超音波技術による細菌芽胞の不活化に関する研究

超音波技術による細菌芽胞の不活化に関する研究

超音波は、20 kHz を超える周波数を持つ音波です。液体媒体中で分子振動を誘発し、破壊的な物理的影響を引き起こす可能性があります。超音波は、環境に優しく、安全で、無公害という特性により、現在、消泡、乳化、抽出、廃棄物処理などの食品加工分野で広く使用されています。リンら。プール内で超音波を受けた魚が死亡したことを発見した。さらなる研究により、超音波の生物学的効果が明らかになり、滅菌への応用の研究につながりました。強力な超音波処理は微生物とその胞子を不活化する効果があり、同時に食品の品質を可能な限り保存し、従来の熱処理方法の変革の方向性を示しています。

超音波キャビテーションの仕組み

超音波が液体媒体中を伝播すると、小さな気泡 (キャビテーション気泡) が形成されます。継続的な超音波作用の下で、これらの泡はエネルギーを蓄積して成長します。エネルギーがキャビテーション気泡破裂閾値に達すると、キャビテーション気泡が破裂し、瞬間的に高温（5500 K）と高圧（50 MPa）が発生し、キャビテーション効果が形成されます。キャビテーション効果は超音波の主な効果と考えられています。

キャビテーションには 2 つの異なるタイプがあり、それぞれ異なる機能を持っています。 1 つのタイプは定常状態のキャビテーションです。超音波振動下では、小さな気泡が形成され、対称的な膨張と慣性圧縮を受けます。気泡の直径は増加し、数千サイクル後、そのサイズは内破することなく平衡サイズの周りで振動します。気泡の振動によって引き起こされるキャビテーション効果により、近くの流体が回転し、マイクロビームが発生します。この現象はウルトラマイクロビームと呼ばれています。もう 1 つのタイプは、一時的なキャビテーションです。高出力（振幅）条件下では、液体中に存在するマイクロガス核キャビテーション気泡が超音波の作用により振動します。膨張中、圧力は流体の蒸気圧よりも低くなり、気泡が大きくなります。圧縮中に気泡が収縮し、内容物が液化します。気泡面積が増加するため、内容物を完全に液化して液体に戻すことができません。この時点で、1 サイクルが完了します。特定の圧縮サイクルにおいて、気泡壁が超音波と共振すると、気泡が崩壊し、瞬間的な高温 (5500 K) と高圧 (50 MPa) が発生し、その結果、非常に強いせん断力が発生し、その領域に乱流が引き起こされます。

超音波殺菌効果

研究により、超音波の振幅、強度、周波数、曝露時間、処理温度のすべてが微生物に対する影響に影響を与えることがわかっていますが、各パラメータの影響範囲はまだ調査中です。 Soleimanzadehらによる研究。らは、高振幅の超音波が細菌の細胞壁と細胞膜の破壊を促進し、したがって振幅が増加するにつれて黄色ブドウ球菌に対する超音波の滅菌効果が増加することを示しました。さらに、超音波デューティサイクル（超音波時間とインターバル時間の比）が滅菌効果に及ぼす影響を調査し、プローブによって生成されたキャビテーション気泡がより効果的に分解され、キャビテーション効果が生じ、最良の滅菌結果が得られるため、デューティサイクル 7:3 が最良の滅菌効果をもたらすことを示しました。粘度、pH値、微生物の種類も超音波の殺菌効果に影響します。微生物種と超音波に対する感受性との関係に関する研究は限られており、統一された結論がないままさまざまな意見が存在します。チャンドラパラら。超音波に対する微生物の感受性は細胞のサイズと表面構造に関連していると考えています。細菌は真菌よりも敏感であり、嫌気性細菌は好気性細菌よりも敏感であり、桿菌は球菌よりも敏感です。しかし、Cameronらによる研究では、超音波の殺菌効果は細菌のサイズや形状に直接関係しないことを示しています。グラム陽性菌とグラム陰性菌を比較すると、グラム陽性菌は細胞壁が厚くペプチドグリカン層が緻密であるため、超音波に対する耐性が高いのに対し、グラム陰性菌は超音波処理に対してより感受性が高くなります。

微生物の不活化はシステムによって異なりますが、超音波には重大な殺菌効果があることが多くの研究で示されています。超音波処理だけでは、5 (1g (CFU/mL)) の殺菌量を達成することはできません。超音波は、他の技術（熱処理、圧力、圧力と組み合わせた熱処理、UV、ナイシン、電解水など）との顕著な相乗殺菌効果をもたらします。

胞子不活化のための熱処理と組み合わせた超音波に関する研究の進歩

超音波処理だけでは胞子を不活化するのにあまり効果的ではありませんが、胞子の抵抗性を大幅に低下させることができます。したがって、他の殺菌方法と組み合わせることで、胞子の不活化効率を大幅に向上させることができます。たとえば、超音波と熱、高圧、殺菌剤、UV 処理の組み合わせはすべて良好な結果を示します。

カナルら。 Bacillusらは、*セレウス菌*胞子の不活化に対する超音波処理と超音波と熱の組み合わせ処理の効果を比較しました。彼らの結果は、超音波が発芽を誘導することによって一部の *Bacillus licheniformis* 胞子の抵抗力を大幅に低下させるだけでなく、胞子を不活化することも示しました。超音波処理単独と比較して、超音波と熱処理を組み合わせた場合、不活化される胞子の量が大幅に増加し、胞子の不活化における超音波と熱処理の相乗効果が示されました。 Evelyn らの研究は、超音波による *Clostridium perfringens* 胞子の不活化が一次反応速度モデルに従っていることを示しました。 24 kHz、0.33 W/g の超音波を組み合わせた 75 ℃での 60 分間の処理後、*Clostridium perfringens* 胞子の数は 1.5 (lg(CFU/mL)) 減少しました。この時点で、胞子不活化曲線は直線的ではありませんでしたが、ワイブル モデルによく適合できました。 Fan Lihuaらの研究では、超音波と熱処理の併用が胞子に対して相乗的な不活化効果をもたらすことを示した。同時に、皮質、胞子外皮、胞子内膜などのさまざまな胞子構造を損傷し、細胞内物質の放出を引き起こし、胞子を不活化します。超音波併用熱処理後に保持された *セレウス菌* の胞子は正常に発芽できましたが、その後の成長は制限され、ATP の合成が少ないかまったく行われませんでした。これは、超音波併用熱処理が発芽後の成長中にいくつかの重要な代謝酵素を損傷したことを示しています。これは、湿熱による胞子の不活化のメカニズムと似ています。さらに、研究では、超音波を組み合わせた加熱処理により、お粥、ビーフペースト、およびチーズペースト中の *セレウス菌* 胞子が、加熱処理のみで不活化された量のそれぞれ 7、6、および 4 倍不活化されたことが示されています。超音波支援により、熱処理のみの強度を大幅に軽減し、エネルギー消費を削減し、食品の品質を維持できます。

食品殺菌のための超音波複合技術は、食品の品質を大幅に維持し、機能性成分の破壊を軽減することができ、幅広い応用の可能性を示しています。