Ultrazvučno poboljšana fermentacija kombuče

Sonikacija pospješuje fermentaciju u ultrazvučno fermentiranoj hrani kao što su kombucha, kimchi i drugo fermentirano povrće tako što poboljšava prijenos mase, ometa mikrobne stanice, aktivira enzime i poboljšava homogenost, što u konačnici dovodi do ubrzane fermentacije i proizvodnje proizvoda vrhunske kvalitete. Sonikacija pokreće korisne promjene u bioaktivnim spojevima tokom mliječne fermentacije povećavajući sadržaj nutritivnih jedinjenja i fitokemikalija.

Kombucha i fermentirana pića

Kombucha se proizvodi fermentacijom zašećerenog čaja korištenjem "Simbiotske kulture bakterija i kvasca" (SCOBY), koja se također obično naziva "majka".” ili „čajna gljiva”. Raznolikost i omjer mikrobnih populacija u SCOBY-u može značajno varirati. Komponenta kvasca općenito uključuje Saccharomyces cerevisiae, zajedno s drugim vrstama Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizcesyosacces i K; bakterijska komponenta gotovo uvijek uključuje Komagataeibacter xylinus (ranije Gluconacetobacter xylinus), koja fermentira alkohole proizvedene od kvasaca u octenu i druge kiseline, povećavajući kiselost i ograničavajući sadržaj etanola.
Slično tome, druga fermentirana pića, kao što su fermentirani sokovi od voća i povrća, inokuliraju se bakterijama i kvascem.
Tretman ultrazvukom može poboljšati efikasnost fermentacije i kvalitetne karakteristike fermentiranog napitka, uključujući sadržaj hranjivih tvari i okus.

Ultrazvučno pojačana fermentacija kombuče

Poznato je da ultrazvučni talasi stimulišu rast bakterija i gljivica. Kontrolirana blaga sonikacija kultura kombuče (SCOBY, također poznata kao čajna gljiva, čajna gljiva ili mandžurska gljiva) može stoga potaknuti proces fermentacije i dovesti do većeg prinosa kombuče u ubrzanom vremenu fermentacije.
Ultrazvučno stimulirana fermentacija pokazuje povećanu permeabilizaciju membrane i time povećan prijenos mase. Sonomehanički tretman ultrazvučnim talasima perforira ćelijske zidove i plazma membrane mikroorganizama (proces koji se zove sonoporacija). Neke ćelije mogu biti čak i puknute. Ove poremećene ćelije oslobađaju faktore koji potiču rast kao što su vitamini, nukleotidi, aminokiseline i enzimi koji bi mogli stimulisati rast ćelijski netaknutih, kao i bakterija kompromitovanih membranom.
Ultrazvučni tretman prije fermentacije, kao iu lag i log fazama pokazao je najizraženije efekte na stimulaciju rasta bakterija.

Prednosti sonikacije na fermentaciju kombuče

Kako ultrazvuk pospješuje proces fermentacije i pomaže u proizvodnji boljih kombucha, biljnih fermenata, koji itd.? Sonikacija intenzivira fermentaciju na nekoliko načina, koji su prikazani u nastavku u kontekstu fermentirane kombuče. Kombucha je fermentirani napitak koji se tradicionalno pravi od zaslađenog čaja i simbiotske kulture bakterija i kvasca (SCOBY). Razrijeđeni voćni pire daju nutrijentima bogatu, aromatičnu osnovu za proizvodnju kombuče. U nastavku ćete naučiti kako ultrazvuk potiče proizvodnju a

• Povećani prijenos mase: Ultrazvučni talasi stvaraju mikroskopske kavitacione mehuriće u tečnosti, što dovodi do stvaranja mikrostruja, mlaza tečnosti i turbulencija. Ovo miješanje pojačava prijenos mase povećavajući kontakt između mikroorganizama odgovornih za fermentaciju i hranjivih tvari u mediju. Kao rezultat toga, mikroorganizmi koji fermentiraju efikasnije apsorbiraju hranjive tvari, što dovodi do ubrzane fermentacije.
• Poremećaj ćelije: Sonikatori su dobro poznati po svojoj efikasnosti lize i ekstrakcije ćelija. U fermentaciji hrane, sonikatori ometaju zidove mikrobnih ćelija, oslobađajući intracelularne enzime i metabolite koji mogu dalje katalizirati reakcije fermentacije. Ovaj poremećaj pojačava oslobađanje jedinjenja ukusa, vitamina i organskih kiselina iz mikrobnih ćelija, doprinoseći složenosti ukusa i nutritivnom bogatstvu fermentisanog proizvoda. U ultrazvučno fermentiranoj kombuči od morskog trna može se izmjeriti znatno veći udio fenolnih spojeva. (usp. Dornan et al., 2020.)
• Priprema supstrata za fermentaciju bogatih nutrijentima: Ultrazvučna ekstrakcija pomaže u pripremi supstrata za fermentaciju koji obezbjeđuje mnoge hranjive tvari u dostupnom obliku za mikrobnu probavu. To znači da se u ultrazvučno obrađenim fermentacijskim supstratima (npr. kašama od voća i povrća) bioaktivna jedinjenja kao što su skrob i šećeri oslobađaju iz intracelularnog matriksa biljnih ćelija. Mikrobi se mogu lako hraniti supstratom, što ubrzava i skraćuje proces fermentacije. Isto važi i za polifenole, flavonoide i vitamine, koji se oslobađaju iz intracelularnih matrica i doprinose ukupnoj nutritivnoj vrednosti fermentisane hrane ili pića.
• Poboljšana aktivnost enzima: Sonikacija aktivira ili pojačava aktivnost određenih enzima uključenih u procese fermentacije. Na primjer, povećava aktivnost celulaze i amilaze, enzima ključnih za razgradnju složenih ugljikohidrata u jednostavnije šećere, koje potom fermentiraju mikroorganizmi prisutni u kulturi kombuče.
• Poboljšana homogenost: Kako snage ultrazvuka uvijek rezultiraju miješanjem i miješanjem, ultrazvučni tretman osigurava bolju homogenizaciju fermentacijske smjese, što rezultira ujednačenom raspodjelom hranjivih tvari i mikroorganizama u mediju. Ova uniformnost potiče konzistentnu kinetiku fermentacije i proizvodnju visokokvalitetnog kombucha proizvoda sa poželjnim senzornim atributima.

Ultrazvučna stimulacija mikrobnog rasta je najefikasnija kada se ultrazvuk primjenjuje prije fermentacije ili u lag i log fazama.

Studija slučaja: Ultrazvučna stimulacija fermentacije soka od jabuke

Istraživanja su pokazala da ultrazvučni tretman u lag i logaritamskim fazama tokom fermentacije soka od jabuke potiče rast mikroba i intenzivira biotransformaciju jabučne kiseline u mliječnu kiselinu. Na primjer, nakon ultrazvučne obrade u lag fazi od 0,5 h, broj mikroba i sadržaj mliječne kiseline u uzorcima tretiranim ultrazvukom na 58,3 W/L dostigao je 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL i 133,70 ± 7,39 mg/L, što je značajno više od to u uzorcima koji nisu obrađeni ultrazvukom. Štaviše, ultrazvučna obrada u lag i logaritamskim fazama imala je kompleksan uticaj na metabolizam fenola jabuke kao što su hlorogenska kiselina, kafeinska kiselina, procijanidin B2, katehin i galna kiselina. Ultrazvuk može pozitivno uticati na hidrolizu hlorogenske kiseline u kofeinsku kiselinu, transformaciju procijanidina B2 i dekarboksilaciju galne kiseline. Metabolizam organskih kiselina i slobodnih aminokiselina u uzorcima obrađenim ultrazvukom bio je statistički povezan s metabolizmom fenola, što implicira da ultrazvuk može imati koristi od fenolne derivacije poboljšanjem mikrobnog metabolizma organskih kiselina i aminokiselina. (usp. Wang et al., 2021.)

Studija slučaja: Ultrazvučno poboljšana fermentacija sojinog mlijeka

Istraživački tim Ewe et al. (2012) su istraživali efekte ultrazvuka na metaboličku efikasnost sojeva laktobacila (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) tokom sojeva. Uočeno je da je ultrazvučni tretman permeabilizirao ćelijske membrane bakterija. Permeabilizirane ćelijske membrane rezultirale su poboljšanom internalizacijom nutrijenata i naknadnim povećanjem rasta (P ≺ 0,05). Veće amplitude i duže trajanje tretmana ultrazvukom potaknuli su rast laktobacila u sojinom mlijeku, sa živim brojem koji prelazi 9 log CFU/mL. Intracelularne i ekstracelularne aktivnosti laktobacila specifične za β-glukozidazu također su poboljšane (P ≺ 0,05) ultrazvukom, što je dovelo do povećane biokonverzije izoflavona u sojinom mlijeku, posebno genistina i malonil genistina u genistein. Rezultati ove studije pokazuju da ultrazvučni tretman na ćelijama laktobacila podstiče (P ≺ 0,05) aktivnost β-glukozidaze ćelija u korist poboljšane (P ≺ 0,05) biokonverzije izoflavonskih glukozida u bioaktivne aglikone u sojinom mleku. (usp. Ewe et al., 2012)

Skeniranje elektronskih mikrofotografija laktobacila bez tretmana (A) i laktobacila tretiranih ultrazvukom pri 60% amplitude tokom 3 min (B). Krugovi koji pokazuju puknute ćelije i ćelije sa porama.
(Studija i slike: ©Ewe et al., 2012.)

Ekstrakcija nutritivnih jedinjenja i aroma u kombuči i fermentisanim pićima

Fermentirani čaj, sok i napitci od povrća, npr. fermentirani sok od jabuke ili duda ili kombuchas natopljeni voćem, imaju značajnu korist od ultrazvučnog tretmana u pogledu okusa i nutrijenata. Ultrazvučni talasi remete ćelijske strukture biljnog materijala i oslobađaju unutarćelijske spojeve kao što su arome, polifenoli, antioksidansi i flavonoidi. Istovremeno, ultrazvučna homogenizacija daje jednolično dispergovan i emulgovan napitak koji sprečava razdvajanje faza i nudi privlačan izgled za potrošače. U nastavku možete vidjeti primjer ultrazvučno tretirane bobice morske krkavine bez razdvajanja faza u odnosu na netretiranu verziju.
Pročitajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji okusa i hranjivih tvari!

Studija slučaja: Ultrazvučno konzervirana kombuča

Tretman ultrazvukom može utjecati na mikrobe tako što ih stimulira ili inaktivira. Enzimi su također pod utjecajem ultrazvuka: ultrazvuk može promijeniti karakteristike enzima, supstrata i njihovih reakcija. Ovi efekti ultrazvuka niske frekvencije koriste se u preradi hrane kao netermalna alternativa za pasterizaciju hrane i pića. Sonikacija nudi prednost precizne kontrole parametara procesa kao što su amplituda, vrijeme, temperatura i pritisak, što omogućava ciljanu inaktivaciju mikroorganizama. Inaktivacija mikrobnog opterećenja u kombuči i fermentiranim pićima omogućava da se produži rok trajanja i stabilnost proizvoda. Smanjenje mikroba i enzima olakšava komercijalnu distribuciju zbog produženog roka trajanja konačnog proizvoda. Ultrazvuk je metoda netermalne pasterizacije koja se već koristi u komercijalnoj preradi hrane kao što je pasterizacija sokova. Naročito pri većim amplitudama, ultrazvuk inaktivira bakterije i kvasac oštećujući ćelijske zidove. To rezultira sporijim ili zaustavljenim rastom mikroba. Na primjer, Kwaw et al. (2018) istraživali su strategiju ultrazvučne kao netermalne pasterizacije za sok od duda fermentiranog mliječnom kiselinom. Ultrazvučno obrađen fermentisani sok od duda imao je veći sadržaj fenolnih jedinjenja (1700,07 ± 2,44 μg/mL) od kontrolnog, neobrađenog fermentisanog soka od duda. “Među pojedinačnim netermalnim tretmanima, ultrazvuk je izazvao značajan (str < 0.05) povećanje fenolnih i antioksidativnih svojstava soka od duda fermentiranog mliječnom kiselinom u poređenju sa tretmanom pulsnim svjetlom.” (Kwaw et al., 2018.) Dok je kombucha napitak poznat po svojim životnim kulturama, može se koristiti kontrolirana redukcija mikroba kako bi se produžio vijek trajanja komercijalno distribuiranih kombucha napitaka.
Redovna termička pasterizacija ubija sve žive kvasce i bakterije koje su inače prisutne u kombuči i jedan su od glavnih faktora za njeno djelovanje na zdravlje. Ultrazvučna pasterizacija je metoda netermalnog konzerviranja, koja se može koristiti za smanjenje broja mikroba ili potpuno eliminaciju mikroorganizama. To znači da komercijalni proizvođači mogu primijeniti ultrazvuk pri manjim amplitudama i na kraće periode kako bi smanjili broj bakterija i kvasca bez potpunog eliminacije. Stoga su kulture života i dalje prisutne u kombuči, iako u manjim količinama, tako da se produžava rok trajanja i vrijeme skladištenja.

Naučno dokazani rezultati u ultrazvučno tretiranoj kombuči

Dornan et al. (2020) istraživali su efekte ultrazvuka niske frekvencije na kombuču napravljenu od bobica morskog trna koristeći sonikator UIP500hdT. Istraživački tim bi mogao pokazati višestruke korisne efekte ultrazvučne obrade na pripremu bobica morske krkavine i naknadnu fermentaciju kombuče.

Ultrazvučna ekstrakcija bobica morske krkavine

Soniciranje svježih cijelih bobica morske krkavine (također poznatih kao sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) je pire pomoću Vitamix blendera 2 min. Zapremina dH2O jednaka 30% prvobitne zapremine pirea je dodana i izmiješana. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) je primijenjen na 200 mL razrijeđenog pirea pomoću ultrazvučnog procesora UIP500hdT (vidi sliku lijevo). Vrijeme tretmana je odabrano radi optimizacije nutrijenata i održavanja uzorka u svježem stanju. Rezultati ultrazvučne ekstrakcije pokazuju značajno (P ≺ 0,05) povećanje prinosa ekstrakcije od 10% iz pulpe (sa 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) i za 7% za sjeme (sa 14,81 ± 0,08 ± 5,8 %) Ovo povećanje prinosa ulja naglašava funkcionalnost ultrazvuka kao efikasne i zelene tehnologije za maksimiziranje vrijednosti sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija iz bobica morske krkavine rezultirala je većim prinosom ulja i smanjenim vremenom obrade, potrošnjom energije i izbjegavanjem opasnih otapala.

Studija slučaja: Ultrazvučna homogenizacija kombuče bobica morske krkavine

Ultrazvučno tretirana kombuča bobičastog trna (sanddorne) pokazala je značajno poboljšanu stabilnost proizvoda. Do 21. dana skladištenja, sonicirana bobičasta kombuča ostala je homogena. Činjenica da nije uočena sinereza u soniciranoj bobičastoj kombuči tokom cijele studije (21 dan, vidi sliku ispod) pokazuje da je sam ultrazvuk efikasna tehnika emulgiranja koja može proizvesti stabilnost proizvoda i spriječiti razdvajanje faza.

Pire od morskog trna (P) bez i sa ultrazvučnim tretmanom (P+US) 0. i 21. dana.
Studija i slika:©Dornan et al., 2020.

Ultrasonication za zaustavljanje fermentacije

Napravljena su četiri uzorka kombuče: K (kombuča), K+US (kombuča + ultrazvuk), K+S (kombuča + saharoza) i K+S+US (kombuča + saharoza + ultrazvuk). Svi uzorci pripremljeni su upotrebom 200 mL pirea od morske krkavine (P) ili P+US i 12,5 g SCOBY-a. K se sastojao od P i SCOBY. K+US se sastojao od P+US i SCOBY. K+S se sastojao od P, 15,0 g saharoze i SCOBY. K+S+US se sastojao od P+US, 15,0 g saharoze i SCOBY. Svi uzorci su ostavljeni da fermentiraju na tamnom mjestu na sobnoj temperaturi pet dana. Drugi tretman ultrazvukom (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjen je na K+US i K+S+US da bi se zaustavila fermentacija 5. dana.

Ultrazvučni efekti očuvanja kombuče

U kombuči od morske krkavine, ultrazvuk je smanjio početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, čime je zaustavio proces fermentacije u odabrano vrijeme kako bi se spriječila prekomjerna fermentacija. Nadalje, kontrolirana redukcija mikroba pomaže da se produži rok trajanja i stabilnost finalnog proizvoda, što olakšava komercijalnu distribuciju kombuche.
Pročitajte više o ultrazvuku kao netermalnoj metodi pasterizacije sokova!

Ukupni rezultati u ultrazvučno tretiranoj kombuči

Ultrazvuk je smanjio početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, povećao ORAC vrijednost za 3% i povećao indeks rastvorljivosti u vodi (WSI) za 40% (sa 6,64 na 9,29 g/g) bez sinereze. Rezultati ove studije sugeriraju da primjena ultrazvučne obrade može poboljšati fenolnu funkcionalnost tokom fermentacije i da je sposobna za smanjenje sinereze, povećanje prinosa ulja, smanjenje mikrobnog opterećenja i povećanje ORAC-a uz minimalan gubitak nutritivne kvalitete. (usp. Dornan et al., 2020.)

Ultrazvučna oprema za poboljšanu pripremu kombuče

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrasonikatore visokih performansi, ultrazvučne bioreaktore i pribor za poboljšane procese fermentacije, ekstrakcije i pasterizacije koji se koriste u hrani & proizvodnja pića. Hielscher ultrazvučni sistemi za preradu hrane koriste se za različite aplikacije kao sigurna, pouzdana i isplativa tehnologija za proizvodnju visokokvalitetnih namirnica i pića. Instalacija i rad svih Hielscher ultrazvučnih procesora je jednostavan: zahtijevaju samo malo prostora, lako se mogu naknadno ugraditi u postojeće pogone za obradu.
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni ultrazvuka snage u hrani & industriju pića kao i mnoge druge industrijske grane. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (mokrim dijelovima) koje se lako čiste (CIP za čišćenje na mjestu / sterilizacija na mjestu SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno. Precizno podešavanje amplituda i mogućnost prebacivanja između niskih i visokih amplituda važni su za stimulaciju ili inaktivaciju mikroorganizama. Na taj način, isti ultrazvučni aparat se može koristiti ili za stimulaciju mikroba koji povećavaju fermentaciju ili za inaktivaciju mikroorganizama za pasterizaciju.
Najmodernija tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver čine Hielscher Ultrasonics’ pouzdani radni konji u vašem procesu fermentacije hrane. Uz mali otisak i raznovrsne mogućnosti ugradnje, Hielscher ultrasonikatori se mogu lako integrirati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.

Standardizacija procesa sa Hielscher Ultrasonics

Prehrambeni proizvodi treba da se proizvode u skladu sa dobrom proizvodnom praksom (GMP) i prema standardizovanim specifikacijama obrade. Hielscher Ultrasonics digitalni sustavi za ekstrakciju dolaze s inteligentnim softverom, koji olakšava precizno postavljanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve ultrazvučne parametre procesa kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su senzori temperature i pritiska montirani) sa datumom i vremenskom oznakom na ugrađenoj SD kartici. Ovo vam omogućava da revidirate svaku ultrazvučno obrađenu seriju. Istovremeno se osigurava ponovljivost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Molimo kontaktirajte nas kako biste saznali više o karakteristikama i mogućnostima naših ultrazvučnih sistema za pasterizaciju. Bilo bi nam drago da razgovaramo o vašoj prijavi s vama!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: