Ultrazvukem vylepšená fermentace kombuchy

Sonikace podporuje fermentaci v ultrazvukem fermentovaných potravinách, jako je kombucha, kimchi a další fermentovaná zelenina, tím, že zvyšuje přenos hmoty, narušuje mikrobiální buňky, aktivuje enzymy a zlepšuje homogenitu, což v konečném důsledku vede ke zrychlené rychlosti fermentace a výrobě produktu nejvyšší kvality. Sonikace iniciuje prospěšné změny v bioaktivních sloučeninách během mléčného kvašení, čímž se zvyšuje obsah nutričních sloučenin a fytochemikálií.

Kombucha a kvašené nápoje

Kombucha se vyrábí kvašením zcukřeného čaje pomocí “Symbiotická kultura bakterií a kvasinek” (SCOBY), kterému se také běžně říká “matka” nebo “čajová houba”. Rozmanitost a poměr mikrobiálních populací ve SCOBY se může značně lišit. Kvasinková složka obecně zahrnuje Saccharomyces cerevisiae spolu s dalšími druhy 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 octové a jiné kyseliny, čímž zvyšuje kyselost a omezuje obsah etanolu.
Podobně jsou bakteriemi a kvasinkami naočkovány i jiné kvašené nápoje, jako jsou fermentované ovocné a zeleninové šťávy.
Ošetření ultrazvukem může zlepšit účinnost kvašení a kvalitativní vlastnosti kvašeného nápoje, včetně obsahu živin a chuti.

Ultrazvukem zesílená fermentace kombuchy

Je dobře známo, že ultrazvukové vlny stimulují růst bakterií a kvasinek. Kontrolovaná mírná sonikace kombuchových kultur (SCOBY, také známá jako čajová houba, čajová houba nebo mandžuská houba) proto může podpořit proces fermentace a vést k vyšším výnosům kombuchy ve zrychlené době fermentace.
Ultrazvukem stimulovaná fermentace vykazuje zvýšenou propustnost membrány a tím zvýšený přenos hmoty. Sonomechanické ošetření ultrazvukovými vlnami perforuje buněčné stěny a plazmatické membrány mikroorganismů (proces nazývaný sonoporace). Některé buňky mohou být dokonce prasklé. Tyto narušené buňky uvolňují faktory podporující růst, jako jsou vitamíny, nukleotidy, aminokyseliny a enzymy, které by mohly stimulovat růst buněčně neporušených bakterií i bakterií s oslabenou membránou.
Ultrazvukové ošetření před fermentací, stejně jako ve fázích lag a log ukázaly nejvýraznější účinky na stimulaci růstu bakterií.

Výhody sonikace na fermentaci kombuchy

Jak ultrazvuk podporuje proces fermentace a pomáhá vyrábět lepší kombuchu, rostlinné fermenty, koji atd.? Sonikace intenisfuje fermentaci několika způsoby, které jsou demonstrovány níže v souvislosti s fermentovanou kombuchou. Kombucha je fermentovaný nápoj tradičně vyráběný ze slazeného čaje a symbiotické kultury bakterií a kvasinek (SCOBY). Zředěná ovocná pyré poskytují výživný a chutný základ pro výrobu kombuchy. Níže se dozvíte, jak ultrazvuku podporuje produkci a

• Zvýšený přenos hmoty: Ultrazvukové vlny vytvářejí v kapalině mikroskopické kavitační bubliny, což vede k tvorbě mikroproudění, kapalinových trysek a turbulencí. Toto míchání zvyšuje přenos hmoty tím, že zvyšuje kontakt mezi mikroorganismy odpovědnými za fermentaci a živinami v médiu. Výsledkem je, že živiny jsou účinněji absorbovány fermentujícími mikroorganismy, což vede ke zrychlené rychlosti fermentace.
• Narušení buněk: Sonikátory jsou dobře známé svou účinností při lýze a extrakci buněk. Při fermentaci potravin sonikátory narušují mikrobiální buněčné stěny a uvolňují intracelulární enzymy a metabolity, které mohou dále katalyzovat fermentační reakce. Toto narušení zvyšuje uvolňování chuťových sloučenin, vitamínů a organických kyselin z mikrobiálních buněk, což přispívá ke komplexnosti chuti a bohatosti živin fermentovaného produktu. V ultrazvukem fermentované rakytníkové kombuche lze měřit 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 v dostupné formě pro mikrobiální trávení. To znamená, že v ultrazvukem ošetřených fermentačních substrátech (např. ovocných a zeleninových pyré) se z intracelulární matrice rostlinných buněk uvolňují bioaktivní sloučeniny, jako jsou škroby a cukry. Mikrobi se mohou snadno živit substrátem, což urychluje a zkracuje proces fermentace. Totéž platí pro polyfenoly, flavonoidy a vitamíny, které se uvolňují z intracelulárních matric a přispívají k celkové nutriční hodnotě fermentovaných potravin nebo nápojů.
• Zvýšená aktivita enzymů: Sonikace aktivuje nebo zvyšuje aktivitu určitých enzymů zapojených do fermentačních procesů. Zvyšuje například aktivitu celulázy a amylázy, enzymů klíčových pro rozklad složitých sacharidů na jednodušší cukry, které jsou následně fermentovány mikroorganismy přítomnými v kombuchové kultuře.
• Zlepšená homogenita: Vzhledem k tomu, že sonikační síly vedou vždy k míchání a míchání, ultrazvukové ošetření zajišťuje lepší homogenizaci fermentační směsi, což má za následek rovnoměrnou distribuci živin a mikroorganismů v celém médiu. Tato jednotnost podporuje konzistentní kinetiku fermentace a výrobu vysoce kvalitního kombuchového produktu s žádoucími senzorickými vlastnostmi.

Ultrazvuková stimulace mikrobiálního růstu je nejúčinnější, když je ultrazvuk aplikován před fermentací nebo ve fázích zpoždění a logu.

Případová studie: Ultrazvuková stimulace fermentace jablečné šťávy

Výzkum ukázal, že ultrazvukové ošetření v lagaritmických a logaritmických fázích během fermentace jablečné šťávy podporovalo mikrobiální růst a zintenzivňovalo biotransformaci kyseliny jablečné na kyselinu mléčnou. Například po sonikaci ve fázi zpoždění po dobu 0,5 hodiny dosáhl počet mikrobů a obsah kyseliny mléčné ve vzorcích ošetřených ultrazvukem při 58,3 W / l 7,91 ± 0,01 log CFU / ml a 133,70 ± 7,39 mg / l, což bylo výrazně vyšší než u nesonikovaných vzorků. Navíc ultrazvuku v lagaritmických a logaritmických fázích měl komplexní vliv na metabolismus jablečných fenolů, jako je kyselina chlorogenová, kyselina kávová, prokyanidin B2, katechin a kyselina gallová. Ultrazvuk by mohl pozitivně ovlivnit hydrolýzu kyseliny chlorogenové na kyselinu kávovou, přeměnu prokyanidinu B2 a dekarboxylaci kyseliny gallové. Metabolismus organických kyselin a volných aminokyselin v sonikovaných vzorcích byl statisticky korelován s fenolickým metabolismem, což znamená, že ultrazvuk může prospět fenolické derivaci zlepšením mikrobiálního metabolismu organických kyselin a aminokyselin. (srov. Wang et al., 2021)

Případová studie: Ultrazvukem vylepšená fermentace sójového mléka

Výzkumný tým Ewe et al. (2012) zkoumal vliv 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 prostupuje buněčnými membránami bakterií. Permeabilizované buněčné membrány vedly ke zlepšení internalizace živin a následnému zvýšení růstu (P ≺ 0,05). Vyšší amplitudy a delší trvání sonikační léčby podporovaly růst laktobacilů v sójovém mléce, přičemž životaschopné počty přesahovaly 9 log CFU / ml. Intracelulární a extracelulární β-glukosidázové specifické aktivity laktobacilů byly také zvýšeny (P ≺ 0,05) ultrazvukem, což vedlo ke zvýšené biokonverzi isoflavonů v sójovém mléce, zejména genistinu a malonyl genistinu na genistein. Výsledky této studie ukazují, že ultrazvuková léčba laktobacilových buněk podporuje (P ≺ 0,05) aktivitu buněk β-glukosidázy ve prospěch zvýšené (P ≺ 0,05) biokonverze isoflavonových glukosidů na bioaktivní aglykony v sójovém mléce. (srov. Ewe et al., 2012)

Skenovací elektronové mikroskopy laktobacilů bez léčby (A) a laktobacilů ošetřených ultrazvukem při 60% amplitudě po dobu 3 min (B). Kruhy zobrazující prasklé buňky a buňky s póry.
(Studie a obrázky: ©Ewe et al., 2012)

extrakce nutričních látek a příchutí v kombuche a fermentovaných nápojích

Fermentovaný čaj, džus a rostlinné nápoje, např. fermentovaná jablečná nebo morušová šťáva nebo kombuchy s ovocnými plody, mají z ultrazvukového ošetření významný prospěch z hlediska chuti a živin. Ultrazvukové vlny narušují buněčné struktury rostlinných materiálů a uvolňují intracelulární sloučeniny, jako jsou příchutě, polyfenoly, antioxidanty a flavonoidy. Ultrazvuková homogenizace zároveň poskytuje rovnoměrně dispergovaný a emulgovaný nápoj, který zabraňuje oddělení fází a nabízí spotřebitelům atraktivní vzhled. Níže si můžete prohlédnout příklad ultrazvukem ošetřené kombuchy z bobulí rakytníku řešetlákového bez fázového oddělení ve srovnání s neošetřenou verzí.
Přečtěte si více o ultrazvukové extrakci chuti a živin!

Případová studie: Ultrazvukem konzervovaná kombucha

Ultrazvuková léčba může ovlivnit mikroby buď jejich stimulací, nebo inaktivací. Sonikace ovlivňuje také enzymy: Ultrazvuk může měnit vlastnosti enzymů, substrátů a jejich reakcí. Tyto účinky nízkofrekvenčního ultrazvuku se využívají při zpracování potravin jako netepelná alternativa pasterizace potravin a nápojů. Sonikace nabízí výhodu přesné kontroly parametrů procesu, jako je amplituda, čas, teplota a tlak, což umožňuje cílenou inaktivaci mikroorganismů. Inaktivace mikrobiální zátěže v kombuchách a fermentovaných nápojích umožňuje zvýšit trvanlivost a stabilitu výrobku. Snížení počtu mikrobů a enzymů usnadňuje komerční distribuci díky prodloužené trvanlivosti konečného výrobku. Ultrazvuk je netepelná metoda pasterizace, která se již používá při komerčním zpracování potravin, například při pasterizaci 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 netepelnou pasterační strategii pro šťávu z moruše fermentovanou kyselinou mléčnou. Ultrazvukem ošetřená fermentovaná morušová šťáva měla vyšší obsah fenolických látek (1700,07 ± 2,44 μg/ml) než kontrola, tedy neošetřená fermentovaná morušová šťáva. “Mezi jednotlivými netermálními ošetřeními způsobila ultrazvuková terapie významné (p < 0.05) zvýšení fenolových a antioxidačních vlastností šťávy z moruše fermentované kyselinou mléčnou ve srovnání s ošetřením pulzním světlem.” (Kwaw et al., 2018)
Zatímco kombucha je nápoj známý svými kulturami života, lze použít řízenou redukci mikrobů, aby se prodloužila trvanlivost komerčně distribuovaných kombuchových nápojů.
Pravidelná tepelná pasterizace zabíjí všechny živé kvasinky a bakterie, které jsou běžně přítomny v kombuche a jsou jedním z hlavních faktorů jejích zdraví prospěšných účinků. Ultrazvuková pasterizace je netepelná konzervační metoda, kterou lze použít buď ke snížení počtu mikroorganismů, nebo k úplné eliminaci mikroorganismů. To znamená, že komerční výrobci mohou aplikovat ultrazvuk s nižšími amplitudami a na kratší dobu, aby snížili počet bakterií a kvasinek, aniž by je zcela eliminovali. Díky tomu jsou v kombuchě stále přítomny živé kultury, i když v nižším počtu, aby se zlepšila skladovatelnost a doba skladování.

Vědecky prokázané výsledky v ultrazvukem ošetřené kombuche

Dornan et al. (2020) zkoumali účinky nízkofrekvenčního ultrazvuku na kombuchu vyrobenou z bobulí rakytníku pomocí sonikátoru UIP500hdT. Výzkumný tým by mohl prokázat několik příznivých účinků ultrazvuku na přípravu bobulí rakytníku řešetlákového a následnou fermentaci kombuchy.

Ultrazvuková extrakce bobulí rakytníku řešetlákového

Sonikace čerstvých celých plodů rakytníku řešetlákového (také známého jako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) byla mixována pomocí mixéru Vitamix po dobu 2 minut. Byl přidán objem dH2O rovnající se 30 % původního objemu pyré a smíchán. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) byl aplikován na 200 ml zředěného pyré pomocí ultrazvukového procesoru UIP500hdT (viz obrázek vlevo). Doba ošetření byla zvolena tak, aby optimalizovala živiny a udržela vzorek v čerstvém stavu. Výsledky ultrazvukové extrakce ukazují významné (P ≺ 0,05) zvýšení o 10% výtěžek extrakce z buničiny (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) a o 7% pro osivo (ze 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). Toto zvýšení výtěžnosti oleje zdůrazňuje funkčnost sonikace jako účinné a zelené technologie pro maximalizaci hodnoty suroviny. Ultrazvuková extrakce z bobulí rakytníku řešetlákového vedla k vyššímu výtěžku oleje a zkrácení doby zpracování, spotřebě energie a vyhýbání se nebezpečným rozpouštědlům.

Případová studie: Ultrazvuková homogenizace kombuchy z bobulí rakytníku řešetlákového

Ultrazvukem ošetřená kombucha z plodů rakytníku řešetlákového (sanddorne) vykazovala výrazně lepší stabilitu produktu. Do 21. dne skladování zůstala sonicky ošetřená bobulová kombucha homogenní. Skutečnost, že u sonikované bobulové kombuchy nebyla po celou dobu studie (21 dní, viz obrázek níže) pozorována žádná syneréza, ukazuje, že samotný ultrazvuk je účinnou emulgační technikou schopnou zajistit stabilitu výrobku a zabránit oddělování fází.

Rakytníkové pyré (P) bez a s ultrazvukovým ošetřením (P+US) v den 0 a 21.
Studie a obrázek: ©Dornan et al., 2020.

Ultrazvuku k zastavení fermentace

Byly vyrobeny 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. K se skládalo z P a SCOBY. K+US se skládal z P+US a SCOBY. K+S se skládal z P, 15,0 g sacharózy a SCOBY. K+S+US se skládal z P+US, 15,0 g sacharózy a SCOBY. Všechny vzorky byly ponechány kvasit na tmavém místě při pokojové teplotě po dobu pěti dnů. Druhá sonikační léčba (90 W, 20 kHz, 10 min) byla aplikována na K + US a K + S + US k zastavení fermentace v den 5.

Ultrazvukové konzervační účinky na kombuchu

V rakytníkové kombuche sonikace snížila počáteční mikrobiální zátěž o 2,6 log CFU / ml, čímž se zastavil proces fermentace ve zvoleném čase, aby se zabránilo nadměrnému kvašení. Řízená mikrobiální redukce navíc pomáhá prodloužit trvanlivost a stabilitu konečného produktu, což usnadňuje komerční distribuci kombuchy.
Přečtěte si více o ultrazvuku jako metodě pasterizace netermální šťávy!

Celkové výsledky v ultrazvukem ošetřené kombuche

Ultrazvuku snížil počáteční mikrobiální zatížení o 2,6 log CFU / ml, zvýšil hodnotu ORAC o 3% a zvýšil index rozpustnosti vody (WSI) o 40% (z 6,64 na 9,29 g / g) bez synerézy. Výsledky této studie naznačují, že aplikace ultrazvuku může zlepšit fenolickou funkčnost během fermentace a je schopna snížení synerézy, zvýšení výtěžnosti oleje, snížení mikrobiální zátěže a zvýšení ORAC s minimální ztrátou nutriční kvality. (srov. Dornan et al., 2020)

Ultrazvukové zařízení pro vylepšené vaření kombuchy

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové přístroje, ultrazvukové bioreaktory a příslušenství pro zlepšené procesy fermentace, extrakce a pasterizace používané v potravinách & výroba nápojů. Hielscher ultrazvukové systémy zpracování potravin se používají pro různé aplikace, které jsou bezpečnou, spolehlivou a nákladově efektivní technologií pro výrobu vysoce kvalitních potravin a nápojů. Instalace a obsluha všech ultrazvukových procesorů Hielscher je jednoduchá: Vyžadují jen málo místa, lze je snadno dodatečně namontovat do stávajících zpracovatelských zařízení.
Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s aplikací výkonového ultrazvuku v potravinách & nápojový průmysl, ale i mnoho dalších průmyslových odvětví. Naše ultrazvukové procesory jsou vybaveny snadno čistitelnými sonotrodami (čištění na místě CIP / sterilizace na místě SIP) sonotrodami a průtokovými buňkami (mokré části). Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Přesné ladění amplitud a možnost přepínat mezi nízkými a vysokými amplitudami jsou důležité pro stimulaci nebo inaktivaci mikroorganismů. Tímto způsobem může být stejný ultrasonicator použit buď ke stimulaci mikrobů zvyšujících fermentaci, nebo k inaktivaci mikroorganismů pro pasterizaci.
Díky nejmodernější technologii, vysoce výkonnému a sofistikovanému softwaru je Hielscher Ultrasonics’ Spolehliví tažní koně v procesu fermentace potravin. S malým půdorysem a všestrannými možnostmi instalace lze Hielscher ultrasonicators snadno integrovat nebo dodatečně namontovat do stávajících výrobních linek.

Standardizace procesů s Hielscher Ultrasonics

Potravinářské výrobky by měly být vyráběny v souladu se správnou výrobní praxí (SVP) a podle standardizovaných specifikací zpracování. Hielscher Ultrasonics’ digitální extrakční systémy jsou vybaveny inteligentním softwarem, který usnadňuje přesné nastavení a řízení procesu sonikace. Automatický záznam dat zaznamenává všechny parametry ultrazvukového procesu, jako je energie ultrazvuku (celková a čistá energie), amplituda, teplota, tlak (pokud jsou namontovány teplotní a tlakové senzory) s datem a časovým razítkem na vestavěnou kartu SD. To umožňuje revidovat každou ultrazvukem zpracovávanou šarži . Zároveň je zajištěna reprodukovatelnost a trvale vysoká kvalita výrobků.
Hielscher Ultrasonics’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Chcete-li se dozvědět více o funkcích a schopnostech našich ultrazvukových pasterizačních systémů, kontaktujte nás. Rádi s vámi prodiskutujeme vaši aplikaci!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: