade Federal Fluminense (UFF), Faculdade de Medicina Veterinária

Jonas T. Guimarães: Universidade Federal Fluminense (UFF), Faculdade de Medicina Veterinária

Leonardo Emanuel O. Costa: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ), Departamento de Alimentos

Referências

AWUAH, G. B.; RAMASWAMY, H. S.; ECONOMIDES, A. Thermal processing and quality: Principles and overview. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, v. 46, n. 6, p. 584-602,  2007.

BALTHAZAR, C. F.  et al. Ultrasound processing of fresh and frozen semi-skimmed sheep milk and its effects on microbiological and physical-chemical quality. Ultrasonics Sonochemistry, v. 51, p. 241-248, 2019.

BERMÚDEZ-AGUIRRE, D.; MOBBS, T.; BARBOSA-CÁNOVAS, G. V. Ultrasound Applications in Food Processing. In: FENG, H.;BARBOSA-CANOVAS, G., et al (Ed.). Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. New York: Springer 2011.  p.65-105. 

CHANDRAPALA, J.; LEONG, T. Ultrasonic processing for dairy applications: recent advances. Food Engineering Reviews, v. 7, n. 2, p. 143 -158,  2015.

CHOULIARA, E.  et al. Effect of ultrasonication on microbiological, chemical and sensory properties of raw, thermized and pasteurized milk. International Dairy Journal, v. 20, n. 5, p. 307-313,  2010.

FIROUZ, M. S.; FARAHMANDI, A.; HOSSEINPOUR, S. Recent advances in ultrasound application as a novel technique in analysis, processing and quality control of fruits, juices and dairy products industries: A review. Ultrasonics Sonochemistry, v. 57, p. 73-88,  2019.

GUIMARAES, J. T.  et al. Physicochemical changes and microbial inactivation after high-intensity ultrasound processing of prebiotic whey beverage applying different ultrasonic power levels. Ultrasonics Sonochemistry, v. 44, p. 251-260,  2018.

HERNÁNDEZ-HERNÁNDEZ, H. M.; MORENO-VILET, L.; VILLANUEVA-RODRÍGUEZ, S. J. Current status of emerging food processing technologies in Latin America: Novel non-thermal processing. Innovative Food Science & Emerging Technologies, v. 58, p. 102233,  2019.

HUANG, G.  et al. Effects of ultrasound on microbial growth and enzyme activity. Ultrasonics Sonochemistry, v. 37, p. 144-149,  2017.

JAMBRAK, A. R.  et al. Effect of ultrasound treatment on particle size and molecular weight of whey proteins. Journal of Food Engineering, v. 121, p. 15-23, 2014

KENTISH, S.; ASHOKKUMAR, M. The physical and chemical effects of ultrasound. In: FENG, H.;BARBOSA-CANOVAS, G., et al (Ed.). Ultrasound technologies for food and bioprocessing. New York, NY: Springer, 2011. cap. 1, p.1 - 12. 

LEONG, T.; ASHOKKUMAR, M.; KENTISH, S. The fundamentals of power ultrasound - A review. Acoustics Australia, v. 39, p. 43-52,  2011. ISSN 0814-6039

MOHAMMADI, V.; GHASEMI-VARNAMKHASTI, M.; GONZÁLEZ, L. A. Analytical measurements of ultrasound propagation in dairy products: A review. Trends in Food Science & Technology, v. 61, p. 38-48,  2017.