Verbesserte Kombucha-Fermentation mit Ultraschall

Die Beschallung fördert die Fermentation in ultraschallfermentierten Lebensmitteln wie Kombucha, Kimchi und anderen fermentierten Gemüsesorten, indem sie den Stoffaustausch verbessert, die mikrobiellen Zellen aufbricht, die Enzyme aktiviert und die Homogenität verbessert, was letztlich zu einer beschleunigten Fermentation und der Herstellung eines qualitativ hochwertigen Produkts führt. Die Beschallung löst während der Milchsäuregärung vorteilhafte Veränderungen der bioaktiven Verbindungen aus und erhöht den Gehalt an Nährstoffen und sekundären Pflanzenstoffen.

Kombucha und fermentierte Getränke

Kombucha wird durch die Fermentation von gezuckertem Tee mit einem „Symbiotische Kultur aus Bakterien und Hefe“ (SCOBY), auch allgemein als „Mutter“ 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 Effizienz der Gärung 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 Vorteile der Sonikation bei der Kombucha-Fermentation

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

• Erhöhter Stoffaustausch: Ultraschallwellen erzeugen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen in der Flüssigkeit, die zur Bildung von Mikroströmungen, Flüssigkeitsstrahlen und Turbulenzen führen. Diese Bewegung verbessert den Stoffaustausch, indem sie den Kontakt zwischen den für die Fermentation verantwortlichen Mikroorganismen und den Nährstoffen im Medium erhöht. Infolgedessen werden die Nährstoffe von den fermentierenden Mikroorganismen effizienter aufgenommen, was zu beschleunigten Fermentationsraten führt.
• Zellaufschluss: Sonicators sind für ihre Wirksamkeit bei der Zelllyse und -extraktion bekannt. Bei der Fermentierung von Lebensmitteln werden die Zellwände der Mikroorganismen durch Schallwellen aufgebrochen, wodurch intrazelluläre Enzyme und Stoffwechselprodukte freigesetzt werden, die die Fermentierungsreaktionen weiter katalysieren können. Dieses Aufbrechen fördert die Freisetzung von Geschmacksstoffen, 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 kann ein deutlich höherer Anteil an phenolischen Verbindungen gemessen werden. (vgl. Dornan et al., 2020)
• Aufbereitung von nährstoffreichen Fermentationssubstraten: Die Ultraschallextraktion trägt dazu bei, ein Gärsubstrat vorzubereiten, das viele Nährstoffe in verfügbarer Form für die mikrobielle Verdauung bereitstellt. Das bedeutet, dass in ultraschallbehandelten Gärsubstraten (z. B. Obst- und Gemüsepürees) bioaktive Verbindungen wie Stärke und Zucker aus der intrazellulären Matrix der Pflanzenzellen freigesetzt werden. Mikroben können sich leicht von dem Substrat ernähren, wodurch der Fermentationsprozess beschleunigt und verkürzt wird. Das Gleiche gilt für Polyphenole, Flavonoide und Vitamine, die aus der intrazellulären Matrix freigesetzt werden und zum Gesamternährungswert der fermentierten Lebensmittel oder Getränke beitragen.
• Erhöhte Enzymaktivität: Die Beschallung aktiviert oder verstärkt die Aktivität bestimmter Enzyme, die an den Fermentationsprozessen beteiligt sind. So wird beispielsweise die Aktivität von Cellulase und Amylase erhöht, Enzyme, die für die Aufspaltung komplexer Kohlenhydrate in einfachere Zucker entscheidend sind, die dann von den Mikroorganismen in der Kombucha-Kultur fermentiert werden.
• Verbesserte Homogenität: Die Ultraschallbehandlung sorgt für eine bessere Homogenisierung der Fermentationsmischung, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Nährstoffe und Mikroorganismen im gesamten Medium führt, da die Beschallung immer zu einer Durchmischung führt. Diese Gleichmäßigkeit fördert eine konsistente Fermentationskinetik und die Herstellung eines hochwertigen Kombucha-Produkts mit wünschenswerten sensorischen Eigenschaften.

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.

Fallstudie: 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)

Fallstudie: Verbesserte Sojamilch-Fermentation 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.
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Fallstudie: Mit Ultraschall konservierter Kombucha

Die Ultraschallbehandlung kann Mikroben beeinflussen, indem sie sie entweder stimuliert oder inaktiviert. Auch Enzyme werden durch die Beschallung beeinflusst: Ultraschall kann die Eigenschaften von Enzymen, Substraten und deren Reaktionen verändern. Diese Effekte des niederfrequenten Ultraschalls werden in der Lebensmittelverarbeitung als nicht-thermische Alternative zum Pasteurisieren von Lebensmitteln und Getränken genutzt. Die Beschallung bietet den Vorteil einer präzisen Kontrolle über die Prozessparameter wie Amplitude, Zeit, Temperatur und Druck, was eine gezielte Inaktivierung von Mikroorganismen ermöglicht. Die Inaktivierung der mikrobiellen Belastung in Kombucha und fermentierten Getränken ermöglicht es, die Haltbarkeit und Produktstabilität zu erhöhen. Eine Reduzierung von Mikroben und Enzymen erleichtert den kommerziellen Vertrieb aufgrund einer verlängerten Haltbarkeit des Endprodukts. Ultraschall ist ein nicht-thermisches Pasteurisierungsverfahren, das bereits in der kommerziellen Lebensmittelverarbeitung, wie z.B. der Pasteurisierung von Säften, eingesetzt wird. Vor allem bei höheren Amplituden inaktiviert Ultraschall Bakterien und Hefen, indem er die Zellwände schädigt. Dies führt zu einem langsameren oder gestoppten mikrobiellen Wachstum. Zum Beispiel untersuchten Kwaw et al. (2018) den Ultraschall als nicht-thermische Pasteurisierungsstrategie für milchsäurefermentierten Maulbeersaft. Ultraschallbehandelter fermentierter 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) upsurge in the phenolic and antioxidant properties of the lactic acid-fermented mulberry juice compared to the pulsed light treatment.“ (Kwaw et al., 2018)
Während Kombucha ein Getränk ist, das für seine lebendigen Kulturen bekannt ist, kann eine kontrollierte Reduzierung der Mikroben dazu verwendet werden, die Haltbarkeit von kommerziell vertriebenen Kombucha-Getränken zu verlängern.
Die 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. Dies bedeutet, dass kommerzielle Hersteller Ultraschall mit niedrigeren 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 nachgewiesene Ergebnisse bei ultraschallbehandeltem Kombucha

Dornan et al. (2020) untersuchten die Auswirkungen von Niederfrequenz-Ultraschall auf Kombucha aus Sanddornbeeren mit dem Sonicator 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 dem Ultraschallprozessor UIP500hdT (siehe Abbildung links) mit Ultraschall (90 W, 20 kHz, 10 min) behandelt. 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 Rohmaterialwerts. Die Ultraschallextraktion aus Sanddornbeeren führte zu einer höheren Ölausbeute und reduzierte die Verarbeitungszeit, den Stromverbrauch und die Vermeidung gefährlicher Lösungsmittel.

Fallstudie: 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

In Sanddorn-Kombucha verringerte die Beschallung die anfängliche mikrobielle Belastung um 2,6 log CFU/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.
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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 in Übereinstimmung mit der Guten Herstellungspraxis (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Hielscher Ultraschall‘ Digitale Absauganlagen sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, die es einfach macht, den Beschallungsprozess präzise einzustellen und zu steuern. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (wenn Temperatur- und Drucksensoren montiert sind) mit Datums- und Zeitstempel auf die eingebaute SD-Karte. Auf diese Weise können Sie jede mit Ultraschall bearbeitete Charge überarbeiten. Gleichzeitig werden die Reproduzierbarkeit und eine kontinuierlich hohe Produktqualität sichergestellt.
Hielscher Ultrasonics‘ Industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200μm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden zur Verfügung. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher 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: