Подобрена чрез ултразвук ферментация на комбуча

Ултразвуковата обработка подпомага ферментацията в храни, ферментирани с помощта на ултразвук, като комбуча, кимчи и други ферментирали зеленчуци, чрез подобряване на масопреноса, разрушаване на микробните клетки, активиране на ензимите и подобряване на хомогенността, което в крайна сметка води до ускоряване на ферментацията и получаване на продукт с превъзходно качество. Ултразвуковата обработка предизвиква благоприятни промени в биоактивните съединения по време на млечнокиселата ферментация, като увеличава съдържанието на хранителни съединения и фитохимикали.

Комбуча и ферментирали напитки

Комбуча се произвежда чрез ферментация на подсладен чай със „симбиотична култура от бактерии и дрожди“ (SCOBY), наричана също често „майка“ или „чаена гъба“. Разнообразието и съотношението на микробните популации в SCOBY могат да варират значително. Дрождевият компонент обикновено включва Saccharomyces cerevisiae, заедно с други видове от Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces и Kluyveromyces; бактериалният компонент почти винаги включва Komagataeibacter xylinus (по-рано Gluconacetobacter xylinus), който ферментира алкохолите, произведени от дрождите, до оцетна и други киселини, като увеличава киселинността и ограничава съдържанието на етанол.
По подобен начин други ферментирали напитки, като ферментирали плодови и зеленчукови сокове, се инокулират с бактерии и дрожди.
Обработката с ултразвук може да подобри ефективността на ферментацията и качествените характеристики на ферментиралата напитка, включително съдържанието на хранителни вещества и вкуса.

Интензифицирана чрез ултразвук ферментация на комбуча

Добре известно е, че ултразвуковите вълни стимулират растежа на бактерии и дрожди. Затова контролирана щадяща ултразвукова обработка на културите за комбуча (SCOBY, известна също като чаена гъба или манджурска гъба) може да подпомогне ферментационния процес и да доведе до по-високи добиви на комбуча за по-кратко време на ферментация.
Стимулираната чрез ултразвук ферментация показва повишена пропускливост на мембраните и съответно увеличен масопренос. Сономеханичната обработка с ултразвукови вълни перфорира клетъчните стени и плазмените мембрани на микроорганизмите (процес, наречен сонопорация). Някои клетки могат дори да бъдат разрушени. Тези разрушени клетки освобождават фактори, стимулиращи растежа, като витамини, нуклеотиди, аминокиселини и ензими, които биха могли да стимулират растежа както на бактерии с непокътнати клетки, така и на бактерии с увредени мембрани.
Ултразвуковата обработка преди ферментацията, както и през лаг-фазата и логаритмичната фаза, показва най-изразени ефекти върху стимулирането на бактериалния растеж.

Ползите от ултразвуковата обработка за ферментацията на комбуча

Как ултразвукът подпомага ферментационния процес и помага за производството на по-добра комбуча, ферментирали зеленчуци, коджи и др.? Ултразвуковата обработка интензифицира ферментацията по няколко начина, които са представени по-долу в контекста на ферментиралата комбуча. Комбуча е ферментирала напитка, която традиционно се приготвя от подсладен чай и симбиотична култура от бактерии и дрожди (SCOBY). Разредените плодови пюрета осигуряват богата на хранителни вещества, вкусна и ароматна основа за производството на комбуча. По-долу ще научите как ултразвуковата обработка подпомага производството на

• Увеличен масопренос: Ултразвуковите вълни създават микроскопични кавитационни мехурчета в течността, което води до образуването на микропотоци, течни струи и турбулентност. Това раздвижване подобрява масопреноса, като увеличава контакта между микроорганизмите, отговорни за ферментацията, и хранителните вещества в средата. В резултат ферментиращите микроорганизми усвояват хранителните вещества по-ефективно, което води до ускоряване на ферментацията.
• Разрушаване на клетките: Ултразвуковите апарати са добре известни със своята ефективност при клетъчен лизис и екстракция. При ферментацията на храни ултразвуковите апарати разрушават микробните клетъчни стени, като освобождават вътреклетъчни ензими и метаболити, които могат допълнително да катализират ферментационните реакции. Това разрушаване засилва освобождаването на вкусово-ароматни съединения, витамини и органични киселини от микробните клетки, като допринася за комплексния вкус и аромат и богатството на хранителни вещества на ферментиралия продукт. В комбуча от облепиха, ферментирала с помощта на ултразвук, може да се измери значително по-висок дял на фенолните съединения. (вж. Dornan et al., 2020)
• Приготвяне на богати на хранителни вещества ферментационни субстрати: Ултразвуковата екстракция помага за приготвянето на ферментационен субстрат, който осигурява много хранителни вещества във форма, достъпна за усвояване от микроорганизмите. Това означава, че в обработените с ултразвук ферментационни субстрати (напр. плодови и зеленчукови пюрета) биоактивни съединения като нишестета и захари се освобождават от вътреклетъчната матрица на растителните клетки. Микроорганизмите могат лесно да се хранят със субстрата, което ускорява и съкращава ферментационния процес. Същото се отнася и за полифенолите, флавоноидите и витамините, които се освобождават от вътреклетъчните матрици и допринасят за общата хранителна стойност на ферментиралите храни или напитки.
• Повишена ензимна активност: Ултразвуковата обработка активира или повишава активността на определени ензими, участващи във ферментационните процеси. Например тя увеличава активността на целулазата и амилазата – ензими, които са от решаващо значение за разграждането на сложните въглехидрати до по-прости захари, които след това се ферментират от микроорганизмите, присъстващи в културата за комбуча.
• Подобрена хомогенност: Тъй като силите, възникващи при ултразвуковата обработка, винаги водят до смесване и разбъркване, ултразвуковата обработка осигурява по-добра хомогенизация на ферментационната смес, което води до равномерно разпределение на хранителните вещества и микроорганизмите в цялата среда. Тази равномерност подпомага постоянната кинетика на ферментацията и производството на висококачествен продукт комбуча с желани органолептични характеристики.

Ултразвуковото стимулиране на микробния растеж е най-ефективно, когато ултразвукът се прилага преди ферментацията или през лаг-фазата и логаритмичната фаза.

Пример от изследване: ултразвуково стимулиране на ферментацията на ябълков сок

Изследване показва, че ултразвуковата обработка през лаг-фазата и логаритмичната фаза при ферментацията на ябълков сок стимулира микробния растеж и интензифицира биотрансформацията на ябълчената киселина в млечна киселина. Например след ултразвукова обработка през лаг-фазата за 0,5 h броят на микроорганизмите и съдържанието на млечна киселина в пробите, обработени с ултразвук при 58,3 W/L, достигат 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL и 133,70 ± 7,39 mg/L, което е значително повече, отколкото в пробите без ултразвукова обработка. Освен това ултразвуковата обработка през лаг-фазата и логаритмичната фаза има комплексно въздействие върху метаболизма на фенолните съединения в ябълките, като хлорогенова киселина, кафеена киселина, procyanidin B2, катехин и галова киселина. Ултразвукът би могъл да повлияе положително върху хидролизата на хлорогеновата киселина до кафеена киселина, трансформацията на procyanidin B2 и декарбоксилирането на галовата киселина. Метаболизмът на органичните киселини и свободните аминокиселини в обработените с ултразвук проби е статистически корелиран с метаболизма на фенолните съединения, което предполага, че ултразвукът може да подпомага образуването на фенолни производни чрез подобряване на микробния метаболизъм на органичните киселини и аминокиселините. (вж. Wang et al., 2021)

Пример от изследване: подобрена чрез ултразвук ферментация на соево мляко

Изследователският екип на Ewe et al. (2012) изследва ефектите на ултразвука върху метаболитната ефективност на щамове лактобацили (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) по време на ферментацията на соево мляко. Наблюдавано е, че ултразвуковата обработка увеличава пропускливостта на клетъчните мембрани на бактериите. Повишената пропускливост на клетъчните мембрани води до подобрено постъпване на хранителни вещества в клетките и последващо стимулиране на растежа (P ≺ 0,05). По-високите амплитуди и по-голямата продължителност на ултразвуковата обработка стимулират растежа на лактобацилите в соевото мляко, като броят на жизнеспособните клетки надвишава 9 log CFU/mL. Специфичните активности на вътреклетъчната и извънклетъчната β-глюкозидаза на лактобацилите също се повишават (P ≺ 0,05) чрез ултразвукова обработка, което води до увеличена биоконверсия на изофлавоните в соевото мляко, особено на генистин и малонилгенистин в генистеин. Резултатите от това изследване показват, че ултразвуковата обработка на клетките на лактобацилите стимулира (P ≺ 0,05) β-глюкозидазната активност на клетките, което подпомага повишената (P ≺ 0,05) биоконверсия на изофлавоновите глюкозиди в биоактивни агликони в соевото мляко. (вж. Ewe et al., 2012)

Сканиращи електронни микрографии на лактобацили без обработка (A) и лактобацили, обработени с ултразвук при 60% амплитуда за 3 min (B). Кръговете показват разрушени клетки и клетки с пори.
(Изследване и изображения: ©Ewe et al., 2012)

Екстракция на хранителни и вкусово-ароматни съединения в комбуча и ферментирали напитки

Ферментиралите напитки от чай, сокове и зеленчуци, напр. ферментирал ябълков сок или сок от черница или комбуча, настойвана с плодове, се подобряват значително по отношение на вкуса, аромата и хранителните вещества чрез ултразвукова обработка. Ултразвуковите вълни разрушават клетъчните структури на растителните материали и освобождават вътреклетъчни съединения като вкусово-ароматни вещества, полифеноли, антиоксиданти и флавоноиди. Същевременно ултразвуковата хомогенизация осигурява равномерно диспергирана и емулгирана напитка, като предотвратява разделянето на фазите и осигурява привлекателен за потребителите външен вид. По-долу можете да видите пример за обработена с ултразвук комбуча от плодове на облепиха без разделяне на фазите в сравнение с необработен вариант.
Прочетете повече за ултразвуковата екстракция на вкусово-ароматни и хранителни вещества!

Пример от изследване: консервирана чрез ултразвук комбуча

Ултразвуковата обработка може да въздейства върху микроорганизмите, като ги стимулира или инактивира. Ултразвуковата обработка влияе и върху ензимите: ултразвукът може да променя характеристиките на ензимите, субстратите и техните реакции. Тези ефекти на нискочестотния ултразвук се използват при преработката на храни като нетермична алтернатива за пастьоризиране на храни и напитки. Ултразвуковата обработка предлага предимството на прецизен контрол върху параметрите на процеса, като амплитуда, време, температура и налягане, което позволява целенасочено инактивиране на микроорганизмите. Инактивирането на микробния товар в комбуча и ферментирали напитки позволява увеличаване на срока на годност и стабилността на продукта. Намаляването на микроорганизмите и ензимите улеснява търговското разпространение поради удължения срок на годност на крайния продукт. Ултразвуковата обработка е нетермичен метод за пастьоризация, който вече се използва при промишлената преработка на храни, например при пастьоризацията на сокове. Особено при по-високи амплитуди ултразвукът инактивира бактерии и дрожди чрез увреждане на клетъчните стени. Това води до забавяне или спиране на микробния растеж. Например Kwaw et al. (2018) изследват ултразвука като стратегия за нетермична пастьоризация на млечнокисело ферментирал сок от черница. Обработеният с ултразвук ферментирал сок от черница има по-високо съдържание на фенолни съединения (1700,07 ± 2,44 μg/mL) от контролата – необработен ферментирал сок от черница. „Сред отделните нетермични обработки ултразвуковата обработка предизвиква значително (p < 0,05) повишаване на фенолните и антиоксидантните свойства на млечнокисело ферментиралия сок от черница в сравнение с обработката с импулсна светлина.“ (Kwaw et al., 2018)
Въпреки че комбуча е напитка, известна със своите живи култури, контролирано намаляване на микроорганизмите може да се използва за удължаване на срока на годност на търговски разпространяваните напитки комбуча.
Обичайната термична пастьоризация убива всички живи дрожди и бактерии, които нормално присъстват в комбуча и са един от основните фактори за благоприятното ѝ въздействие върху здравето. Ултразвуковата пастьоризация е нетермичен метод за консервиране, който може да се използва както за намаляване на броя на микроорганизмите, така и за пълното им елиминиране. Това означава, че търговските производители могат да прилагат ултразвук при по-ниски амплитуди и за по-кратки периоди, за да намалят броя на бактериите и дрождите, без да ги елиминират напълно. Така живите култури все още присъстват в комбуча, макар и в по-малък брой, така че срокът на годност и времето за съхранение се увеличават.

Научно доказани резултати при обработена с ултразвук комбуча

Dornan et al. (2020) изследват ефектите на нискочестотния ултразвук върху комбуча, приготвена с плодове на облепиха, с помощта на ултразвуковия апарат UIP500hdT. Изследователският екип успява да демонстрира множество благоприятни ефекти на ултразвуковата обработка върху приготвянето на плодовете на облепихата и последващата ферментация на комбуча.

Ултразвукова екстракция от плодове на облепиха

За ултразвуковата обработка пресни цели плодове на облепиха (известна също като sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) са пюрирани с блендер Vitamix за 2 min. Добавен е обем dH2O, равен на 30% от първоначалния обем на пюрето, и сместа е разбъркана. Върху 200 mL от разреденото пюре е приложен ултразвук (90 W, 20 kHz, 10 min) с ултразвуковия процесор UIP500hdT (вижте изображението вляво). Времето за обработка е избрано с цел оптимизиране на хранителните вещества и запазване на пробата в състояние, близко до прясното. Резултатите от ултразвуковата екстракция показват значително (P ≺ 0,05) увеличение на добива от екстракцията с 10% от пулпата (от 19,04 ± 0,08 до 20,97 ± 0,29%) и със 7% от семената (от 14,81 ± 0,08 до 15,83 ± 0,28%). Това увеличение на добива на масло подчертава функционалността на ултразвуковата обработка като ефективна и екологична технология за максимално оползотворяване на суровината. Ултразвуковата екстракция от плодове на облепиха води до по-висок добив на масло, по-кратко време за обработка, по-ниско потребление на електроенергия и избягване на опасни разтворители.

Пример от изследване: ултразвукова хомогенизация на комбуча от плодове на облепиха

Обработената с ултразвук комбуча от плодове на облепиха (sanddorne) показва значително подобрена стабилност на продукта. До ден 21 от съхранението обработената с ултразвук плодова комбуча остава хомогенна. Фактът, че не се наблюдава синерезис в обработената с ултразвук плодова комбуча през цялото изследване (21 дни, вижте изображението по-долу), показва, че ултразвукът сам по себе си е ефективна техника за емулгиране, способна да осигури стабилност на продукта и да предотврати разделянето на фазите.

Пюре от облепиха (P) без и с ултразвукова обработка (P+US) на ден 0 и 21.
Изследване и изображение:©Dornan et al., 2020.

Ултразвукова обработка за спиране на ферментацията

Приготвени са четири проби комбуча: K (комбуча), K+US (комбуча + ултразвук), K+S (комбуча + захароза) и K+S+US (комбуча + захароза + ултразвук). Всички проби са приготвени с 200 mL пюре от облепиха (P) или P+US и 12,5 g SCOBY. K се състои от P и SCOBY. K+US се състои от P+US и SCOBY. K+S се състои от P, 15,0 g захароза и SCOBY. K+S+US се състои от P+US, 15,0 g захароза и SCOBY. Всички проби са оставени да ферментират на тъмно място при стайна температура за пет дни. На K+US и K+S+US е приложена втора ултразвукова обработка (90 W, 20 kHz, 10 min), за да се спре ферментацията на ден 5.

Ефекти на ултразвуковото консервиране върху комбуча

При комбуча от облепиха ултразвуковата обработка намалява първоначалния микробен товар с 2,6 log CFU/mL, като по този начин спира ферментационния процес в избран момент, за да предотврати прекомерната ферментация. Освен това контролираното намаляване на микроорганизмите помага за увеличаване на срока на годност и стабилността на крайния продукт, което улеснява търговското разпространение на комбуча.
Прочетете повече за ултразвуковата обработка като метод за нетермична пастьоризация на сокове!

Общи резултати при обработена с ултразвук комбуча

Ултразвуковата обработка намалява първоначалния микробен товар с 2,6 log CFU/mL, увеличава стойността на ORAC с 3% и увеличава индекса на разтворимост във вода (WSI) с 40% (от 6,64 до 9,29 g/g) без синерезис. Резултатите от това изследване предполагат, че прилагането на ултразвукова обработка може да подобри функционалността на фенолните съединения по време на ферментацията и е способно да осигури намаляване на синерезиса, увеличаване на добива на масло, намаляване на микробния товар и увеличаване на ORAC с минимална загуба на хранително качество. (вж. Dornan et al., 2020)

Ултразвуково оборудване за подобрено производство на комбуча

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови апарати, ултразвукови биореактори и принадлежности за подобрени процеси на ферментация, екстракция и пастьоризация, използвани в производството на храни и напитки. Ултразвуковите системи на Hielscher за преработка на храни се използват за разнообразни приложения и представляват безопасна, надеждна и икономически ефективна технология за производство на висококачествени храни и напитки. Монтажът и експлоатацията на всички ултразвукови процесори на Hielscher са лесни: те изискват само малко пространство и могат лесно да бъдат добавени към съществуващи съоръжения за преработка.
Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит в прилагането на мощен ултразвук в хранително-вкусовата промишленост, както и в много други промишлени отрасли. Нашите ултразвукови процесори са оборудвани с лесни за почистване сонотроди и проточни клетки (частите в контакт с течността), позволяващи почистване на място CIP / стерилизация на място SIP. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. Прецизното регулиране на амплитудите и възможността за превключване между ниски и високи амплитуди са важни за стимулирането или инактивирането на микроорганизми. Така един и същ ултразвуков апарат може да се използва както за стимулиране на микроорганизмите и засилване на ферментацията, така и за инактивиране на микроорганизмите при пастьоризация.
Най-съвременната технология, високата производителност и усъвършенстваният софтуер превръщат апаратите на Hielscher Ultrasonics в надеждни работни машини във вашия процес на ферментация на храни. Благодарение на малката заемана площ и разнообразните възможности за монтаж ултразвуковите апарати на Hielscher могат лесно да се интегрират или да се добавят към съществуващи производствени линии.

Стандартизиране на процеса с Hielscher Ultrasonics

Продуктите, предназначени за консумация, трябва да се произвеждат в съответствие с добрите производствени практики (GMP) и при стандартизирани спецификации за преработка. Цифровите системи за екстракция на Hielscher Ultrasonics се предлагат с интелигентен софтуер, който улеснява прецизното задаване и контролиране на процеса на ултразвукова обработка. Автоматичното записване на данни съхранява всички параметри на ултразвуковия процес, като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), амплитуда, температура и налягане (когато са монтирани сензори за температура и налягане), заедно с дата и час на вградената SD карта. Това ви позволява да проверявате всяка партида, обработена с ултразвук. Същевременно се осигуряват възпроизводимост и постоянно високо качество на продукта.
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежко натоварване и в трудни условия.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за характеристиките и възможностите на нашите системи за ултразвукова пастьоризация. Ще се радваме да обсъдим вашето приложение с вас!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: