Kombucha ist ein fermentiertes Getränk, das Tee, Zucker, Bakterien, Hefe und oft eine kleine Menge Saft, Obst oder Gewürze als Geschmacksgeber enthält. Kombucha sowie fermentierte Säfte und Gemüsesäfte sind dafür bekannt, dass sie positive Auswirkungen auf die Gesundheit haben und die Mikrobiota und das Immunsystem stärken. Kontrollierte Ultraschallbehandlung verbessert die Herstellung von Kombucha und anderen fermentierten Getränken auf verschiedene Weise: Ultraschall kann das Hefe- und Bakterienwachstum während der Fermentation stimulieren, Polyphenole, Flavonoide und Aromen aus Früchten, Gemüse und Kräutern extrahieren und auch als nicht-thermische Pasteurisierungsmethode zur Keimreduktion vor der Verpackung eingesetzt werden. Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und können für jeden Behandlungsschritt bei der Herstellung von fermentierten Getränken die am besten geeignete Ultraschallintensität liefern.

Kombucha und fermentierte Getränke

Kombucha wird durch die Fermentierung von gezuckertem Tee mit einer "Symbiotischen Bakterien- und Hefekultur" (SCOBY) hergestellt, die auch "Mutter" genannt wird.“ oder "Teepilz“. Die Vielfalt und das Verhältnis der mikrobiellen Populationen in einem SCOBY können ganz erheblich variieren. Die Hefekomponente umfasst im Allgemeinen Saccharomyces cerevisiae, zusammen mit anderen Arten von Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces und Kluyveromyces; Die bakterielle Komponente umfasst fast immer Komagataeibacter xylinus (früher Gluconacetobacter xylinus), der die von den Hefen produzierten Alkohole zu Essigsäure und anderen Säuren vergärt, wodurch der Säuregehalt erhöht und der Ethanolgehalt begrenzt wird.
Auch andere fermentierte Getränke wie fermentierte Obst- und Gemüsesäfte werden mit Bakterien und Hefe beimpft.
Eine Behandlung mit Ultraschall kann die Gärungseffizienz und die Qualitätsmerkmale des fermentierten Getränks, einschließlich Nährstoffgehalt und Geschmack, verbessern.

Mit Ultraschall intensivierte Kombucha-Fermentation

Es ist bekannt, dass Ultraschallwellen das Wachstum von Bakterien und Hefen stimulieren. Eine kontrollierte milde Beschallung von Kombucha-Kulturen (SCOBY, auch Teepilz, Teepilz oder Mandschurischer Pilz genannt) kann daher den Fermentationsprozess fördern und zu höheren Kombucha-Erträgen bei beschleunigter Fermentationszeit führen.
Bei der durch Ultraschall stimulierten Fermentation kommt es zu einer verbesserten Permeabilisierung der Membranen und damit zu einem erhöhten Stofftransport. Die sonomechanische Behandlung mit Ultraschallwellen perforiert die Zellwände und Plasmamembranen von Mikroorganismen (ein Prozess, der Sonoporation genannt wird). Einige Zellen können sogar zerrissen werden. Diese zerrissenen Zellen setzen wachstumsfördernde Faktoren wie Vitamine, Nukleotide, Aminosäuren und Enzyme frei, die das Wachstum sowohl von zellulär intakten als auch von membrangeschädigten Bakterien stimulieren können.
Die Ultraschallbehandlung vor der Gärung sowie in der Lag- und Log-Phase zeigte die deutlichsten Auswirkungen auf die Stimulation des Bakterienwachstums.

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

Ultraschallstimulation der Apfelsaftgärung

Die Forschung zeigte, dass die Ultraschallbehandlung in der Lag- und der logarithmischen Phase während der Gärung von Apfelsaft das mikrobielle Wachstum förderte und die Biotransformation von Äpfelsäure in Milchsäure intensivierte. Zum Beispiel erreichten nach einer 0,5-stündigen Beschallung in der Lag-Phase die Mikrobenzahl und der Milchsäuregehalt in den ultraschallbehandelten Proben bei 58,3 W/L 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL und 133,70 ± 7,39 mg/L, was signifikant höher war als bei den nicht beschallten Proben. Darüber hinaus hatte die Ultraschallbehandlung in der verzögerten und logarithmischen Phase komplexe Einflüsse auf den Stoffwechsel von Apfelphenolen 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 war statistisch mit dem Phenolstoffwechsel korreliert, was bedeutet, dass Ultraschall die Phenolgewinnung durch Verbesserung des mikrobiellen Stoffwechsels organischer Säuren und Aminosäuren begünstigen kann. (vgl. Wang et al., 2021)

Verbesserte Sojamilchfermentation durch Ultraschall

Das Forscherteam von Ewe et al. (2012) untersuchte die Auswirkungen von Ultraschall auf die metabolische Effizienz von Laktobazillenstämmen (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) während der Sojamilchfermentation. Es wurde festgestellt, dass die Ultraschallbehandlung die Zellmembranen der Bakterien permeabilisierte. Die permeabilisierten Zellmembranen führten zu einer verbesserten Internalisierung der Nährstoffe und einer anschließenden Wachstumssteigerung (P ≺ 0,05). Höhere Amplituden und längere Dauer der Beschallung förderten das Wachstum der Laktobazillen in Sojamilch, wobei die Anzahl der lebensfähigen Bakterien 9 log CFU/mL überstieg. Die intrazellulären und extrazellulären β-Glucosidase-Aktivitäten der Laktobazillen wurden durch die Ultraschallbehandlung ebenfalls erhöht (P ≺ 0,05), was zu einer erhöhten Biokonversion von Isoflavonen in Sojamilch führte, 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), was zu einer erhöhten (P ≺ 0,05) Biokonversion von Isoflavon-Glucosiden zu bioaktiven Aglykonen in Sojamilch führt. (vgl. Ewe et al., 2012)

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Laktobazillen ohne Behandlung (A) und von Laktobazillen, die 3 Minuten lang mit Ultraschall bei 60 % Amplitude behandelt wurden (B). Die Kreise zeigen zerrissene Zellen und Zellen mit Poren.
(Studie und Bilder: ©Ewe et al., 2012)

Extraktion von Nährstoffen und Aromen in Kombucha und fermentierten Getränken

Fermentierte Tee-, Saft- und Gemüsegetränke, z. B. fermentierter Apfel- oder Maulbeersaft oder mit Früchten aufgegossene Kombuchas, profitieren geschmacklich und nährstoffmäßig erheblich von einer Ultraschallbehandlung. Die Ultraschallwellen stören die zellulären Strukturen des Pflanzenmaterials und setzen intrazelluläre Verbindungen wie Aromen, Polyphenole, Antioxidantien und Flavonoide frei. Gleichzeitig sorgt die Ultraschallhomogenisierung für ein gleichmäßig dispergiertes und emulgiertes Getränk, das eine Phasentrennung verhindert und dem Verbraucher ein ansprechendes Aussehen bietet. Unten sehen Sie ein Beispiel für einen ultraschallbehandelten Sanddornbeeren-Kombucha ohne Phasentrennung im Vergleich zu einer unbehandelten Version.
Lesen Sie mehr über die Extraktion von Aromen und Nährstoffen mit Ultraschall!

Ultraschall für Kombucha-Konservierung

Die Ultraschallbehandlung kann Mikroben beeinflussen, indem sie sie entweder stimuliert oder inaktiviert. Auch Enzyme werden durch Beschallung beeinflusst: Ultraschall kann die Eigenschaften von Enzymen, Substraten und deren Reaktionen verändern. Diese Wirkungen des 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, was eine gezielte Inaktivierung von Mikroorganismen ermöglicht. Durch die Inaktivierung der mikrobiellen Belastung in Kombucha und fermentierten Getränken kann die Haltbarkeit und Produktstabilität erhöht werden. Die Reduktion von Mikroben und Enzymen erleichtert den kommerziellen Vertrieb durch eine verlängerte Haltbarkeit des Endprodukts. Die Ultraschallbehandlung ist eine nicht-thermische Pasteurisierungsmethode, die bereits in der kommerziellen Lebensmittelverarbeitung eingesetzt wird, z. B. bei der Pasteurisierung von Säften. Vor allem bei höheren Amplituden inaktiviert Ultraschall Bakterien und Hefen durch Schädigung der Zellwände. Dies führt zu einem langsameren oder gestoppten mikrobiellen Wachstum. Kwaw et al. (2018) untersuchten zum Beispiel die Ultraschall- als nicht-thermische Pasteurisierungsstrategie für milchsäurevergorenen Maulbeersaft. Der mit Ultraschall behandelte fermentierte Maulbeersaft hatte einen höheren Gehalt an phenolischen Verbindungen (1700,07 ± 2,44 μg/mL) als die Kontrolle, ein unbehandelter fermentierter Maulbeersaft. "Unter den einzelnen nicht-thermischen Behandlungen verursachte die Ultraschallbehandlung eine signifikante (p < 0.05) einen Anstieg der phenolischen und antioxidativen Eigenschaften des milchsäurefermentierten Maulbeersaftes im Vergleich zur Behandlung mit gepulstem Licht." (Kwaw et al., 2018) Während Kombucha ein Getränk ist, das für seine lebendigen Kulturen bekannt ist, kann eine kontrollierte Reduzierung der Mikroben genutzt werden, um die Haltbarkeit von kommerziell vertriebenen Kombucha-Getränken zu verlängern. Regelmäßige thermische Pasteurisierung tötet alle lebenden Hefen und Bakterien ab, die normalerweise in Kombucha vorhanden sind und einer der Hauptfaktoren für seine gesundheitsfördernde Wirkung sind. Die Ultraschallpasteurisierung ist eine nicht-thermische Konservierungsmethode, mit der die Keimzahl entweder reduziert oder die Mikroorganismen vollständig abgetötet werden können. Das bedeutet, dass kommerzielle Hersteller Ultraschall mit geringeren Amplituden und für kürzere Zeiträume anwenden können, um die Anzahl der Bakterien und Hefen zu verringern, ohne sie vollständig zu eliminieren. Dadurch bleiben die lebenden Kulturen im Kombucha erhalten, wenn auch in geringerer Zahl, so dass sich die Haltbarkeit und die Lagerzeit verbessern.

Wissenschaftlich bewiesene Ergebnisse bei ultraschallbehandeltem Kombucha

Dornan et al. (2020) untersuchten die Auswirkungen von niederfrequentem Ultraschall auf Kombucha, der mit Sanddornbeeren hergestellt wurde, unter Verwendung des Ultraschallprozessor UIP500hdT. Das Forschungsteam konnte mehrere vorteilhafte Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Zubereitung von Sanddornbeeren und die anschließende Kombucha-Fermentation nachweisen.

Extraktion von Sanddornbeeren mit Ultraschall

Frische ganze Sanddornbeeren (auch bekannt als Sanddorn; H. rhamnoides cv. Sunny) wurden mit einem Vitamix-Mixer 2 Minuten lang püriert. Ein Volumen von dH2O, das 30% des ursprünglichen Püreevolumens entspricht, wurde hinzugefügt und gemischt. 200 ml des verdünnten Pürees wurden mit einem Ultraschallgerät (90 W, 20 kHz, 10 min) beschallt. UIP500hdT Ultraschallprozessor (Hielscher Ultrasonics, Deutschland). Die Behandlungszeit wurde so gewählt, dass die Nährstoffe optimiert werden und die Probe in einem frischen Zustand bleibt. Die Ergebnisse der Ultraschallextraktion zeigen eine signifikante (P ≺ 0,05) Steigerung der Extraktionsausbeute um 10 % beim Fruchtfleisch (von 19,04 ± 0,08 auf 20,97 ± 0,29 %) und um 7 % beim Samen (von 14,81 ± 0,08 auf 15,83 ± 0,28 %). Diese Steigerung der Ölausbeute unterstreicht die Funktionalität der Beschallung als wirksame und umweltfreundliche Technologie zur Maximierung des Rohstoffwertes. Die Ultraschallextraktion aus Sanddornbeeren führte zu einer höheren Ölausbeute und reduzierte die Verarbeitungszeit, den Stromverbrauch und die Vermeidung gefährlicher Lösungsmittel.

Ultraschall-Homogenisierung von Sanddornbeeren-Kombucha

Der mit Ultraschall behandelte Sanddornbeeren-Kombucha wies eine deutlich verbesserte Stabilität des Produkts auf. Bis zum 21. Tag der Lagerung blieb der beschallte Beerenkombucha homogen. Die Tatsache, dass im beschallten Beerenkombucha während der gesamten Studie (21 Tage, siehe Abbildung unten) keine Synärese beobachtet wurde, zeigt, dass Ultraschall allein eine wirksame Emulgierungstechnik ist, die Produktstabilität erzeugen und 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 Gärung

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 aus 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 Beschallungsbehandlung (90 W, 20 kHz, 10 min) wurde bei K+US und K+S+US durchgeführt, um die Fermentation an Tag 5 zu stoppen.

Auswirkungen der Ultraschallkonservierung auf Kombucha

Bei Sanddorn-Kombucha verringerte die Beschallung die anfängliche mikrobielle Belastung um 2,6 log KBE/ml, wodurch der Fermentationsprozess zu einem bestimmten Zeitpunkt gestoppt wurde, um eine Überfermentation zu verhindern. Darüber hinaus trägt die kontrollierte mikrobielle Reduktion dazu bei, die Haltbarkeit und Stabilität des Endprodukts zu erhöhen, was den kommerziellen Vertrieb von Kombucha erleichtert.
Lesen Sie mehr über Ultraschall als nicht-thermische Saftpasteurisierungsmethode!

Gesamtergebnisse bei ultraschallbehandeltem Kombucha

Die Ultraschallbehandlung verringerte die anfängliche mikrobielle Belastung 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 Synärese. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Anwendung von Ultraschall die phenolische Funktionalität während der Fermentation verbessern kann und in der Lage ist Verringerung der Synärese, Erhöhung der Ölausbeute, Verringerung der mikrobiellen Belastung und Erhöhung des ORAC-Wertes bei minimalem Verlust der Nährstoffqualität. (vgl. Dornan et al., 2020)

Ultraschallgeräte für verbessertes Kombucha-Brauen

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte, Ultraschall-Bioreaktoren und Zubehör für verbesserte Fermentations-, Extraktions- und Pasteurisierungsprozesse in der Lebensmittelindustrie. & Getränkeherstellung. Hielscher-Ultraschall-Systeme für die Lebensmittelverarbeitung werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt und sind eine sichere, zuverlässige und kosteneffiziente Technologie zur Herstellung von hochwertigen Lebensmitteln und Getränken. Installation und Betrieb aller Hielscher Ultraschallprozessoren sind einfach: Sie benötigen nur wenig Platz und können leicht in bestehende Anlagen nachgerüstet werden.
Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Anwendung von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- & Getränkeindustrie sowie in zahlreichen anderen Branchen. Unsere Ultraschall-Prozessoren sind mit leicht zu reinigenden (Clean-in-Place CIP / Sterilize-in-Place SIP) Sonotroden und Durchflusszellen (diese Teile kommen in Kontakt mit den Lebensmitteln) ausgestattet. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Die präzise Abstimmung der Amplituden und die Möglichkeit, zwischen niedrigen und hohen Amplituden zu wechseln, sind wichtig, um Mikroorganismen zu stimulieren oder zu inaktivieren. Dadurch kann derselbe Ultraschallgenerator entweder zur Stimulierung von Mikroorganismen für die Fermentation oder zur Inaktivierung von Mikroorganismen für die Pasteurisierung verwendet werden.
Modernste Technik, hohe Leistung und ausgefeilte Software machen Hielscher Ultrasonics‘ zuverlässige Arbeitspferde in Ihrem Lebensmittel-Fermentationsprozess. Mit geringem Platzbedarf und vielseitigen Installationsmöglichkeiten lassen sich Hielscher Ultraschallgeräte problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder nachrüsten.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Produkte in Lebensmittelqualität sollten nach den Richtlinien der Good Manufacturing Practices (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, welche eine präzise Einstellung und Steuerung des Beschallungsprozesses ermöglicht. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (wenn Temperatur- und Drucksensoren montiert sind) mit Datum und Zeitstempel auf die integrierte SD-Karte. Dies erlaubt Ihnen, jede mit Ultraschall verarbeitete Charge zu kontrollieren. Gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Bitte kontaktieren Sie uns, um mehr über die Eigenschaften und Möglichkeiten unserer Ultraschall-Pasteurisierungssysteme zu erfahren. Gerne besprechen wir Ihre Anwendung mit Ihnen und beraten Sie entsprechend!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: