Ултразвуково подобрена ферментация на комбуча

Соникацията насърчава ферментацията в ултразвуково ферментирали храни като комбуча, кимчи и други ферментирали зеленчуци чрез подобряване на масовия трансфер, разрушаване на микробните клетки, активиране на ензимите и подобряване на хомогенността, което в крайна сметка води до ускорени темпове на ферментация и производство на продукт с превъзходно качество. Сонирането инициира полезни промени в биоактивните съединения по време на млечна ферментация, увеличавайки съдържанието на хранителни съединения и фитохимикали.

Комбуча и ферментирали напитки

Комбуча се произвежда чрез ферментиране на захарен чай с помощта на "Симбиотична култура на бактерии и дрожди" (SCOBY), наричана още "майка"” или "чаена гъба”. Разнообразието и съотношението на микробните популации в SCOBY може да варира доста значително. Компонентът на дрождите обикновено включва Saccharomyces cerevisiae, заедно с други видове 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, в оцетна и други киселини, повишавайки киселинността и ограничавайки съдържанието на етанол.
По същия начин други ферментирали напитки като ферментирали плодови и зеленчукови сокове се инокулират с бактерии и мая.
Обработката с ултразвук може да подобри ефективността на ферментацията и качествените характеристики на ферментиралата напитка, включително съдържанието на хранителни вещества и вкуса.

Ултразвуково засилена ферментация на комбуча

Добре известно е, че ултразвуковите вълни стимулират растежа на бактерии и дрожди. Следователно контролираната лека ултразвук на културите от комбуча (SCOBY, известна още като чаена гъба, чаена гъба или манджурска гъба) може да насърчи процеса на ферментация и да доведе до по-високи добиви на комбуча при ускорено време на ферментация.
Ултразвуково стимулираната ферментация показва повишена мембранна пропускливост и по този начин повишен пренос на маса. Сономеханичната обработка чрез ултразвукови вълни перфорира клетъчните стени и плазмените мембрани на микроорганизмите (процес, наречен сонопорация). Някои клетки дори могат да бъдат разкъсани. Тези нарушени клетки освобождават фактори за стимулиране на растежа като витамини, нуклеотиди, аминокиселини и ензими, които могат да стимулират растежа на клетъчно непокътнати, както и на мембранно компрометирани бактерии.
Ултразвуковата обработка преди ферментацията, както и във фазите на забавяне и логаритмично отчитане показва най-забележими ефекти върху стимулирането на растежа на бактериите.

Ползите от уникирането при ферментацията на комбуча

Как ултразвукът насърчава процеса на ферментация и помага за производството на по-добра комбуча, зеленчукови ферменти, коджи и др.? Сонификацията стимулира ферментацията по няколко начина, които са показани по-долу в контекста на ферментиралата комбуча. Комбуча е ферментирала напитка, традиционно приготвена с подсладен чай и симбиотична култура от бактерии и дрожди (SCOBY). Разредените плодови пюрета осигуряват богата на хранителни вещества, ароматна основа за производството на комбуча. По-долу ще научите как ултразвукът насърчава производството на

• Повишен масообмен: Ултразвуковите вълни създават микроскопични кавитационни мехурчета в течността, което води до образуване на микрострийминг, течни струи и турбуленции. Това разбъркване подобрява преноса на маса чрез увеличаване на контакта между микроорганизмите, отговорни за ферментацията, и хранителните вещества в средата. В резултат на това хранителните вещества се абсорбират по-ефективно от ферментиращите микроорганизми, което води до ускорени темпове на ферментация.
• Клетъчно разрушаване: Соникаторите са добре известни със своята ефективност на клетъчен лизис и екстракция. При хранителната ферментация ултразвукораздвижителите нарушават микробните клетъчни стени, освобождавайки вътреклетъчни ензими и метаболити, които могат допълнително да катализират ферментационните реакции. Това нарушаване засилва освобождаването на ароматни съединения, витамини и органични киселини от микробните клетки, допринасяйки за сложността на вкуса и богатството на хранителните вещества на ферментиралия продукт. В ултразвуково ферментирала комбуча от морски зърнастец може да се измери значително по-висока фракция на фенолни съединения. (срв. Dornan et al., 2020)
• Приготвяне на богати на хранителни вещества ферментационни субстрати: Ултразвуковата екстракция помага да се приготви ферментационен субстрат, който осигурява много хранителни вещества в налична форма за микробно храносмилане. Това означава, че в ултразвуково обработените ферментационни субстрати (напр. плодови и зеленчукови пюрета) биоактивни съединения като нишестета и захари се освобождават от вътреклетъчния матрикс на растителните клетки. Микробите могат лесно да се хранят със субстрата, което ускорява и съкращава процеса на ферментация. Същото важи и за полифенолите, флавоноидите и витамините, които се отделят от вътреклетъчните матрици и допринасят за общата хранителна стойност на ферментиралите храни или напитки.
• Подобрена ензимна активност: Соникацията активира или засилва активността на определени ензими, участващи във ферментационните процеси. Например, той повишава активността на целулазата и амилазата, ензими, които са от решаващо значение за разграждането на сложните въглехидрати до по-прости захари, които след това ферментират от микроорганизмите, присъстващи в културата на комбуча.
• Подобрена хомогенност: Тъй като ултразвуковите сили винаги водят до смесване и смесване, ултразвуковата обработка осигурява по-добра хомогенизация на ферментационната смес, което води до равномерно разпределение на хранителните вещества и микроорганизмите в средата. Тази еднородност насърчава последователната кинетика на ферментацията и производството на висококачествен продукт от комбуча с желани сензорни атрибути.

Ултразвуковата стимулация на растежа на микробите е най-ефективна, когато ултразвукът се прилага преди ферментация или във фазите на забавяне и логарифм.

Казус: Ултразвукова стимулация на ферментацията на ябълков сок

Изследванията показват, че ултразвуковата обработка в лаг и логаритмична фаза по време на ферментацията на ябълковия сок насърчава растежа на микробите и засилва биотрансформацията на ябълчената киселина в млечна киселина. Например, след ултразвук във фаза на забавяне за 0,5 часа, броят на микробите и съдържанието на млечна киселина в обработените с ултразвук проби при 58,3 W/L достигат 7,91 ± 0,01 Log CFU/ml и 133,70 ± 7,39 mg/L, които са значително по-високи от тези в пробите без ултразвук. Освен това ултразвукът в лаг и логаритмична фаза има комплексно влияние върху метаболизма на ябълковите феноли като хлорогенова киселина, кофеена киселина, процианидин В2, катехин и галова киселина. Ултразвукът може да повлияе положително на хидролизата на хлорогенова киселина в кофеена киселина, трансформацията на процианидин В2 и декарбоксилирането на галовата киселина. Метаболизмът на органични киселини и свободни аминокиселини в ултразвуковите проби е статистически свързан с фенолния метаболизъм, което означава, че ултразвукът може да бъде от полза за фенолното извличане чрез подобряване на микробния метаболизъм на органични киселини и аминокиселини. (срв. Wang et al., 2021)

Казус: Ултразвуково подобрена ферментация на соево мляко

Изследователският екип на Ewe et al. (2012) изследва ефектите на ултразвука върху метаболитната ефективност на щамовете лактобацили (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) по време на ферментация на соево мляко. Забелязано е, че ултразвуковото лечение прониква в клетъчните мембрани на бактериите. Пермеабилизираните клетъчни мембрани водят до подобрена интернализация на хранителните вещества и последващо засилване на растежа (P ≺ 0,05). По-високите амплитуди и по-дългата продължителност на ултразвуковата обработка насърчават растежа на лактобацили в соевото мляко, като жизнеспособният брой надвишава 9 log CFU/ml. Вътреклетъчните и извънклетъчните β-глюкозидазни специфични активности на лактобацилите също са засилени (P ≺ 0,05) чрез ултразвук, което води до повишена биоконверсия на изофлавони в соевото мляко, особено генистин и малонил генистин в генистеин. Резултатите от това проучване показват, че ултразвуковото лечение на лактобацилови клетки насърчава (P ≺ 0,05) β-глюкозидазната активност на клетките в полза на подобрената (P ≺ 0,05) биоконверсия на изофлавоновите глюкозиди в биоактивни агликони в соевото мляко. (срв. Ewe et al., 2012)

Сканиращи електронни микрографии на лактобацили без третиране (А) и лактобацили, третирани с ултразвук при 60% амплитуда за 3 минути (В). Кръгове, показващи разкъсани клетки и клетки с пори.
(Проучване и изображения: ©Ewe et al., 2012)

Екстракция на хранителни съединения и аромати в комбуча и ферментирали напитки

Ферментиралият чай, сокове и зеленчукови напитки, например ферментирал сок от ябълка или черница или плодова комбуча, имат значителни ползи от ултразвуковото лечение по отношение на вкуса и хранителните вещества. Ултразвуковите вълни нарушават клетъчните структури на растителните материали и освобождават вътреклетъчни съединения като аромати, полифеноли, антиоксиданти и флавоноиди. В същото време ултразвуковата хомогенизация осигурява равномерно диспергирана и емулгирана напитка, предотвратяваща разделянето на фазите и предлагаща привлекателен външен вид за потребителите. По-долу можете да видите пример за ултразвуково обработена комбуча от морски зърнастец без разделяне на фазите в сравнение с необработена версия.
Прочетете повече за ултразвуковия вкус и екстракцията на хранителни вещества!

Казус: Ултразвуково запазена комбуча

Ултразвуковото лечение може да повлияе на микробите, като ги стимулира или деактивира. Също така ензимите се влияят от ултразвука: ултразвукът може да промени характеристиките на ензимите, субстратите и техните реакции. Тези ефекти на нискочестотния ултразвук се използват в хранително-вкусовата промишленост като нетермична алтернатива за пастьоризиране на храни и напитки. Соникацията предлага предимството на прецизен контрол върху параметрите на процеса като амплитуда, време, температура и налягане, което позволява целенасочена инактивиране на микроорганизми. Инактивирането на микробния товар в комбуча и ферментиралите напитки позволява да се увеличи срокът на годност и стабилността на продукта. Намаляването на микробите и ензимите улеснява търговската дистрибуция поради удължения срок на годност на крайния продукт. Ултразвукът е метод на нетермична пастьоризация, който се използва вече в търговската преработка на храни като пастьоризация на сокове. Особено при по-високи амплитуди ултразвукът инактивира бактериите и дрождите, като уврежда клетъчните стени. Това води до по-бавен или спрян растеж на микробите. Например, Kwaw et al. (2018) изследва ултразвуковата като нетермична стратегия за пастьоризация на млечнокисел ферментирал сок от черница. Ултразвуково обработеният 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, ултразвукът причинява значителен (p < 0.05) upsurge in the phenolic and antioxidant properties of the lactic acid-fermented mulberry juice compared to the pulsed light treatment.” (Kwaw et al., 2018) Докато комбуча е напитка, известна със своите жизнени култури, може да се използва контролирано намаляване на микробите, за да се удължи срокът на годност на комерсиално разпространяваните напитки комбуча.
Редовната термична пастьоризация убива всички живи дрожди и бактерии, които обикновено присъстват в комбуча и са един от основните фактори за нейния благоприятен ефект. Ултразвуковата пастьоризация е метод за нетермично консервиране, който може да се използва или за намаляване на броя на микробите, или за пълно елиминиране на микроорганизмите. 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 елиминират напълно. По този начин културите на живот все още присъстват в комбуча, макар и в по-малък брой, така че срокът на годност и времето за съхранение се подобряват.

Научно доказани резултати при ултразвуково обработена комбуча

Dornan et al. (2020) изследват ефектите на нискочестотен ултразвук върху комбуча, направена с плодове от морски зърнастец, използвайки ултразвуковия уред UIP500hdT. Изследователският екип може да демонстрира множество полезни ефекти от ултразвука върху препарата от морски зърнастец и последваща ферментация на комбуча.

Ултразвукова екстракция на плодове от морски зърнастец

Уникирането на пресни цели плодове от морски зърнастец (известни също като sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) се пюрират с помощта на блендер Vitamix за 2 минути. Добавен е обем dH2O, равен на 30% от първоначалния обем на пюрето. Ултразвук (90 W, 20 kHz, 10 мин) е приложен към 200 ml от разреденото пюре с помощта на ултразвуковия процесор UIP500hdT (вижте снимката вляво). Избрано е времето за третиране, за да се оптимизират хранителните вещества и да се поддържа пробата в свежо състояние. Резултатите от ултразвуковата екстракция показват значително (P ≺ 0,05) увеличение с 10% добив от целулоза (от 19,04 ± 0,08 на 20,97 ± 0,29%) и със 7% за семена (от 14,81 ± 0,08 на 15,83 ± 0,28%). Това увеличение на добива на масло подчертава функционалността на ултразвука като ефективна и зелена технология за максимизиране на стойността на суровините. Ултразвуковата екстракция от плодове на морски зърнастец доведе до по-висок добив на масло и намалено време за обработка, консумация на енергия и избягване на опасни разтворители.

Казус: Ултразвукова хомогенизация на комбуча от морски зърнастец

Ултразвуково обработената комбуча от морски зърнастец (sanddorne) показа значително подобрена стабилност на продукта. До 21-ия ден на съхранение ултразвуковата горска комбуча остава хомогенна. Фактът, че не е наблюдавана синерезис при ултразвукова ягодоплодна комбуча през цялото проучване (21 дни, вижте снимката по-долу), показва, че ултразвукът сам по себе си е ефективна техника за емулгиране, способна да доведе до стабилност на продукта и да предотврати разделянето на фазите.

Пюре от морски зърнастец (P) без и с ултразвуково лечение (P+US) на ден 0 и 21.
Проучване и снимка: ©Dornan et al., 2020.

Ултразвук за спиране на ферментацията

Направени са четири проби от комбуча: K (комбуча), K+US (комбуча + ултразвук), K+S (комбуча + захароза) и K+S+US (комбуча + захароза + ултразвук). Всички проби са приготвени с помощта на 200 ml пюре от морски зърнастец (P) или P+US и 12,5 g SCOBY. K се състоеше 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 в продължение на пет дни. Втора ултразвукова обработка (90 W, 20 kHz, 10 мин) е приложена към K+US и K+S+US, за да се спре ферментацията на 5-ия ден.

Ефекти на ултразвуково запазване на комбуча

При комбуча от морски зърнастец ултразвукът намалява първоначалния микробен товар с 2,6 log CFU/ml, като по този начин спира процеса на ферментация в избрано време, за да се предотврати свръхферментация. Освен това контролираната микробна редукция спомага за увеличаване на срока на годност и стабилността на крайния продукт, което улеснява търговската дистрибуция на комбуча.
Прочетете повече за ултразвука като нетермичен метод за пастьоризация на сокове!

Общи резултати при ултразвуково обработена комбуча

Ултразвукът намалява първоначалното микробно натоварване 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 на 9,29 g/g) без синереза. Резултатите от това проучване показват, че прилагането на ултразвук може да подобри фенолната функционалност по време на ферментацията и е в състояние да намаляване на синерезизата, увеличаване на добива на масло, намаляване на микробното натоварване и увеличаване на ORAC с минимална загуба на хранителни качества. (срв. Dornan et al., 2020)

Ултразвуково оборудване за подобрено варене на комбуча

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високоефективни ултразвукови апарати, ултразвукови биореактори и аксесоари за подобрени процеси на ферментация, екстракция и пастьоризация, използвани в храните & производство на напитки. Ултразвуковите системи за преработка на храни Hielscher се използват за многобройни приложения, като са безопасна, надеждна и рентабилна технология за производство на висококачествени храни и напитки. Инсталирането и експлоатацията на всички ултразвукови процесори на Hielscher е лесно: те изискват само малко място, могат лесно да бъдат модернизирани в съществуващи съоръжения за обработка.
Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит в прилагането на мощен ултразвук в храните & индустрията за напитки, както и много други индустриални отрасли. Нашите ултразвукови процесори са оборудвани с лесни за почистване (почистване на място CIP / стерилизиране на място SIP) сонотроди и проточни клетки (мокрите части). Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. Прецизната настройка на амплитудите и възможността за превключване между ниски и високи амплитуди са важни за стимулиране или деактивиране на микроорганизмите. По този начин един и същ ултразвук може да се използва или за стимулиране на микробите, увеличаващи ферментацията, или за инактивиране на микроорганизми за пастьоризация.
Най-съвременна технология, високопроизводителен и усъвършенстван софтуер правят Hielscher Ultrasonics’ Надеждни работни коне във вашия процес на ферментация на храната. С малък отпечатък и разнообразни възможности за монтаж, ултразвуковите апарати Hielscher могат лесно да бъдат интегрирани или преоборудвани в съществуващи производствени линии.

Стандартизация на процеса с Hielscher Ultrasonics

Хранителните продукти следва да се произвеждат в съответствие с добрите производствени практики (ДПП) и съгласно стандартизираните спецификации за преработка. Системите за дигитална екстракция на Hielscher Ultrasonics се предлагат с интелигентен софтуер, който улеснява прецизната настройка и контрол на процеса на ултразвукова обработка. Автоматичният запис на данни записва всички ултразвукови параметри на процеса като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), амплитуда, температура, налягане (когато са монтирани сензори за температура и налягане) с печат за дата и час на вградената SD-карта. Това ви позволява да преразгледате всяка ултразвуково обработена партида. В същото време се осигурява възпроизводимост и непрекъснато високо качество на продукта.
Hielscher Ultrasonics’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Моля, свържете се с нас, за да научите повече за характеристиките и възможностите на нашите системи за ултразвукова пастьоризация. Ще се радваме да обсъдим вашата кандидатура с вас!

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