Ultrazvukem vylepšená fermentace kombuchy

Sonikace podporuje fermentaci u ultrazvukem fermentovaných potravin, jako je kombucha, kimči a další fermentovaná zelenina, tím, že zlepšuje přenos hmoty, narušuje mikrobiální buňky, aktivuje enzymy a zlepšuje homogenitu, což v konečném důsledku vede ke zrychlení fermentace a k výrobě produktu vynikající kvality. Sonikace během mléčného kvašení iniciuje příznivé změny bioaktivních látek, čímž zvyšuje obsah nutričně významných látek a fytochemikálií.

Kombucha a fermentované nápoje

Kombucha se vyrábí fermentací slazeného čaje pomocí „symbiotické kultury bakterií a kvasinek“ (SCOBY), běžně nazývané také „matka“ nebo „čajová houba“. Rozmanitost a poměr mikrobiálních populací ve SCOBY se mohou poměrně výrazně lišit. Kvasinková složka obecně zahrnuje Saccharomyces cerevisiae spolu s dalšími druhy rodů Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces a Kluyveromyces; bakteriální složka téměř vždy zahrnuje Komagataeibacter xylinus (dříve Gluconacetobacter xylinus), který fermentuje alkoholy produkované kvasinkami na kyselinu octovou a další kyseliny, čímž zvyšuje kyselost a omezuje obsah ethanolu.
Podobně se bakteriemi a kvasinkami inokulují i jiné fermentované nápoje, například fermentované ovocné a zeleninové šťávy.
Ošetření ultrazvukem může zlepšit účinnost fermentace a kvalitativní vlastnosti fermentovaného nápoje, včetně obsahu živin a chuti.

Ultrazvukem intenzifikovaná fermentace kombuchy

Je dobře známo, že ultrazvukové vlny stimulují růst bakterií a kvasinek. Řízená mírná sonikace kultur kombuchy (SCOBY, označované také jako čajová houba – tea mushroom či tea fungus – nebo mandžuská houba) proto může podpořit fermentační proces a vést k vyšším výtěžkům kombuchy za zkrácenou dobu fermentace.
Fermentace stimulovaná ultrazvukem vykazuje zvýšenou permeabilizaci membrán, a tím i zvýšený přenos hmoty. Sonomechanické působení ultrazvukových vln perforuje buněčné stěny a plazmatické membrány mikroorganismů (proces nazývaný sonoporace). Některé buňky mohou být dokonce rozrušeny. Tyto narušené buňky uvolňují růstové faktory, jako jsou vitaminy, nukleotidy, aminokyseliny a enzymy, které by mohly stimulovat růst jak buněčně intaktních bakterií, tak bakterií s narušenou membránou.
Nejvýraznější účinky na stimulaci růstu bakterií vykazovalo ultrazvukové ošetření před fermentací a také v lag fázi a log fázi.

Přínosy sonikace pro fermentaci kombuchy

Jak ultrazvuk podporuje fermentační proces a pomáhá vyrábět lepší kombuchu, fermentovanou zeleninu, koji atd.? Sonikace intenzifikuje fermentaci několika způsoby, které jsou níže ukázány na příkladu fermentované kombuchy. Kombucha je fermentovaný nápoj tradičně vyráběný ze slazeného čaje a symbiotické kultury bakterií a kvasinek (SCOBY). Ředěná ovocná pyré poskytují pro výrobu kombuchy výživově bohatý a chuťově výrazný základ. Níže se dozvíte, jak sonikace podporuje výrobu

• Zvýšený přenos hmoty: Ultrazvukové vlny vytvářejí v kapalině mikroskopické kavitační bubliny, což vede ke vzniku mikroproudění, kapalinových paprsků a turbulencí. Toto míchání zlepšuje přenos hmoty tím, že zvyšuje kontakt mezi mikroorganismy odpovědnými za fermentaci a živinami v médiu. V důsledku toho fermentující mikroorganismy vstřebávají živiny účinněji, což vede ke zrychlení fermentace.
• Dezintegrace buněk: Sonikátory jsou dobře známé svou účinností při lyzi buněk a extrakci. Při fermentaci potravin sonikátory narušují buněčné stěny mikroorganismů a uvolňují intracelulární enzymy a metabolity, které mohou dále katalyzovat fermentační reakce. Toto narušení zvyšuje uvolňování chuťových látek, vitaminů a organických kyselin z mikrobiálních buněk, čímž přispívá ke komplexnosti chuti a bohatosti živin fermentovaného produktu. V rakytníkové kombuše fermentované za použití ultrazvuku lze naměřit výrazně vyšší podíl fenolických sloučenin. (srov. Dornan et al., 2020)
• Příprava fermentačních substrátů bohatých na živiny: Ultrazvuková extrakce pomáhá připravit fermentační substrát, který poskytuje mnoho živin ve formě dostupné pro mikrobiální trávení. To znamená, že v ultrazvukem ošetřených fermentačních substrátech (např. ovocných a zeleninových pyré) se bioaktivní látky, jako jsou škroby a cukry, uvolňují z intracelulární matrice rostlinných buněk. Mikroorganismy se mohou substrátem snadno živit, což fermentační proces urychluje a zkracuje. Totéž platí pro polyfenoly, flavonoidy a vitaminy, které se uvolňují z intracelulárních matric a přispívají k celkové nutriční hodnotě fermentovaných potravin nebo nápojů.
• Zvýšená aktivita enzymů: Sonikace aktivuje nebo zvyšuje aktivitu některých enzymů, které se podílejí na fermentačních procesech. Zvyšuje například aktivitu celulázy a amylázy, enzymů klíčových pro štěpení složitých sacharidů na jednodušší cukry, které pak fermentují mikroorganismy přítomné v kultuře kombuchy.
• Lepší homogenita: Protože působení sonikace vždy vede k promíchání a smísení, ultrazvukové ošetření zajišťuje lepší homogenizaci fermentační směsi, což vede k rovnoměrné distribuci živin a mikroorganismů v celém médiu. Tato rovnoměrnost podporuje konzistentní kinetiku fermentace a výrobu vysoce kvalitního produktu kombuchy s žádoucími senzorickými vlastnostmi.

Ultrazvuková stimulace mikrobiálního růstu je nejúčinnější, pokud se ultrazvuk aplikuje před fermentací nebo v lag fázi a log fázi.

Případová studie: Ultrazvuková stimulace fermentace jablečné šťávy

Výzkum ukázal, že ultrazvukové ošetření v lag fázi a logaritmické fázi během fermentace jablečné šťávy podpořilo mikrobiální růst a zintenzivnilo biotransformaci kyseliny jablečné na kyselinu mléčnou. Například po sonikaci v lag fázi po dobu 0,5 h dosáhly počet mikroorganismů a obsah kyseliny mléčné ve vzorcích ošetřených ultrazvukem při 58,3 W/L hodnot 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL a 133,70 ± 7,39 mg/L, což bylo významně více než u nesonikovaných vzorků. Sonikace v lag fázi a logaritmické fázi navíc komplexně ovlivnila metabolismus jablečných fenolických látek, jako je kyselina chlorogenová, kyselina kávová, procyanidin B2, katechin a kyselina gallová. Ultrazvuk mohl pozitivně ovlivnit hydrolýzu kyseliny chlorogenové na kyselinu kávovou, přeměnu procyanidinu B2 a dekarboxylaci kyseliny gallové. Metabolismus organických kyselin a volných aminokyselin v sonikovaných vzorcích statisticky koreloval s metabolismem fenolických látek, což naznačuje, že ultrazvuk může prospívat tvorbě fenolických derivátů tím, že zlepšuje mikrobiální metabolismus organických kyselin a aminokyselin. (srov. Wang et al., 2021)

Případová studie: Ultrazvukem vylepšená fermentace sójového mléka

Výzkumný tým Ewe et al. (2012) zkoumal účinky ultrazvuku na metabolickou účinnost kmenů laktobacilů (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) během fermentace sójového mléka. Bylo pozorováno, že ultrazvukové ošetření permeabilizovalo buněčné membrány bakterií. Permeabilizované buněčné membrány vedly ke zlepšené internalizaci živin a následnému zvýšení růstu (P ≺ 0,05). Vyšší amplitudy a delší doba sonikace podpořily růst laktobacilů v sójovém mléce, přičemž počty životaschopných buněk přesáhly 9 log CFU/mL. Sonikace rovněž zvýšila (P ≺ 0,05) intracelulární i extracelulární specifickou aktivitu β-glukosidázy laktobacilů, což vedlo ke zvýšené biokonverzi isoflavonů v sójovém mléce, zejména genistinu a malonylgenistinu na genistein. Výsledky této studie ukazují, že ultrazvukové ošetření buněk laktobacilů podporuje (P ≺ 0,05) aktivitu β-glukosidázy buněk ve prospěch zvýšené (P ≺ 0,05) biokonverze glukosidů isoflavonů na bioaktivní aglykony v sójovém mléce. (srov. Ewe et al., 2012)

Snímky laktobacilů z rastrovacího elektronového mikroskopu bez ošetření (A) a po ošetření ultrazvukem při 60% amplitudě po dobu 3 min (B). Kroužky označují rozrušené buňky a buňky s póry.
(Studie a snímky: ©Ewe et al., 2012)

Extrakce nutričně významných a chuťových látek v kombuše a fermentovaných nápojích

Fermentované čajové nápoje, šťávy a zeleninové nápoje, např. fermentovaná jablečná nebo morušová šťáva či kombuchy s ovocem, mají z ultrazvukového ošetření výrazný přínos z hlediska chuti i obsahu živin. Ultrazvukové vlny narušují buněčné struktury rostlinných materiálů a uvolňují intracelulární látky, jako jsou chuťové látky, polyfenoly, antioxidanty a flavonoidy. Ultrazvuková homogenizace zároveň zajišťuje rovnoměrně dispergovaný a emulgovaný nápoj, který zabraňuje separaci fází a nabízí spotřebitelům atraktivní vzhled. Níže vidíte příklad ultrazvukem ošetřené kombuchy z rakytníkových bobulí bez separace fází ve srovnání s neošetřenou verzí.
Přečtěte si více o ultrazvukové extrakci chuťových látek a živin!

Případová studie: Kombucha konzervovaná ultrazvukem

Ultrazvukové ošetření může mikroorganismy ovlivnit tím, že je buď stimuluje, nebo inaktivuje. Sonikace působí také na enzymy: ultrazvuk může měnit vlastnosti enzymů, substrátů a jejich reakcí. Tyto účinky nízkofrekvenčního ultrazvuku se v potravinářství využívají jako netermální alternativa k pasteraci potravin a nápojů. Sonikace nabízí výhodu přesného řízení procesních parametrů, jako je amplituda, čas, teplota a tlak, což umožňuje cílenou inaktivaci mikroorganismů. Inaktivace mikrobiální zátěže v kombuše a fermentovaných nápojích umožňuje prodloužit trvanlivost a zvýšit stabilitu produktu. Snížení množství mikroorganismů a enzymů usnadňuje komerční distribuci díky prodloužené trvanlivosti finálního produktu. Sonikace je netermální metoda pasterace, která se již používá v komerčním zpracování potravin, například při pasteraci šťáv. Zejména při vyšších amplitudách ultrazvuk inaktivuje bakterie a kvasinky poškozením buněčných stěn. To vede ke zpomalení nebo zastavení mikrobiálního růstu. Například Kwaw et al. (2018) zkoumali ultrazvuk jako netermální strategii pasterace mléčně fermentované morušové šťávy. Ultrazvukem ošetřená fermentovaná morušová šťáva měla vyšší obsah fenolických sloučenin (1700,07 ± 2,44 μg/mL) než kontrola, tedy neošetřená fermentovaná morušová šťáva. „Mezi jednotlivými netermálními ošetřeními způsobila sonikace ve srovnání s ošetřením pulzním světlem významný (p < 0,05) nárůst fenolických a antioxidačních vlastností mléčně fermentované morušové šťávy.“ (Kwaw et al., 2018)
Přestože je kombucha nápoj známý svými živými kulturami, lze řízené snížení počtu mikroorganismů využít k prodloužení trvanlivosti komerčně distribuovaných nápojů kombucha.
Běžná tepelná pasterace usmrtí všechny živé kvasinky a bakterie, které jsou v kombuše normálně přítomny a představují jeden z hlavních faktorů jejích zdraví prospěšných účinků. Ultrazvuková pasterace je netermální konzervační metoda, kterou lze využít buď ke snížení počtu mikroorganismů, nebo k jejich úplné eliminaci. To znamená, že komerční výrobci mohou aplikovat ultrazvuk při nižších amplitudách a po kratší dobu, aby snížili počet bakterií a kvasinek, aniž by je zcela eliminovali. Živé kultury tak v kombuše zůstávají, i když v nižším počtu, takže se zlepší trvanlivost a doba skladování.

Vědecky prokázané výsledky u kombuchy ošetřené ultrazvukem

Dornan et al. (2020) zkoumali účinky nízkofrekvenčního ultrazvuku na kombuchu vyrobenou z rakytníkových bobulí pomocí sonikátoru UIP500hdT. Výzkumný tým dokázal prokázat řadu příznivých účinků sonikace na přípravu rakytníkových bobulí a následnou fermentaci kombuchy.

Ultrazvuková extrakce z rakytníkových bobulí

Pro sonikaci byly čerstvé celé bobule rakytníku (známé také jako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) rozmixovány na pyré v mixéru Vitamix po dobu 2 min. Byl přidán objem dH2O odpovídající 30% původního objemu pyré a směs byla promíchána. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) byl aplikován na 200 mL ředěného pyré pomocí ultrazvukového procesoru UIP500hdT (viz obrázek vlevo). Doba ošetření byla zvolena tak, aby se optimalizoval obsah živin a vzorek si zachoval stav blízký čerstvému. Výsledky ultrazvukové extrakce ukazují významné (P ≺ 0,05) zvýšení výtěžku extrakce z dužiny o 10% (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) a ze semen o 7% (z 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). Toto zvýšení výtěžku oleje zdůrazňuje funkčnost sonikace jako účinné a zelené technologie pro maximalizaci hodnoty suroviny. Ultrazvuková extrakce z rakytníkových bobulí vedla k vyššímu výtěžku oleje, ke zkrácení doby zpracování, ke snížení spotřeby energie a k vyloučení nebezpečných rozpouštědel.

Případová studie: Ultrazvuková homogenizace kombuchy z rakytníkových bobulí

Ultrazvukem ošetřená kombucha z bobulí rakytníku (sanddorne) vykazovala výrazně lepší stabilitu produktu. Ke 21. dni skladování zůstala sonikovaná bobulová kombucha homogenní. Skutečnost, že u sonikované bobulové kombuchy nebyla po celou dobu studie (21 dní, viz obrázek níže) pozorována žádná synereze, ukazuje, že samotný ultrazvuk je účinnou emulgační technikou schopnou zajistit stabilitu produktu a zabránit separaci fází.

Rakytníkové pyré bez ultrazvukového ošetření (P) a s ním (P+US) v den 0 a 21.
Studie a snímek:©Dornan et al., 2020.

Sonikace k zastavení fermentace

Byly připraveny čtyři vzorky kombuchy: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + sacharóza) a K+S+US (kombucha + sacharóza + ultrazvuk). Všechny vzorky byly připraveny z 200 mL rakytníkového pyré (P) nebo P+US a 12,5 g SCOBY. Vzorek K obsahoval P a SCOBY. Vzorek K+US obsahoval P+US a SCOBY. Vzorek K+S obsahoval P, 15,0 g sacharózy a SCOBY. Vzorek K+S+US obsahoval P+US, 15,0 g sacharózy a SCOBY. Všechny vzorky byly ponechány fermentovat na tmavém místě při pokojové teplotě po dobu pěti dnů. Na vzorky K+US a K+S+US bylo 5. den aplikováno druhé ošetření sonikací (90 W, 20 kHz, 10 min) k zastavení fermentace.

Konzervační účinky ultrazvuku na kombuchu

V rakytníkové kombuše snížila sonikace počáteční mikrobiální zátěž o 2,6 log CFU/mL, čímž zastavila fermentační proces ve zvoleném okamžiku a zabránila přefermentování. Řízené snížení počtu mikroorganismů navíc pomáhá prodloužit trvanlivost a zvýšit stabilitu finálního produktu, což usnadňuje komerční distribuci kombuchy.
Přečtěte si více o sonikaci jako netermální metodě pasterace šťáv!

Celkové výsledky u kombuchy ošetřené ultrazvukem

Sonikace snížila počáteční mikrobiální zátěž o 2,6 log CFU/mL, zvýšila hodnotu ORAC o 3% a zvýšila index rozpustnosti ve vodě (WSI) o 40% (z 6,64 na 9,29 g/g) bez synereze. Výsledky této studie naznačují, že použití sonikace může během fermentace zlepšit funkčnost fenolických látek a je schopno snížit synerezi, zvýšit výtěžek oleje, snížit mikrobiální zátěž a zvýšit ORAC s minimální ztrátou nutriční kvality. (srov. Dornan et al., 2020)

Ultrazvuková zařízení pro lepší výrobu kombuchy

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové přístroje, ultrazvukové bioreaktory a příslušenství pro zlepšené fermentační, extrakční a pasterační procesy používané při výrobě potravin a nápojů. Ultrazvukové systémy Hielscher pro zpracování potravin se používají v mnoha aplikacích jako bezpečná, spolehlivá a nákladově efektivní technologie pro výrobu vysoce kvalitních potravin a nápojů. Instalace a provoz všech ultrazvukových procesorů Hielscher jsou jednoduché: vyžadují jen málo místa a lze je snadno dodatečně zabudovat do stávajících výrobních zařízení.
Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s aplikací výkonového ultrazvuku v potravinářském a nápojovém průmyslu i v mnoha dalších průmyslových odvětvích. Naše ultrazvukové procesory jsou vybaveny snadno čistitelnými (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotrodami a průtokovými celami (smáčené části). Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Přesné nastavení amplitud a možnost přepínání mezi nízkými a vysokými amplitudami jsou důležité pro stimulaci nebo inaktivaci mikroorganismů. Tentýž ultrazvukový přístroj tak lze použít buď ke stimulaci mikroorganismů a zintenzivnění fermentace, nebo k inaktivaci mikroorganismů při pasteraci.
Špičková technologie, vysoký výkon a propracovaný software dělají z ultrazvukových přístrojů Hielscher Ultrasonics spolehlivé tahouny ve vašem procesu fermentace potravin. Díky malým rozměrům a všestranným možnostem instalace lze ultrazvukové přístroje Hielscher snadno integrovat nebo dodatečně zabudovat do stávajících výrobních linek.

Standardizace procesů s Hielscher Ultrasonics

Produkty v potravinářské kvalitě by měly být vyráběny v souladu se správnou výrobní praxí (GMP) a podle standardizovaných specifikací zpracování. Digitální extrakční systémy Hielscher Ultrasonics jsou vybaveny inteligentním softwarem, který usnadňuje přesné nastavení a řízení procesu sonikace. Automatický záznam dat ukládá všechny ultrazvukové procesní parametry, jako je ultrazvuková energie (celková a čistá energie), amplituda, teplota a tlak (pokud jsou namontována teplotní a tlaková čidla), s datem a časovým razítkem na vestavěnou SD kartu. To vám umožňuje zpětně zkontrolovat každou ultrazvukem zpracovanou šarži. Zároveň je zajištěna reprodukovatelnost a trvale vysoká kvalita produktu.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Kontaktujte nás nyní a dozvíte se více o vlastnostech a možnostech našich ultrazvukových pasteračních systémů. Rádi s vámi vaši aplikaci prodiskutujeme!

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: