دراسة حول تعطيل الجراثيم البكتيرية بواسطة تقنية الموجات فوق الصوتية

دراسة حول تعطيل الجراثيم البكتيرية بواسطة تقنية الموجات فوق الصوتية

الموجات فوق الصوتية هي موجة صوتية بتردد أكبر من 20 كيلو هرتز. يمكن أن يسبب اهتزازات جزيئية في الوسائط السائلة، مما يؤدي إلى تأثيرات فيزيائية مدمرة. نظرًا لخصائصها الخضراء والآمنة والخالية من التلوث، تُستخدم الموجات فوق الصوتية حاليًا على نطاق واسع في مجالات تجهيز الأغذية مثل إزالة الرغوة والاستحلاب والاستخلاص ومعالجة النفايات. لين وآخرون. اكتشف أن الأسماك التي تعرضت للموجات فوق الصوتية في حوض السباحة ماتت. كشفت المزيد من الأبحاث عن التأثيرات البيولوجية للموجات فوق الصوتية، مما أدى إلى إجراء دراسات حول تطبيقها في التعقيم. العلاج بالموجات فوق الصوتية عالي الكثافة له تأثير معطل على الكائنات الحية الدقيقة وجراثيمها، مع الحفاظ في الوقت نفسه على جودة الغذاء إلى أقصى حد ممكن، وهو ما يمثل اتجاه التحول لطرق المعالجة الحرارية التقليدية.

آلية التجويف بالموجات فوق الصوتية

عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في وسط سائل، تتشكل فقاعات صغيرة (فقاعات التجويف). في ظل عمل الموجات فوق الصوتية المستمر، تتراكم هذه الفقاعات الطاقة وتنمو. عندما تصل الطاقة إلى عتبة تمزق فقاعة التجويف، تنفجر فقاعة التجويف، وتولد درجة حرارة عالية لحظية (5500 كلفن) وضغط مرتفع (50 ميجاباسكال)، مما يشكل تأثير التجويف. يعتبر تأثير التجويف التأثير الرئيسي للموجات فوق الصوتية.

هناك نوعان مختلفان من التجويف، ولكل منهما وظائف مختلفة. نوع واحد هو التجويف الحالة المستقرة. تحت الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية، تتشكل فقاعات صغيرة وتخضع للتمدد المتماثل والضغط بالقصور الذاتي. يزداد قطر الفقاعة، وبعد آلاف الدورات، يتأرجح حجمها حول حجمها المتوازن دون أن تنفجر. يؤدي تأثير التجويف الناتج عن اهتزاز الفقاعة إلى دوران السائل القريب، مما يؤدي إلى توليد أشعة دقيقة؛ وتسمى هذه الظاهرة الحزم فائقة الصغر. النوع الآخر هو التجويف العابر. في ظل ظروف الطاقة العالية (السعة)، تهتز فقاعات تجويف نوى الغاز الصغير الموجودة في السائل تحت تأثير الموجات فوق الصوتية. أثناء التمدد، يكون الضغط أقل من ضغط بخار السائل، مما يؤدي إلى نمو الفقاعة بشكل أكبر. أثناء الضغط، تنقبض الفقاعة، وتسيل المحتويات. نظرًا لزيادة مساحة الفقاعة، لا يمكن تسييل المحتويات بالكامل مرة أخرى إلى السائل؛ عند هذه النقطة، يتم الانتهاء من دورة واحدة. في دورة ضغط معينة، عندما يتردد جدار الفقاعة مع الموجات فوق الصوتية، يمكن أن يتسبب ذلك في انفجار الفقاعة، مما يولد درجة حرارة عالية لحظية (5500 كلفن) وضغطًا مرتفعًا (50 ميجاباسكال)، وبالتالي إنتاج قوى قص قوية للغاية وإحداث اضطراب في المنطقة.

تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية

وقد وجدت الدراسات أن السعة والشدة والتردد ووقت التعرض ودرجة حرارة العلاج بالموجات فوق الصوتية كلها تؤثر على تأثيرها على الكائنات الحية الدقيقة، ولكن نطاق تأثير كل معلمة لا يزال قيد التحقيق. دراسات قام بها سليمان زاده وآخرون. وقد أظهرت أن الموجات فوق الصوتية عالية السعة تعزز تعطيل جدران الخلايا البكتيرية والأغشية، وبالتالي زيادة تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية على المكورات العنقودية الذهبية مع زيادة السعة. علاوة على ذلك، قاموا بدراسة تأثير دورة عمل الموجات فوق الصوتية (نسبة وقت الموجات فوق الصوتية إلى وقت الفاصل الزمني) على تأثير التعقيم، مما يدل على أن دورة العمل البالغة 7: 3 أسفرت عن أفضل تأثير تعقيم، حيث أن فقاعات التجويف الناتجة عن المسبار يمكن أن تتحلل بشكل أكثر فعالية، مما ينتج عنه تأثير تجويف ويحقق أفضل نتيجة تعقيم. اللزوجة، وقيمة الرقم الهيدروجيني، ونوع الكائنات الحية الدقيقة لها أيضًا بعض التأثير على تأثير التعقيم بالموجات فوق الصوتية. الأبحاث حول العلاقة بين الأنواع الميكروبية وحساسيتها للموجات فوق الصوتية محدودة، وتوجد آراء مختلفة دون نتيجة موحدة. شاندرابالا وآخرون. نعتقد أن حساسية الكائنات الحية الدقيقة للموجات فوق الصوتية ترتبط بحجم الخلية وبنية سطحها؛ البكتيريا أكثر حساسية من الفطريات، والبكتيريا اللاهوائية أكثر حساسية من البكتيريا الهوائية، والعصيات أكثر حساسية من المكورات. ومع ذلك، فإن الدراسات التي أجراها كاميرون وآخرون. لقد أظهرت أن تأثير الموجات فوق الصوتية المبيد للجراثيم لا يرتبط بشكل مباشر بحجم البكتيريا وشكلها. مقارنة البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام، فإن البكتيريا إيجابية الجرام، بسبب جدرانها الخلوية السميكة وطبقات الببتيدوغليكان الأكثر كثافة، تكون أكثر مقاومة للموجات فوق الصوتية، في حين أن البكتيريا سالبة الجرام أكثر حساسية للعلاج بالموجات فوق الصوتية.

وقد أظهرت العديد من الدراسات أن الموجات فوق الصوتية لها تأثير مبيد للجراثيم كبير، على الرغم من أن تعطيل الكائنات الحية الدقيقة المختلفة يختلف في أنظمة مختلفة. العلاج بالموجات فوق الصوتية وحده لا يمكن أن يحقق جرعة مبيد للجراثيم قدرها 5 (لجم (CFU / مل)). تتمتع الموجات فوق الصوتية بتأثيرات تآزرية كبيرة للجراثيم مع التقنيات الأخرى (مثل المعالجة الحرارية والضغط والمعالجة الحرارية جنبًا إلى جنب مع الضغط والأشعة فوق البنفسجية والنيسين والماء المحلل كهربائيًا).

التقدم البحثي في ​​مجال الموجات فوق الصوتية مع المعالجة الحرارية لتعطيل الجراثيم

على الرغم من أن العلاج بالموجات فوق الصوتية وحده ليس فعالًا جدًا في تعطيل نشاط الجراثيم، إلا أنه يمكن أن يقلل بشكل كبير من مقاومة الجراثيم. ولذلك، فإن دمجها مع طرق إبادة الجراثيم الأخرى يمكن أن يحسن بشكل كبير من كفاءة تعطيل الجراثيم؛ على سبيل المثال، تظهر الموجات فوق الصوتية مع الحرارة والضغط العالي ومبيدات الجراثيم والعلاج بالأشعة فوق البنفسجية نتائج جيدة.

خانال وآخرون. قارنت تأثيرات الموجات فوق الصوتية والمعالجة الحرارية بالموجات فوق الصوتية مجتمعة على تعطيل جراثيم *Bacillus cereus*. أظهرت النتائج أن الموجات فوق الصوتية لم تقلل بشكل كبير من مقاومة بعض جراثيم *Bacillus licheniformis* عن طريق تحفيز الإنبات فحسب، بل قامت أيضًا بتعطيل الجراثيم. بالمقارنة مع العلاج بالموجات فوق الصوتية وحدها، أدى العلاج الحراري بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة كبيرة في كمية الجراثيم المعطلة، مما يشير إلى وجود تأثير تآزري بين الموجات فوق الصوتية والمعالجة الحرارية على تعطيل الجراثيم. أظهر بحث إيفلين وآخرون أن تعطيل أبواغ *المطثية الحاطمة* بواسطة الموجات فوق الصوتية يتبع نموذجًا حركيًا من الدرجة الأولى. بعد 60 دقيقة من العلاج عند 75 درجة مئوية مع الموجات فوق الصوتية 24 كيلو هرتز و0.33 واط/جرام، انخفض عدد جراثيم *المطثية الحاطمة* بمقدار 1.5 (lg(CFU/mL)). في هذه المرحلة، لم يكن منحنى تعطيل الجراثيم خطيًا، ولكن يمكن تركيبه جيدًا بواسطة نموذج ويبل. أظهر بحث فان ليهوا وآخرون أن الاستخدام المشترك للموجات فوق الصوتية والمعالجة الحرارية كان له تأثير تثبيطي تآزري على الجراثيم. في الوقت نفسه، أدى إلى إتلاف العديد من الهياكل البوغية، مثل القشرة، وطبقة البوغ، والغشاء الداخلي للبوغ، مما أدى إلى إطلاق مواد داخل الخلايا وبالتالي تعطيل نشاط البوغ. يمكن لجراثيم *Bacillus cereus* التي تم الاحتفاظ بها بعد المعالجة الحرارية المجمعة بالموجات فوق الصوتية أن تنبت بشكل طبيعي، لكن نموها اللاحق كان مقيدًا، كما أنها قامت بتصنيع كمية أقل من ATP أو لم يتم تصنيعها على الإطلاق، مما يشير إلى أن المعالجة الحرارية المجمعة بالموجات فوق الصوتية قد أضرت ببعض الإنزيمات الأيضية الرئيسية أثناء نمو ما بعد الإنبات. وهذا مشابه لآلية إبطال مفعول الحرارة الرطبة للجراثيم. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسات أن المعالجة الحرارية المجمعة بالموجات فوق الصوتية عطلت جراثيم *Bacillus cereus* في عصيدة الأرز ومعجون اللحم البقري ومعجون الجبن بمقدار 7 و6 و4 مرات على التوالي، وهي الكمية التي تم تعطيلها عن طريق المعالجة الحرارية وحدها. يمكن للمساعدة بالموجات فوق الصوتية أن تقلل بشكل كبير من شدة المعالجة الحرارية وحدها، وتقلل من استهلاك الطاقة، وتحافظ على جودة الطعام.

يمكن للتكنولوجيا المدمجة بالموجات فوق الصوتية لتعقيم الأغذية أن تحافظ إلى حد كبير على جودة الأغذية وتقلل من تدمير المكونات الوظيفية، مما يظهر آفاق تطبيق واسعة.