Durch Ultraschall verbesserte Kombucha-Fermentation

Die Beschallung fördert die Fermentation bei ultraschallfermentierten Lebensmitteln wie Kombucha, Kimchi und anderem fermentiertem Gemüse, indem sie den Stofftransport verbessert, mikrobielle Zellen aufschließt, Enzyme aktiviert und die Homogenität erhöht. Dies führt letztlich zu einer beschleunigten Fermentation und zur Herstellung eines qualitativ hochwertigeren Produkts. Während der Milchsäuregärung bewirkt die Beschallung vorteilhafte Veränderungen bioaktiver Verbindungen und erhöht dadurch den Gehalt an Nährstoffen und sekundären Pflanzenstoffen.

Kombucha und fermentierte Getränke

Kombucha wird durch Fermentation von gezuckertem Tee mithilfe einer „symbiotischen Kultur aus Bakterien und Hefen“ (SCOBY) hergestellt, die auch häufig als „Mutter“ oder „Teepilz“ bezeichnet wird. Die Vielfalt und das Mengenverhältnis der mikrobiellen Populationen in einem SCOBY können erheblich variieren. Zu den Hefen gehört in der Regel Saccharomyces cerevisiae, zusammen mit weiteren Arten der Gattungen Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces und Kluyveromyces; zu den Bakterien gehört fast immer Komagataeibacter xylinus (früher Gluconacetobacter xylinus), das die von den Hefen produzierten Alkohole zu Essigsäure und anderen Säuren fermentiert, wodurch der Säuregehalt steigt und der Ethanolgehalt begrenzt wird.
Ebenso werden andere fermentierte Getränke wie fermentierte Obst- und Gemüsesäfte mit Bakterien und Hefen beimpft.
Eine Ultraschallbehandlung kann die Fermentationseffizienz und die Qualitätsmerkmale des fermentierten Getränks, einschließlich Nährstoffgehalt und Geschmack, verbessern.

Durch Ultraschall intensivierte Kombucha-Fermentation

Ultraschallwellen sind dafür bekannt, das Wachstum von Bakterien und Hefen zu stimulieren. Eine kontrollierte, schonende Beschallung von Kombucha-Kulturen (SCOBY, auch als Teepilz oder mandschurischer Pilz bekannt) kann daher den Fermentationsprozess fördern und zu höheren Kombucha-Ausbeuten bei verkürzter Fermentationszeit führen.
Die durch Ultraschall stimulierte Fermentation weist eine verstärkte Membranpermeabilisierung und dadurch einen erhöhten Stofftransport auf. Die sonomechanische Behandlung durch Ultraschallwellen perforiert die Zellwände und Plasmamembranen von Mikroorganismen (ein als Sonoporation bezeichneter Prozess). Einige Zellen können sogar aufgebrochen werden. Diese aufgeschlossenen Zellen setzen wachstumsfördernde Faktoren wie Vitamine, Nukleotide, Aminosäuren und Enzyme frei, die das Wachstum sowohl von Bakterien mit intakten Zellen als auch von Bakterien mit geschädigten Membranen stimulieren könnten.
Eine Ultraschallbehandlung vor der Fermentation sowie in der Lag- und Log-Phase zeigte die stärksten Effekte auf die Stimulation des Bakterienwachstums.

Die Vorteile der Beschallung für die Kombucha-Fermentation

Wie fördert Ultraschall den Fermentationsprozess und hilft dabei, besseren Kombucha, bessere Gemüsefermente, besseren Koji usw. herzustellen? Die Beschallung intensiviert die Fermentation auf verschiedene Weise, wie nachfolgend am Beispiel von fermentiertem Kombucha erläutert wird. Kombucha ist ein fermentiertes Getränk, das traditionell aus gesüßtem Tee und einer symbiotischen Kultur aus Bakterien und Hefen (SCOBY) hergestellt wird. Verdünnte Fruchtpürees bieten eine nährstoffreiche, aromatische Grundlage für die Kombucha-Herstellung. Im Folgenden erfahren Sie, wie die Ultraschallbehandlung die Kombucha-Herstellung unterstützt.

• Erhöhter Stofftransport: Ultraschallwellen erzeugen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen in der Flüssigkeit, wodurch Mikroströmungen, Flüssigkeitsstrahlen und Turbulenzen entstehen. Diese Bewegung verbessert den Stofftransport, indem sie den Kontakt zwischen den für die Fermentation verantwortlichen Mikroorganismen und den Nährstoffen im Medium erhöht. Dadurch nehmen die fermentierenden Mikroorganismen Nährstoffe effizienter auf, was die Fermentation beschleunigt.
• Zellaufschluss: Ultraschallgeräte sind für ihre Wirksamkeit bei der Zelllyse und Extraktion bekannt. Bei der Lebensmittelfermentation schließen Ultraschallgeräte mikrobielle Zellwände auf und setzen dabei intrazelluläre Enzyme und Metaboliten frei, die Fermentationsreaktionen zusätzlich katalysieren können. Dieser Aufschluss verstärkt die Freisetzung von Aromastoffen, Vitaminen und organischen Säuren aus den mikrobiellen Zellen und trägt so zur geschmacklichen Komplexität und zum Nährstoffreichtum des fermentierten Produkts bei. In ultraschallfermentiertem Sanddorn-Kombucha lässt sich ein signifikant höherer Anteil an phenolischen Verbindungen messen. (vgl. Dornan et al., 2020)
• Herstellung nährstoffreicher Fermentationssubstrate: Die Ultraschallextraktion hilft bei der Herstellung eines Fermentationssubstrats, das viele Nährstoffe in einer für den mikrobiellen Abbau verfügbaren Form bereitstellt. Das bedeutet, dass in ultraschallbehandelten Fermentationssubstraten (z. B. Obst- und Gemüsepürees) bioaktive Verbindungen wie Stärke und Zucker aus der intrazellulären Matrix pflanzlicher Zellen freigesetzt werden. Mikroorganismen können das Substrat leicht als Nahrungsquelle nutzen, wodurch der Fermentationsprozess beschleunigt und verkürzt wird. Gleiches gilt für Polyphenole, Flavonoide und Vitamine, die aus intrazellulären Matrizen freigesetzt werden und zum Gesamtnährwert der fermentierten Lebensmittel oder Getränke beitragen.
• Erhöhte Enzymaktivität: Die Beschallung aktiviert bestimmte an Fermentationsprozessen beteiligte Enzyme oder erhöht deren Aktivität. Beispielsweise steigert sie die Aktivität von Cellulase und Amylase. Diese Enzyme sind entscheidend für den Abbau komplexer Kohlenhydrate zu einfacheren Zuckern, die anschließend von den in der Kombucha-Kultur vorhandenen Mikroorganismen fermentiert werden.
• Verbesserte Homogenität: Da die bei der Beschallung wirkenden Kräfte stets eine Durchmischung bewirken, sorgt die Ultraschallbehandlung für eine bessere Homogenisierung des Fermentationsgemischs und damit für eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen und Mikroorganismen im gesamten Medium. Diese Gleichmäßigkeit fördert eine einheitliche Fermentationskinetik und die Herstellung eines hochwertigen Kombucha-Produkts mit den gewünschten sensorischen Eigenschaften.

Die Ultraschallstimulation des mikrobiellen Wachstums ist am wirksamsten, wenn Ultraschall vor der Fermentation oder in der Lag- und Log-Phase angewendet wird.

Fallstudie: Ultraschallstimulation der Apfelsaftfermentation

Untersuchungen zeigten, dass eine Ultraschallbehandlung während der Lag- und logarithmischen Phase bei der Apfelsaftfermentation das mikrobielle Wachstum förderte und die Biotransformation von Äpfelsäure zu Milchsäure intensivierte. Beispielsweise erreichten nach einer Beschallung während der Lag-Phase über 0,5 h die Keimzahl und der Milchsäuregehalt in den mit 58,3 W/L ultraschallbehandelten Proben 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL beziehungsweise 133,70 ± 7,39 mg/L. Diese Werte lagen signifikant über denen der unbeschallten Proben. Darüber hinaus hatte die Ultraschallbehandlung in der Lag- und logarithmischen Phase komplexe Auswirkungen auf den Stoffwechsel phenolischer Apfelinhaltsstoffe wie Chlorogensäure, Kaffeesäure, Procyanidin B2, Catechin und Gallussäure. Ultraschall konnte die Hydrolyse von Chlorogensäure zu Kaffeesäure, die Umwandlung von Procyanidin B2 und die Decarboxylierung von Gallussäure positiv beeinflussen. Der Stoffwechsel organischer Säuren und freier Aminosäuren in den beschallten Proben korrelierte statistisch mit dem Stoffwechsel phenolischer Verbindungen. Dies deutet darauf hin, dass Ultraschall die Bildung phenolischer Derivate begünstigen könnte, indem er den mikrobiellen Stoffwechsel organischer Säuren und Aminosäuren verbessert. (vgl. Wang et al., 2021)

Fallstudie: Durch Ultraschall verbesserte Sojamilchfermentation

Das Forschungsteam von Ewe et al. (2012) untersuchte die Auswirkungen von Ultraschall auf die Stoffwechseleffizienz verschiedener Laktobazillenstämme (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) während der Sojamilchfermentation. Dabei wurde beobachtet, dass die Ultraschallbehandlung die Zellmembranen der Bakterien permeabilisierte. Die permeabilisierten Zellmembranen führten zu einer verbesserten Nährstoffaufnahme und einer anschließenden Wachstumssteigerung (P ≺ 0,05). Höhere Amplituden und längere Beschallungszeiten förderten das Wachstum der Laktobazillen in Sojamilch, wobei die Lebendkeimzahlen 9 log CFU/mL überstiegen. Auch die intrazellulären und extrazellulären spezifischen β-Glucosidase-Aktivitäten der Laktobazillen wurden durch die Ultraschallbehandlung erhöht (P ≺ 0,05). Dies führte zu einer verstärkten Biokonversion von Isoflavonen in Sojamilch, insbesondere von Genistin und Malonylgenistin zu Genistein. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Ultraschallbehandlung von Laktobazillenzellen die β-Glucosidase-Aktivität der Zellen fördert (P ≺ 0,05) und dadurch die Biokonversion von Isoflavonglucosiden zu bioaktiven Aglykonen in Sojamilch steigert (P ≺ 0,05). (vgl. Ewe et al., 2012)

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen unbehandelter Laktobazillen (A) und von Laktobazillen, die bei 60% Amplitude für 3 min mit Ultraschall behandelt wurden (B). Die Kreise zeigen aufgebrochene Zellen und Zellen mit Poren.
(Studie und Bilder: ©Ewe et al., 2012)

Extraktion von Nährstoffen und Aromastoffen in Kombucha und fermentierten Getränken

Fermentierte Tee-, Saft- und Gemüsegetränke, z. B. fermentierter Apfel- oder Maulbeersaft oder mit Früchten aromatisierter Kombucha, profitieren hinsichtlich Geschmack und Nährstoffgehalt erheblich von einer Ultraschallbehandlung. Die Ultraschallwellen schließen Zellstrukturen pflanzlicher Materialien auf und setzen intrazelluläre Verbindungen wie Aromastoffe, Polyphenole, Antioxidantien und Flavonoide frei. Gleichzeitig erzeugt die Ultraschallhomogenisierung ein gleichmäßig dispergiertes und emulgiertes Getränk, verhindert eine Phasentrennung und sorgt für ein ansprechendes Erscheinungsbild für Verbraucher. Unten sehen Sie ein Beispiel für ultraschallbehandelten Sanddornbeeren-Kombucha ohne Phasentrennung im Vergleich zu einer unbehandelten Variante.
Erfahren Sie mehr über die Ultraschallextraktion von Aroma- und Nährstoffen!

Fallstudie: Durch Ultraschall konservierter Kombucha

Eine Ultraschallbehandlung kann Mikroorganismen beeinflussen, indem sie diese entweder stimuliert oder inaktiviert. Auch Enzyme werden durch die Beschallung beeinflusst: Ultraschall kann die Eigenschaften von Enzymen und Substraten sowie deren Reaktionen verändern. Diese Wirkungen niederfrequenten Ultraschalls werden in der Lebensmittelverarbeitung als nichtthermische Alternative zur Pasteurisierung von Lebensmitteln und Getränken genutzt. Die Beschallung bietet den Vorteil einer präzisen Kontrolle der Prozessparameter wie Amplitude, Zeit, Temperatur und Druck, wodurch eine gezielte Inaktivierung von Mikroorganismen möglich wird. Die Inaktivierung der vorhandenen Mikroorganismen in Kombucha und fermentierten Getränken ermöglicht eine längere Haltbarkeit und eine höhere Produktstabilität. Eine Reduktion von Mikroorganismen und Enzymen erleichtert durch die verlängerte Haltbarkeit des Endprodukts den kommerziellen Vertrieb. Die Ultraschallbehandlung ist ein nichtthermisches Pasteurisierungsverfahren, das bereits in der kommerziellen Lebensmittelverarbeitung, etwa zur Pasteurisierung von Säften, eingesetzt wird. Besonders bei höheren Amplituden inaktiviert Ultraschall Bakterien und Hefen durch Schädigung ihrer Zellwände. Dies führt zu einem verlangsamten oder gestoppten mikrobiellen Wachstum. Beispielsweise untersuchten Kwaw et al. (2018) Ultraschall als nichtthermische Pasteurisierungsstrategie für milchsauer fermentierten Maulbeersaft. Ultraschallbehandelter fermentierter Maulbeersaft wies einen höheren Gehalt an phenolischen Verbindungen (1700,07 ± 2,44 μg/mL) auf als die Kontrolle, ein unbehandelter fermentierter Maulbeersaft. „Unter den einzelnen nichtthermischen Behandlungen bewirkte die Ultraschallbehandlung im Vergleich zur Behandlung mit gepulstem Licht eine signifikante (p kleiner als 0,05) Steigerung der phenolischen und antioxidativen Eigenschaften des milchsauer fermentierten Maulbeersafts.“ (Kwaw et al., 2018)
Obwohl Kombucha für seine lebenden Kulturen bekannt ist, kann eine kontrollierte Reduktion der Mikroorganismen genutzt werden, um die Haltbarkeit kommerziell vertriebener Kombucha-Getränke zu verlängern.
Die herkömmliche thermische Pasteurisierung tötet alle lebenden Hefen und Bakterien ab, die normalerweise in Kombucha vorhanden sind und einen der Hauptfaktoren für seine gesundheitsfördernden Wirkungen darstellen. Die Ultraschallpasteurisierung ist ein nichtthermisches Konservierungsverfahren, mit dem sich entweder die Keimzahl reduzieren oder Mikroorganismen vollständig eliminieren lassen. Das bedeutet, dass kommerzielle Hersteller Ultraschall bei niedrigeren Amplituden und für kürzere Zeiträume anwenden können, um die Anzahl der Bakterien und Hefen zu verringern, ohne sie vollständig zu eliminieren. Dadurch bleiben lebende Kulturen im Kombucha vorhanden, allerdings in geringerer Anzahl, sodass Haltbarkeit und Lagerdauer verlängert werden.

Wissenschaftlich belegte Ergebnisse bei ultraschallbehandeltem Kombucha

Dornan et al. (2020) untersuchten mit dem Ultraschallgerät UIP500hdT die Auswirkungen niederfrequenten Ultraschalls auf Kombucha aus Sanddornbeeren. Das Forschungsteam konnte mehrere vorteilhafte Wirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Aufbereitung der Sanddornbeeren und die anschließende Kombucha-Fermentation nachweisen.

Ultraschallextraktion von Sanddornbeeren

Zur Beschallung wurden frische, ganze Sanddornbeeren (auch als Sanddorn bekannt; H. rhamnoides cv. Sunny) mit einem Vitamix-Mixer für 2 min püriert. Ein Volumen an dH2O, das 30% des ursprünglichen Püreevolumens entsprach, wurde hinzugefügt und untergemischt. Mithilfe des Ultraschallprozessors UIP500hdT (siehe Bild links) wurden 200 mL des verdünnten Pürees mit Ultraschall (90 W, 20 kHz, 10 min) behandelt. Die Behandlungszeit wurde so gewählt, dass die Nährstoffe optimiert wurden und die Probe in einem möglichst frischen Zustand blieb. Die Ergebnisse der Ultraschallextraktion zeigen eine signifikante (P ≺ 0,05) Steigerung der Extraktionsausbeute aus dem Fruchtfleisch um 10% (von 19,04 ± 0,08 auf 20,97 ± 0,29%) und aus den Samen um 7% (von 14,81 ± 0,08 auf 15,83 ± 0,28%). Diese Steigerung der Ölausbeute unterstreicht die Eignung der Beschallung als wirksame und umweltfreundliche Technologie zur Maximierung des Rohstoffwerts. Die Ultraschallextraktion aus Sanddornbeeren führte zu einer höheren Ölausbeute, einer kürzeren Verarbeitungszeit und einem geringeren Stromverbrauch sowie zur Vermeidung gefährlicher Lösungsmittel.

Fallstudie: Ultraschallhomogenisierung von Sanddornbeeren-Kombucha

Der ultraschallbehandelte Sanddornbeeren-Kombucha zeigte eine signifikant verbesserte Produktstabilität. Bis zum 21. Tag der Lagerung blieb der beschallte Beeren-Kombucha homogen. Dass während der gesamten Studie (21 Tage, siehe Bild unten) keine Synärese im beschallten Beeren-Kombucha beobachtet wurde, zeigt, dass Ultraschall allein eine wirksame Emulgiertechnik ist, die Produktstabilität gewährleisten und eine Phasentrennung verhindern kann.

Sanddornpüree (P) ohne und mit Ultraschallbehandlung (P+US) an Tag 0 und 21.
Studie und Bild: ©Dornan et al., 2020.

Ultraschallbehandlung zum Stoppen der Fermentation

Es wurden vier Kombucha-Proben hergestellt: K (Kombucha), K+US (Kombucha + Ultraschall), K+S (Kombucha + Saccharose) und K+S+US (Kombucha + Saccharose + Ultraschall). Alle Proben wurden mit 200 mL Sanddornpüree (P) oder P+US und 12,5 g SCOBY hergestellt. K bestand aus P und SCOBY. K+US bestand aus P+US und SCOBY. K+S bestand aus P, 15,0 g Saccharose und SCOBY. K+S+US bestand aus P+US, 15,0 g Saccharose und SCOBY. Alle Proben wurden fünf Tage lang an einem dunklen Ort bei Raumtemperatur fermentiert. Eine zweite Beschallung (90 W, 20 kHz, 10 min) wurde auf K+US und K+S+US angewendet, um die Fermentation an Tag 5 zu stoppen.

Konservierende Wirkung von Ultraschall auf Kombucha

Bei Sanddorn-Kombucha verringerte die Beschallung die anfängliche Keimzahl um 2,6 log CFU/mL und stoppte damit den Fermentationsprozess zu einem gewählten Zeitpunkt, um eine Überfermentation zu verhindern. Darüber hinaus trägt die kontrollierte Keimreduktion dazu bei, die Haltbarkeit und Stabilität des Endprodukts zu erhöhen, was den kommerziellen Vertrieb von Kombucha erleichtert.
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Gesamtergebnisse bei ultraschallbehandeltem Kombucha

Die Ultraschallbehandlung verringerte die anfängliche Keimzahl um 2,6 log CFU/mL, erhöhte den ORAC-Wert um 3% und steigerte den Wasserlöslichkeitsindex (WSI) um 40% (von 6,64 auf 9,29 g/g), ohne dass Synärese auftrat. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Anwendung von Ultraschall die Funktionalität phenolischer Verbindungen während der Fermentation verbessern kann und in der Lage ist, die Synärese zu verringern, die Ölausbeute zu steigern, die Keimzahl zu senken und den ORAC-Wert bei minimalem Verlust an ernährungsphysiologischer Qualität zu erhöhen. (vgl. Dornan et al., 2020)

Ultraschallgeräte für eine verbesserte Kombucha-Herstellung

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungsultraschallgeräte, Ultraschallbioreaktoren und Zubehör für verbesserte Fermentations-, Extraktions- und Pasteurisierungsprozesse in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung. Die Ultraschallsysteme von Hielscher für die Lebensmittelverarbeitung werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt und bieten eine sichere, zuverlässige und kosteneffiziente Technologie zur Herstellung hochwertiger Lebensmittel und Getränke. Installation und Betrieb aller Ultraschallprozessoren von Hielscher sind einfach: Sie benötigen nur wenig Platz und lassen sich problemlos in bestehende Verarbeitungsanlagen nachrüsten.
Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Anwendung von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in vielen weiteren Industriezweigen. Unsere Ultraschallprozessoren sind mit leicht zu reinigenden Sonotroden und Durchflusszellen ausgestattet, den medienberührten Teilen (Clean-in-Place, CIP / Sterilize-in-Place, SIP). Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Die präzise Einstellung der Amplituden und die Möglichkeit, zwischen niedrigen und hohen Amplituden zu wechseln, sind wichtig, um Mikroorganismen zu stimulieren oder zu inaktivieren. So kann dasselbe Ultraschallgerät entweder zur Stimulation von Mikroorganismen und damit zur Steigerung der Fermentation oder zur Inaktivierung von Mikroorganismen für die Pasteurisierung eingesetzt werden.
Modernste Technologie, hohe Leistungsfähigkeit und ausgereifte Software machen die Geräte von Hielscher Ultrasonics zu zuverlässigen Arbeitspferden in Ihrem Lebensmittelfermentationsprozess. Dank ihres geringen Platzbedarfs und vielseitiger Installationsmöglichkeiten lassen sich Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder nachrüsten.

Prozessstandardisierung mit Hielscher Ultrasonics

Produkte in Lebensmittelqualität sollten gemäß der Guten Herstellungspraxis (GMP) und nach standardisierten Prozessvorgaben hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics verfügen über intelligente Software, mit der sich der Beschallungsprozess einfach und präzise einstellen und steuern lässt. Die automatische Datenaufzeichnung speichert alle Ultraschallprozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur und Druck (bei installierten Temperatur- und Drucksensoren) mit Datums- und Zeitstempel auf der integrierten SD-Karte. So können Sie jede mit Ultraschall verarbeitete Charge überprüfen. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit und eine dauerhaft hohe Produktqualität gewährleistet.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden verfügbar. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: