Ultralydsforbedret kombuchafermentering

Sonikering fremmer fermenteringen i ultralydsfermenterede fødevarer såsom kombucha, kimchi og andre fermenterede grøntsager ved at øge masseoverførslen, nedbryde mikrobielle celler, aktivere enzymer og forbedre homogeniteten, hvilket i sidste ende fører til højere fermenteringshastigheder og fremstilling af et produkt af overlegen kvalitet. Sonikering igangsætter gavnlige ændringer i bioaktive forbindelser under mælkesyrefermentering og øger dermed indholdet af næringsstoffer og fytokemikalier.

Kombucha og fermenterede drikkevarer

Kombucha fremstilles ved at fermentere sukkerholdig te ved hjælp af en “symbiotisk kultur af bakterier og gær” (SCOBY), som også almindeligvis kaldes en “moder” eller “tesvamp”. Sammensætningen og forholdet mellem mikrobielle populationer i en SCOBY kan variere ganske betydeligt. Gærkomponenten omfatter generelt Saccharomyces cerevisiae sammen med andre arter af Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces og Kluyveromyces; bakteriekomponenten omfatter næsten altid Komagataeibacter xylinus (tidligere Gluconacetobacter xylinus), som fermenterer alkoholer produceret af gæren til eddikesyre og andre syrer, hvilket øger surhedsgraden og begrænser ethanolindholdet.
Tilsvarende podes andre fermenterede drikkevarer såsom fermenterede frugt- og grøntsagssafter med bakterier og gær.
Behandling med ultralyd kan forbedre fermenteringseffektiviteten og den fermenterede drikkevares kvalitetsegenskaber, herunder næringsstofindhold og smag.

Ultralydsintensiveret kombuchafermentering

Ultralydsbølger er velkendte for at stimulere væksten af bakterier og gær. Kontrolleret, mild sonikering af kombuchakulturer (SCOBY, også kendt som tesvamp eller manchurisk svamp) kan derfor fremme fermenteringsprocessen og føre til et højere kombuchaudbytte på kortere fermenteringstid.
Ultralydsstimuleret fermentering udviser øget membranpermeabilisering og dermed øget masseoverførsel. Den sonomekaniske behandling med ultralydsbølger perforerer mikroorganismernes cellevægge og plasmamembraner (en proces kaldet sonoporation). Nogle celler kan endda blive sprængt. Disse nedbrudte celler frigiver vækstfremmende faktorer såsom vitaminer, nukleotider, aminosyrer og enzymer, der kan stimulere væksten af både bakterier med intakte celler og bakterier med beskadigede membraner.
Ultralydsbehandling før fermenteringen samt i lag- og logfaserne viste de mest markante virkninger på stimulering af bakterievækst.

Fordelene ved sonikering til kombuchafermentering

Hvordan fremmer ultralyd fermenteringsprocessen og hjælper med at fremstille bedre kombucha, fermenterede grøntsager, koji osv.? Sonikering intensiverer fermenteringen på flere måder, som demonstreres nedenfor med fermenteret kombucha som eksempel. Kombucha er en fermenteret drikkevare, der traditionelt fremstilles med sødet te og en symbiotisk kultur af bakterier og gær (SCOBY). Fortyndede frugtpuréer giver en næringsrig og smagfuld base til kombuchaproduktion. Nedenfor kan du læse, hvordan sonikering fremmer fremstillingen af en

• Øget masseoverførsel: Ultralydsbølger skaber mikroskopiske kavitationsbobler i væsken, hvilket fører til dannelse af mikrostrømninger, væskestråler og turbulens. Denne omrøring øger masseoverførslen ved at øge kontakten mellem de mikroorganismer, der er ansvarlige for fermenteringen, og næringsstofferne i mediet. Som følge heraf optages næringsstofferne mere effektivt af de fermenterende mikroorganismer, hvilket fører til højere fermenteringshastigheder.
• Cellenedbrydning: Sonikatorer er velkendte for deres effektivitet ved cellelyse og ekstraktion. Ved fermentering af fødevarer nedbryder sonikatorer mikrobielle cellevægge og frigiver intracellulære enzymer og metabolitter, som kan katalysere fermenteringsreaktionerne yderligere. Denne nedbrydning øger frigivelsen af smagsstoffer, vitaminer og organiske syrer fra de mikrobielle celler og bidrager dermed til det fermenterede produkts smagskompleksitet og næringsrigdom. I ultralydsfermenteret havtornkombucha kan der måles en signifikant højere andel af fenoliske forbindelser. (jf. Dornan et al., 2020)
• Tilberedning af næringsrige fermenteringssubstrater: Ultralydsekstraktion hjælper med at tilberede et fermenteringssubstrat, der indeholder mange næringsstoffer i en form, som er tilgængelig for mikrobiel nedbrydning. Det betyder, at bioaktive forbindelser såsom stivelse og sukkerarter i ultralydsbehandlede fermenteringssubstrater (f.eks. frugt- og grøntsagspuréer) frigøres fra plantecellernes intracellulære matrix. Mikroorganismer kan let udnytte substratet som næring, hvilket fremskynder og forkorter fermenteringsprocessen. Det samme gælder polyfenoler, flavonoider og vitaminer, som frigives fra intracellulære matricer og bidrager til den fermenterede fødevares eller drikkevares samlede næringsværdi.
• Øget enzymaktivitet: Sonikering aktiverer eller øger aktiviteten af visse enzymer, der indgår i fermenteringsprocesser. For eksempel øger den aktiviteten af cellulase og amylase, som er afgørende enzymer for nedbrydningen af komplekse kulhydrater til enklere sukkerarter, der derefter fermenteres af mikroorganismerne i kombuchakulturen.
• Forbedret homogenitet: Da kræfterne fra sonikering altid medfører blanding, sikrer ultralydsbehandlingen en bedre homogenisering af fermenteringsblandingen, hvilket resulterer i en ensartet fordeling af næringsstoffer og mikroorganismer i hele mediet. Denne ensartethed fremmer ensartet fermenteringskinetik og fremstilling af et kombuchaprodukt af høj kvalitet med ønskelige sensoriske egenskaber.

Ultralydsstimulering af mikrobiel vækst er mest effektiv, når ultralyd anvendes før fermenteringen eller i lag- og logfaserne.

Casestudie: Ultralydsstimulering af æblesaftfermentering

Forskning viste, at ultralydsbehandling i lag- og logaritmiske faser under fermenteringen af æblesaft fremmede mikrobiel vækst og intensiverede biotransformationen af æblesyre til mælkesyre. For eksempel nåede mikrobielt celletal og mælkesyreindhold i de ultralydsbehandlede prøver ved 58,3 W/L efter sonikering i lagfasen i 0,5 h henholdsvis 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL og 133,70 ± 7,39 mg/L, hvilket var signifikant højere end i de ikke-sonikerede prøver. Desuden havde sonikering i lag- og logaritmiske faser komplekse virkninger på metabolismen af fenoliske forbindelser i æbler såsom chlorogensyre, koffeinsyre, procyanidin B2, catechin og gallussyre. Ultralyd kunne påvirke hydrolysen af chlorogensyre til koffeinsyre, omdannelsen af procyanidin B2 og decarboxyleringen af gallussyre positivt. Metabolismen af organiske syrer og frie aminosyrer i de sonikerede prøver var statistisk korreleret med metabolismen af fenoliske forbindelser, hvilket tyder på, at ultralyd kan fremme dannelsen af fenoliske derivater ved at forbedre den mikrobielle metabolisme af organiske syrer og aminosyrer. (jf. Wang et al., 2021)

Casestudie: Ultralydsforbedret fermentering af sojamælk

Forskerholdet fra Ewe et al. (2012) undersøgte ultralydens virkninger på den metaboliske effektivitet hos stammer af laktobaciller (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) under fermentering af sojamælk. Det blev observeret, at ultralydsbehandlingen permeabiliserede bakteriernes cellemembraner. De permeabiliserede cellemembraner resulterede i forbedret næringsstofoptagelse og efterfølgende øget vækst (P ≺ 0,05). Højere amplituder og længere sonikeringsbehandlinger fremmede væksten af laktobaciller i sojamælk med levedygtige celletal på over 9 log CFU/mL. Laktobacillernes intracellulære og ekstracellulære specifikke β-glucosidaseaktiviteter blev også øget (P ≺ 0,05) ved sonikering, hvilket førte til øget biokonvertering af isoflavoner i sojamælk, især genistin og malonylgenistin til genistein. Resultaterne fra dette studie viser, at ultralydsbehandling af laktobacilceller fremmer (P ≺ 0,05) cellernes β-glucosidaseaktivitet og dermed øger (P ≺ 0,05) biokonverteringen af isoflavonglucosider til bioaktive aglykoner i sojamælk. (jf. Ewe et al., 2012)

Scanningelektronmikroskopiske billeder af laktobaciller uden behandling (A) og laktobaciller behandlet med ultralyd ved 60% amplitude i 3 min (B). Cirklerne viser sprængte celler og celler med porer.
(Studie og billeder: ©Ewe et al., 2012)

Ekstraktion af næringsstoffer og smagsstoffer i kombucha og fermenterede drikkevarer

Fermenteret te samt fermenterede saft- og grøntsagsdrikke, f.eks. fermenteret æble- eller morbærsaft eller kombucha tilsat frugt, har betydelig smagsmæssig og ernæringsmæssig gavn af ultralydsbehandling. Ultralydsbølgerne nedbryder plantestrukturernes celler og frigiver intracellulære forbindelser såsom smagsstoffer, polyfenoler, antioxidanter og flavonoider. Samtidig giver ultralydshomogenisering en ensartet dispergeret og emulgeret drikkevare, der forhindrer faseadskillelse og har et tiltalende udseende for forbrugerne. Nedenfor kan du se et eksempel på en ultralydsbehandlet havtornkombucha uden faseadskillelse sammenlignet med en ubehandlet version.
Læs mere om ultralydsekstraktion af smagsstoffer og næringsstoffer!

Casestudie: Ultralydskonserveret kombucha

Ultralydsbehandling kan påvirke mikroorganismer ved enten at stimulere eller inaktivere dem. Enzymer påvirkes også af sonikering: Ultralyd kan ændre egenskaberne ved enzymer, substrater og deres reaktioner. Disse virkninger af lavfrekvent ultralyd anvendes i fødevareforarbejdning som et ikke-termisk alternativ til pasteurisering af fødevarer og drikkevarer. Sonikering har den fordel, at procesparametre såsom amplitude, tid, temperatur og tryk kan styres præcist, hvilket muliggør målrettet inaktivering af mikroorganismer. Inaktivering af den mikrobielle belastning i kombucha og fermenterede drikkevarer gør det muligt at øge holdbarheden og produktstabiliteten. En reduktion af mikroorganismer og enzymer letter den kommercielle distribution på grund af slutproduktets forlængede holdbarhed. Sonikering er en ikke-termisk pasteuriseringsmetode, som allerede anvendes i kommerciel fødevareforarbejdning, f.eks. til pasteurisering af saft. Især ved højere amplituder inaktiverer ultralyd bakterier og gær ved at beskadige cellevæggene. Dette resulterer i langsommere eller standset mikrobiel vækst. For eksempel undersøgte Kwaw et al. (2018) ultralyd som en ikke-termisk pasteuriseringsstrategi til mælkesyrefermenteret morbærsaft. Ultralydsbehandlet fermenteret morbærsaft havde et højere indhold af fenoliske forbindelser (1700,07 ± 2,44 μg/mL) end kontrolprøven, som var ubehandlet fermenteret morbærsaft. “Blandt de enkelte ikke-termiske behandlinger medførte sonikering en signifikant (p < 0,05) stigning i den mælkesyrefermenterede morbærsafts fenoliske egenskaber og antioxidantegenskaber sammenlignet med behandlingen med pulserende lys.” (Kwaw et al., 2018)
Selvom kombucha er en drikkevare, der er kendt for sine levende kulturer, kan en kontrolleret reduktion af mikroorganismer anvendes til at forlænge holdbarheden af kommercielt distribuerede kombuchadrikke.
Almindelig termisk pasteurisering dræber alle de levende gærsvampe og bakterier, som normalt findes i kombucha og er en af hovedfaktorerne bag dens sundhedsfremmende virkninger. Ultralydspasteurisering er en ikke-termisk konserveringsmetode, som kan anvendes til enten at reducere det mikrobielle celletal eller eliminere mikroorganismer fuldstændigt. Det betyder, at kommercielle producenter kan anvende ultralyd ved lavere amplituder og i kortere perioder for at reducere antallet af bakterier og gærsvampe uden at eliminere dem fuldstændigt. Dermed findes der stadig levende kulturer i kombuchaen, dog i et lavere antal, så holdbarheden og opbevaringstiden forbedres.

Videnskabeligt dokumenterede resultater i ultralydsbehandlet kombucha

Dornan et al. (2020) undersøgte virkningerne af lavfrekvent ultralyd på kombucha fremstillet med havtornbær ved hjælp af sonikatoren UIP500hdT. Forskerholdet kunne påvise flere gavnlige virkninger af sonikering på tilberedningen af havtornbær og den efterfølgende kombuchafermentering.

Ultralydsekstraktion af havtornbær

Til sonikering blev friske, hele havtornbær (også kendt som sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) pureret i en Vitamix-blender i 2 min. Et volumen dH2O svarende til 30% af det oprindelige purévolumen blev tilsat og blandet. Ultralyd (90 W, 20 kHz, 10 min) blev påført 200 mL af den fortyndede puré ved hjælp af ultralydsprocessoren UIP500hdT (se billedet til venstre). Behandlingstiden blev valgt for at optimere næringsstofferne og bevare prøven i en tilstand, der lignede den friske. Resultaterne af ultralydsekstraktionen viser en signifikant (P ≺ 0,05) stigning i ekstraktionsudbyttet på 10% fra frugtkødet (fra 19,04 ± 0,08 til 20,97 ± 0,29%) og på 7% fra frøene (fra 14,81 ± 0,08 til 15,83 ± 0,28%). Denne stigning i olieudbyttet fremhæver sonikeringens funktion som en effektiv og grøn teknologi til at maksimere råvarernes værdi. Ultralydsekstraktion fra havtornbær resulterede i et højere olieudbytte, reduceret behandlingstid og energiforbrug samt undgåelse af farlige opløsningsmidler.

Casestudie: Ultralydshomogenisering af havtornkombucha

Den ultralydsbehandlede havtornkombucha (sanddorne) viste en signifikant forbedret produktstabilitet. På opbevaringsdag 21 var den sonikerede bærkombucha fortsat homogen. At der ikke blev observeret synerese i den sonikerede bærkombucha gennem hele studiet (21 dage, se billedet nedenfor), viser, at ultralyd alene er en effektiv emulgeringsteknik, der kan sikre produktstabilitet og forhindre faseadskillelse.

Havtornpuré (P) uden og med ultralydsbehandling (P+US) på dag 0 og 21.
Studie og billede:©Dornan et al., 2020.

Sonikering til standsning af fermentering

Der blev fremstillet fire kombuchaprøver: K (kombucha), K+US (kombucha + ultralyd), K+S (kombucha + saccharose) og K+S+US (kombucha + saccharose + ultralyd). Alle prøver blev tilberedt med 200 mL havtornpuré (P) eller P+US og 12,5 g SCOBY. K bestod af P og SCOBY. K+US bestod af P+US og SCOBY. K+S bestod af P, 15,0 g saccharose og SCOBY. K+S+US bestod af P+US, 15,0 g saccharose og SCOBY. Alle prøver blev stillet til fermentering på et mørkt sted ved stuetemperatur i fem dage. En anden sonikeringsbehandling (90 W, 20 kHz, 10 min) blev anvendt på K+US og K+S+US for at standse fermenteringen på dag 5.

Ultralydens konserverende virkninger på kombucha

I havtornkombucha reducerede sonikering den oprindelige mikrobielle belastning med 2,6 log CFU/mL og standsede dermed fermenteringsprocessen på et valgt tidspunkt for at forhindre overfermentering. Desuden bidrager den kontrollerede mikrobielle reduktion til at øge slutproduktets holdbarhed og stabilitet, hvilket letter den kommercielle distribution af kombucha.
Læs mere om sonikering som en ikke-termisk metode til pasteurisering af saft!

Samlede resultater i ultralydsbehandlet kombucha

Sonikering reducerede den oprindelige mikrobielle belastning med 2,6 log CFU/mL, øgede ORAC-værdien med 3% og øgede vandopløselighedsindekset (WSI) med 40% (fra 6,64 til 9,29 g/g) uden synerese. Resultaterne fra dette studie tyder på, at anvendelse af sonikering kan forbedre fenoliske forbindelsers funktionalitet under fermenteringen og kan reducere synerese, øge olieudbyttet, reducere den mikrobielle belastning og øge ORAC med minimalt tab af ernæringsmæssig kvalitet. (jf. Dornan et al., 2020)

Ultralydsudstyr til forbedret kombuchabrygning

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende sonikatorer, ultralydsbioreaktorer og tilbehør til forbedrede fermenterings-, ekstraktions- og pasteuriseringsprocesser, der anvendes i fødevare- og drikkevareproduktion. Hielschers ultralydssystemer til fødevareforarbejdning anvendes til mange forskellige formål og udgør en sikker, pålidelig og omkostningseffektiv teknologi til fremstilling af fødevarer og drikkevarer af høj kvalitet. Installation og drift af alle Hielschers ultralydsprocessorer er enkel: De kræver kun lidt plads og kan let eftermonteres i eksisterende forarbejdningsanlæg.
Hielscher Ultrasonics har mange års erfaring med anvendelse af effektultralyd i fødevare- og drikkevareindustrien samt i mange andre industribrancher. Vores ultralydsprocessorer er udstyret med sonotroder og flowceller (de væskekontaktende dele), der er nemme at rengøre (rengøring på stedet, CIP / sterilisering på stedet, SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Den præcise indstilling af amplituder og muligheden for at skifte mellem lave og høje amplituder er vigtige for at stimulere eller inaktivere mikroorganismer. Dermed kan den samme sonikator anvendes til enten at stimulere mikroorganismer og øge fermenteringen eller til at inaktivere mikroorganismer med henblik på pasteurisering.
Den nyeste teknologi, høj ydeevne og avanceret software gør Hielscher Ultrasonics’ sonikatorer til pålidelige arbejdsheste i din fødevarefermenteringsproces. Med et lille pladsbehov og alsidige installationsmuligheder kan Hielschers sonikatorer let integreres eller eftermonteres i eksisterende produktionslinjer.

Processtandardisering med Hielscher Ultrasonics

Produkter af fødevarekvalitet bør fremstilles i overensstemmelse med god fremstillingspraksis (GMP) og efter standardiserede forarbejdningsspecifikationer. Hielscher Ultrasonics’ digitale ekstraktionssystemer leveres med intelligent software, som gør det nemt at indstille og styre sonikeringsprocessen præcist. Automatisk dataregistrering gemmer alle ultralydsprocesparametre såsom ultralydsenergi (samlet energi og nettoenergi), amplitude, temperatur og tryk (når temperatur- og tryksensorer er monteret) med dato- og tidsstempel på det indbyggede SD-kort. Dette gør det muligt at gennemgå hvert ultralydsbehandlet parti. Samtidig sikres reproducerbarhed og vedvarende høj produktkvalitet.
Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.
Kontakt os nu for at få mere at vide om funktionerne og kapaciteten i vores ultralydspasteuriseringssystemer. Vi drøfter gerne din anvendelse med dig!

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores sonikatorers omtrentlige behandlingskapacitet: