Kombucha fermentacija poboljšana ultrazvukom

Ultrazvučna obrada (sonikacija) potiče fermentaciju u ultrazvučno fermentiranoj hrani, kao što su kombucha, kimchi i drugo fermentirano povrće, tako što pojačava prijenos mase, razgrađuje mikrobne ćelije, aktivira enzime i poboljšava homogenost, što u konačnici dovodi do bržih stopa fermentacije i proizvodnje proizvoda superiornog kvaliteta. Sonikacija pokreće korisne promjene bioaktivnih spojeva tokom mliječno-kisele fermentacije, čime se povećava sadržaj nutritivnih spojeva i fitokemikalija.

Kombucha i fermentirani napici

Kombucha se proizvodi fermentacijom zaslađenog čaja pomoću „simbiotske kulture bakterija i kvasaca“ (SCOBY), koja se uobičajeno naziva i „majka“ ili „čajna gljiva“. Raznolikost i omjer mikrobnih populacija u SCOBY-ju mogu se prilično značajno razlikovati. Komponenta kvasaca općenito uključuje Saccharomyces cerevisiae, zajedno s drugim vrstama rodova Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces i Kluyveromyces; bakterijska komponenta gotovo uvijek uključuje Komagataeibacter xylinus (ranije Gluconacetobacter xylinus), koji alkohole što ih proizvode kvasci fermentira u octenu i druge kiseline, čime povećava kiselost i ograničava sadržaj etanola.
Slično tome, i drugi fermentirani napici, kao što su fermentirani voćni i povrtni sokovi, inokuliraju se bakterijama i kvascima.
Tretman ultrazvukom može poboljšati efikasnost fermentacije i kvalitativne karakteristike fermentiranog napitka, uključujući sadržaj nutrijenata i aromu.

Ultrazvučno intenzivirana fermentacija kombuche

Poznato je da ultrazvučni valovi stimulišu rast bakterija i kvasaca. Kontrolisana blaga ultrazvučna obrada kultura kombuche (SCOBY, poznat i kao čajna gljiva, čajni fungus ili mandžurska gljiva) može stoga potaknuti proces fermentacije i dovesti do većih prinosa kombuche u ubrzanom vremenu fermentacije.
Ultrazvučno stimulirana fermentacija pokazuje pojačanu permeabilizaciju membrana, a time i povećan prijenos mase. Sonomehanički tretman ultrazvučnim valovima perforira ćelijske zidove i plazma membrane mikroorganizama (proces koji se naziva sonoporacija). Neke ćelije mogu čak biti i puknute. Te razgrađene ćelije oslobađaju faktore koji potiču rast, kao što su vitamini, nukleotidi, aminokiseline i enzimi, koji bi mogli stimulisati rast ćelijski netaknutih, ali i bakterija s oštećenim membranama.
Ultrazvučni tretman prije fermentacije, kao i u lag i log fazi, pokazao je najizraženije efekte na stimulaciju rasta bakterija.

Prednosti ultrazvučne obrade (sonikacije) u fermentaciji kombuche

Kako ultrazvuk potiče proces fermentacije i pomaže u proizvodnji bolje kombuche, fermentiranog povrća, kojija itd.? Sonikacija intenzivira fermentaciju na nekoliko načina, koji su u nastavku prikazani u kontekstu fermentirane kombuche. Kombucha je fermentirani napitak koji se tradicionalno pravi od zaslađenog čaja i simbiotske kulture bakterija i kvasaca (SCOBY). Razrijeđena voćna pirea pružaju hranjivu, aromatičnu osnovu za proizvodnju kombuche. U nastavku ćete saznati kako ultrazvučna obrada potiče proizvodnju

• Pojačan prijenos mase: Ultrazvučni valovi stvaraju mikroskopske kavitacijske mjehuriće u tekućini, što dovodi do nastanka mikrostrujanja, tečnih mlazeva i turbulencija. Ovo miješanje pojačava prijenos mase povećavanjem kontakta između mikroorganizama odgovornih za fermentaciju i nutrijenata u mediju. Kao rezultat toga, fermentirajući mikroorganizmi efikasnije apsorbuju nutrijente, što dovodi do bržih stopa fermentacije.
• Razgradnja ćelija: Sonikatori su poznati po svojoj efikasnosti u lizi ćelija i ekstrakciji. U fermentaciji hrane sonikatori razgrađuju ćelijske zidove mikroba, oslobađajući unutarćelijske enzime i metabolite koji mogu dodatno katalizirati reakcije fermentacije. Ta razgradnja pojačava oslobađanje aromatičnih spojeva, vitamina i organskih kiselina iz mikrobnih ćelija, što doprinosi složenosti arome i bogatstvu nutrijenata fermentiranog proizvoda. U ultrazvučno fermentiranoj kombuchi od pasjeg trna može se izmjeriti znatno veći udio fenolnih spojeva. (usp. Dornan et al., 2020)
• Priprema fermentacijskih supstrata bogatih nutrijentima: Ultrazvučna ekstrakcija pomaže u pripremi fermentacijskog supstrata koji u dostupnom obliku pruža mnogo nutrijenata za mikrobnu probavu. To znači da se u ultrazvučno tretiranim fermentacijskim supstratima (npr. voćnim i povrtnim pireima) bioaktivni spojevi kao što su škrob i šećeri oslobađaju iz unutarćelijskog matriksa biljnih ćelija. Mikrobi se mogu lako hraniti supstratom, što ubrzava i skraćuje proces fermentacije. Isto vrijedi za polifenole, flavonoide i vitamine, koji se oslobađaju iz unutarćelijskih matriksa i doprinose ukupnoj nutritivnoj vrijednosti fermentirane hrane ili napitaka.
• Pojačana 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 na jednostavnije šećere, koje potom fermentiraju mikroorganizmi prisutni u kulturi kombuche.
• Poboljšana homogenost: Budući da sonikacija uvijek rezultira miješanjem i prožimanjem, ultrazvučni tretman osigurava bolju homogenizaciju fermentacijske smjese, što rezultira ravnomjernom raspodjelom nutrijenata i mikroorganizama u cijelom mediju. Ta ujednačenost potiče dosljednu kinetiku fermentacije i proizvodnju visokokvalitetnog proizvoda od kombuche poželjnih senzornih svojstava.

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

Studija slučaja: ultrazvučna stimulacija fermentacije jabukovog soka

Istraživanje je pokazalo da je ultrazvučni tretman u lag i logaritamskoj fazi tokom fermentacije jabukovog soka potaknuo mikrobni rast i intenzivirao biotransformaciju jabučne kiseline u mliječnu kiselinu. Na primjer, nakon sonikacije u lag fazi tokom 0,5 h, broj mikroba i sadržaj mliječne kiseline u uzorcima tretiranim ultrazvukom pri 58,3 W/L dostigli su 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL, odnosno 133,70 ± 7,39 mg/L, što je bilo znatno više nego u uzorcima koji nisu bili sonicirani. Osim toga, ultrazvučna obrada u lag i logaritamskoj fazi imala je složen utjecaj na metabolizam jabučnih fenola, kao što su hlorogenska kiselina, kafeinska kiselina, procijanidin B2, katehin i galna kiselina. Ultrazvuk bi mogao pozitivno utjecati na hidrolizu hlorogenske kiseline u kafeinsku kiselinu, transformaciju procijanidina B2 i dekarboksilaciju galne kiseline. Metabolizam organskih kiselina i slobodnih aminokiselina u soniciranim uzorcima bio je statistički povezan s metabolizmom fenola, što implicira da ultrazvuk može koristiti stvaranju fenolnih derivata poboljšanjem mikrobnog metabolizma organskih kiselina i aminokiselina. (usp. Wang et al., 2021)

Studija slučaja: ultrazvukom poboljšana fermentacija sojinog mlijeka

Istraživački tim Ewe et al. (2012) ispitivao je utjecaj ultrazvuka na metaboličku efikasnost sojeva laktobacila (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) tokom fermentacije sojinog mlijeka. Uočeno je da je ultrazvučni tretman permeabilizirao ćelijske membrane bakterija. Permeabilizirane ćelijske membrane rezultirale su boljom internalizacijom nutrijenata i potonjim pojačanjem rasta (P ≺ 0,05). Veće amplitude i duže trajanje sonikacije potaknuli su rast laktobacila u sojinom mlijeku, uz broj vijabilnih ćelija veći od 9 log CFU/mL. Specifične intracelularne i ekstracelularne aktivnosti β-glukozidaze laktobacila također su bile pojačane (P ≺ 0,05) ultrazvučnom obradom, što je dovelo do povećane biokonverzije izoflavona u sojinom mlijeku, posebno genistina i malonil genistina u genistein. Rezultati ove studije pokazuju da ultrazvučni tretman ćelija laktobacila potiče (P ≺ 0,05) aktivnost β-glukozidaze u ćelijama, u korist pojačane (P ≺ 0,05) biokonverzije izoflavonskih glukozida u bioaktivne aglikone u sojinom mlijeku. (usp. Ewe et al., 2012)

Skenirajuće elektronske mikrografije laktobacila bez tretmana (A) i laktobacila tretiranih ultrazvukom pri amplitudi od 60% tokom 3 min (B). Krugovi prikazuju puknute ćelije i ćelije s porama.
(Studija i slike: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcija nutritivnih spojeva i aroma u kombuchi i fermentiranim napicima

Fermentirani čajevi, sokovi i povrtni napici, npr. fermentirani sok od jabuke ili duda ili kombuche s voćem, značajno profitiraju ultrazvučnim tretmanom u pogledu arome i nutrijenata. Ultrazvučni valovi razgrađuju ćelijske strukture biljnih materijala i oslobađaju unutarćelijske spojeve kao što su arome, polifenoli, antioksidansi i flavonoidi. Istovremeno, ultrazvučna homogenizacija daje ravnomjerno dispergiran i emulgiran napitak koji sprečava odvajanje faza i potrošačima nudi privlačan izgled. U nastavku možete vidjeti primjer ultrazvučno tretirane kombuche od bobica pasjeg trna bez odvajanja faza u poređenju s netretiranom verzijom.
Saznajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji aroma i nutrijenata!

Studija slučaja: ultrazvučno konzervirana kombucha

Tretman ultrazvukom može utjecati na mikrobe tako što ih stimuliše ili inaktivira. Sonikacija utječe i na enzime: ultrazvuk može promijeniti karakteristike enzima, supstrata i njihovih reakcija. Ti se efekti niskofrekventnog ultrazvuka koriste u preradi hrane kao netermička alternativa za pasterizaciju hrane i napitaka. Sonikacija nudi prednost precizne kontrole nad procesnim parametrima kao što su amplituda, vrijeme, temperatura i pritisak, što omogućava ciljanu inaktivaciju mikroorganizama. Inaktivacija mikrobnog opterećenja u kombuchi i fermentiranim napicima omogućava produženje roka trajanja i stabilnosti proizvoda. Smanjenje broja mikroba i enzima olakšava komercijalnu distribuciju zbog produženog roka trajanja konačnog proizvoda. Ultrazvučna obrada je netermička metoda pasterizacije koja se već koristi u komercijalnoj preradi hrane, kao što je pasterizacija sokova. Naročito pri višim amplitudama ultrazvuk inaktivira bakterije i kvasce oštećujući ćelijske zidove. Rezultat je sporiji ili zaustavljen mikrobni rast. Na primjer, Kwaw et al. (2018) ispitivali su ultrazvuk kao strategiju netermičke pasterizacije soka od duda fermentiranog mliječnom kiselinom. Ultrazvučno tretirani fermentirani sok od duda imao je veći sadržaj fenolnih spojeva (1700,07 ± 2,44 μg/mL) od kontrole, netretiranog fermentiranog soka od duda. „Među pojedinačnim netermičkim tretmanima, ultrazvučna obrada je uzrokovala značajan (p < 0,05) porast fenolnih i antioksidativnih svojstava soka od duda fermentiranog mliječnom kiselinom u poređenju s tretmanom pulsirajućom svjetlošću.“ (Kwaw et al., 2018)
Iako je kombucha napitak poznat po svojim živim kulturama, kontrolisano smanjenje broja mikroba može se koristiti kako bi se produžio rok trajanja komercijalno distribuiranih napitaka od kombuche.
Uobičajena termička pasterizacija ubija sve žive kvasce i bakterije koji su normalno prisutni u kombuchi i jedan su od glavnih faktora njezinih blagotvornih učinaka na zdravlje. Ultrazvučna pasterizacija je netermička metoda konzerviranja koja se može koristiti za smanjenje broja mikroba ili za potpuno uklanjanje mikroorganizama. To znači da komercijalni proizvođači mogu primijeniti ultrazvuk pri nižim amplitudama i kraće vrijeme kako bi smanjili broj bakterija i kvasaca bez njihovog potpunog uklanjanja. Na taj način žive kulture i dalje ostaju prisutne u kombuchi, iako u manjem broju, pa su rok trajanja i vrijeme skladištenja poboljšani.

Naučno dokazani rezultati u ultrazvučno tretiranoj kombuchi

Dornan et al. (2020) ispitivali su učinke niskofrekventnog ultrazvuka na kombuchu pripremljenu od bobica pasjeg trna pomoću sonikatora UIP500hdT. Istraživački tim uspio je pokazati višestruke korisne učinke ultrazvučne obrade na pripremu bobica pasjeg trna i potonju fermentaciju kombuche.

Ultrazvučna ekstrakcija bobica pasjeg trna

Svježe cijele bobice pasjeg trna (poznate i kao sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) pasirane su Vitamix blenderom tokom 2 min prije ultrazvučne obrade. Volumen dH2O jednak 30% izvornog volumena pirea dodan je i izblendan. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjen je na 200 mL razrijeđenog pirea pomoću ultrazvučnog procesora UIP500hdT (vidi sliku lijevo). Vrijeme tretmana odabrano je radi optimizacije nutrijenata i održavanja uzorka u stanju nalik svježem. Rezultati ultrazvučne ekstrakcije pokazuju značajno (P ≺ 0,05) povećanje prinosa ekstrakcije iz pulpe za 10% (sa 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) i za 7% iz sjemenki (sa 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). Ovo povećanje prinosa ulja ističe funkcionalnost sonikacije kao efikasne i zelene tehnologije za maksimiziranje vrijednosti sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija iz bobica pasjeg trna rezultirala je većim prinosom ulja, kraćim vremenom obrade, manjom potrošnjom energije i izbjegavanjem opasnih otapala.

Studija slučaja: ultrazvučna homogenizacija kombuche od bobica pasjeg trna

Ultrazvučno tretirana kombucha od bobica pasjeg trna (sanddorne) pokazala je značajno poboljšanu stabilnost proizvoda. Do 21. dana skladištenja soniciranа kombucha od bobica ostala je homogena. Činjenica da kod soniciране kombuche od bobica tokom cijele studije (21 dan, vidi sliku ispod) nije uočena sinereza pokazuje da je sam ultrazvuk efikasna tehnika emulgiranja kojom se može postići stabilnost proizvoda i spriječiti odvajanje faza.

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

Ultrazvučna obrada za zaustavljanje fermentacije

Napravljena su četiri uzorka kombuche: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + saharoza) i K+S+US (kombucha + saharoza + ultrazvuk). Svi uzorci pripremljeni su od 200 mL pirea pasjeg trna (P) ili P+US i 12,5 g SCOBY-ja. K se sastojao od P i SCOBY-ja. K+US se sastojao od P+US i SCOBY-ja. K+S se sastojao od P, 15,0 g saharoze i SCOBY-ja. K+S+US se sastojao od P+US, 15,0 g saharoze i SCOBY-ja. Svi uzorci ostavljeni su da fermentiraju na tamnom mjestu pri sobnoj temperaturi tokom pet dana. Druga sonikacija (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjena je na K+US i K+S+US radi zaustavljanja fermentacije 5. dana.

Ultrazvučni učinci konzerviranja na kombuchu

U kombuchi od pasjeg trna sonikacija je smanjila početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, čime je zaustavljen proces fermentacije u odabranom trenutku kako bi se spriječila prekomjerna fermentacija. Osim toga, kontrolisano smanjenje broja mikroba pomaže u produženju roka trajanja i stabilnosti konačnog proizvoda, što olakšava komercijalnu distribuciju kombuche.
Saznajte više o ultrazvučnoj obradi kao netermičkoj metodi pasterizacije sokova!

Ukupni rezultati u ultrazvučno tretiranoj kombuchi

Ultrazvučna obrada smanjila je početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, povećala ORAC vrijednost za 3% i povećala indeks rastvorljivosti u vodi (WSI) za 40% (sa 6,64 na 9,29 g/g) bez sinereze. Rezultati ove studije sugerišu da primjena ultrazvučne obrade može pojačati fenolnu funkcionalnost tokom fermentacije i da je u stanju smanjiti sinerezu, povećati prinos ulja, smanjiti mikrobno opterećenje i povećati ORAC uz minimalan gubitak nutritivnog kvaliteta. (usp. Dornan et al., 2020)

Ultrazvučna oprema za poboljšano spravljanje kombuche

Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira visokoefikasne ultrazvučne uređaje, ultrazvučne bioreaktore i pribor za poboljšane procese fermentacije, ekstrakcije i pasterizacije koji se koriste u proizvodnji hrane i pića. Hielscher ultrazvučni sistemi za preradu hrane koriste se u raznovrsnim primjenama i predstavljaju sigurnu, pouzdanu i isplativu tehnologiju za proizvodnju visokokvalitetne hrane i pića. Ugradnja i rad svih Hielscher ultrazvučnih procesora jednostavni su: zahtijevaju samo malo prostora i mogu se lako naknadno ugraditi u postojeća postrojenja za preradu.
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni snažnog ultrazvuka u industriji hrane i pića, kao i u mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (dijelovi u kontaktu s medijem) koje se lako čiste (čišćenje na mjestu CIP / sterilizacija na mjestu SIP). Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Precizno podešavanje amplituda i mogućnost prebacivanja između niskih i visokih amplituda važni su za stimulaciju ili inaktivaciju mikroorganizama. Stoga se isti ultrazvučni uređaj može koristiti ili za stimulaciju mikroba radi pojačane fermentacije ili za inaktivaciju mikroorganizama radi pasterizacije.
Najsavremenija tehnologija, visoka učinkovitost i sofisticiran softver čine ultrazvučne uređaje Hielscher Ultrasonics pouzdanim radnim konjima u vašem procesu fermentacije hrane. Zahvaljujući maloj površini koju zauzimaju i raznovrsnim opcijama ugradnje, Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se lako integrisati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.

Standardizacija procesa uz Hielscher Ultrasonics

Proizvodi namijenjeni prehrani trebaju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i prema standardiziranim specifikacijama obrade. Digitalni sistemi za ekstrakciju kompanije Hielscher Ultrasonics isporučuju se s inteligentnim softverom koji olakšava precizno podešavanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko bilježenje podataka upisuje sve parametre ultrazvučnog procesa, kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su ugrađeni senzori temperature i pritiska), s datumom i vremenskom oznakom na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da pregledate svaku ultrazvučno obrađenu seriju . Istovremeno su osigurani ponovljivost i trajno visok kvalitet proizvoda.
Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o karakteristikama i mogućnostima naših sistema za ultrazvučnu pasterizaciju. Rado ćemo s vama razgovarati o vašoj primjeni!

Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: