Fermentación de kombucha mejorada por ultrasonidos

La sonicación favorece la fermentación en alimentos fermentados por ultrasonidos, como la kombucha, el kimchi y otras verduras fermentadas, al mejorar la transferencia de masa, alterar las células microbianas, activar las enzimas y mejorar la homogeneidad, lo que, en última instancia, acelera el ritmo de fermentación y permite obtener un producto de calidad superior. La sonicación inicia cambios beneficiosos en los compuestos bioactivos durante la fermentación láctica, aumentando el contenido de compuestos nutricionales y fitoquímicos.

Kombucha y bebidas fermentadas

El Kombucha se produce fermentando té azucarado mediante un "cultivo simbiótico de bacterias y levaduras" (SCOBY), también llamado comúnmente "madre".” o "seta de té”. La variedad y la proporción de las poblaciones microbianas en una SCOBY pueden variar significativamente. El componente de levadura generalmente incluye Saccharomyces cerevisiae, junto con otras especies de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces y Kluyveromyces; el componente bacteriano incluye casi siempre Komagataeibacter xylinus (antes Gluconacetobacter xylinus), que fermenta los alcoholes producidos por las levaduras en ácido acético y otros ácidos, aumentando la acidez y limitando el contenido de etanol.
Del mismo modo, otras bebidas fermentadas, como los zumos fermentados de frutas y verduras, se inoculan con bacterias y levaduras.
Un tratamiento con ultrasonidos puede mejorar la eficacia de la fermentación y las características de calidad de la bebida fermentada, incluido el contenido en nutrientes y el sabor.

Fermentación ultrasónica intensificada de Kombucha

Es bien sabido que las ondas ultrasónicas estimulan el crecimiento de bacterias y levaduras. Por lo tanto, una sonicación suave y controlada de los cultivos de kombucha (SCOBY, también conocido como hongo del té, hongo del té u hongo de Manchuria) puede promover el proceso de fermentación y dar lugar a mayores rendimientos de kombucha en un tiempo de fermentación acelerado.
La fermentación estimulada por ultrasonidos muestra una mayor permeabilización de las membranas y, por tanto, una mayor transferencia de masa. El tratamiento sonomecánico mediante ondas ultrasónicas perfora las paredes celulares y las membranas plasmáticas de los microorganismos (proceso denominado sonoporación). Algunas células pueden incluso romperse. Estas células alteradas liberan factores promotores del crecimiento, como vitaminas, nucleótidos, aminoácidos y enzimas, que podrían estimular el crecimiento de bacterias celularmente intactas, así como de bacterias con membranas comprometidas.
El tratamiento ultrasónico previo a la fermentación, así como en las fases de latencia y logarítmica, mostró los efectos más destacados sobre la estimulación del crecimiento bacteriano.

Beneficios de la sonicación en la fermentación del kombucha

¿Cómo favorece el ultrasonido el proceso de fermentación y ayuda a producir mejor kombucha, fermentos vegetales, koji, etc.? La sonicación intenisfies fermentación de varias maneras, que se demuestran a continuación en el contexto de kombucha fermentada. La kombucha es una bebida fermentada elaborada tradicionalmente con té azucarado y un cultivo simbiótico de bacterias y levaduras (SCOBY). Los purés de fruta diluidos proporcionan una base rica en nutrientes y sabor para la producción de kombucha. A continuación, aprenderá cómo la ultrasonicación favorece la producción de una

• Aumento de la transferencia de masa: Las ondas ultrasónicas crean burbujas microscópicas de cavitación en el líquido, lo que provoca la formación de microcorrientes, chorros de líquido y turbulencias. Esta agitación mejora la transferencia de masa al aumentar el contacto entre los microorganismos responsables de la fermentación y los nutrientes del medio. Como resultado, los microorganismos fermentadores absorben los nutrientes de forma más eficaz, lo que acelera el ritmo de fermentación.
• Disrupción celular: Los sonicadores son bien conocidos por su eficacia en la lisis y extracción celular. En la fermentación de alimentos, los sonicadores alteran las paredes celulares microbianas, liberando enzimas y metabolitos intracelulares que pueden catalizar aún más las reacciones de fermentación. Esta alteración favorece la liberación de compuestos aromáticos, vitaminas y ácidos orgánicos de las células microbianas, lo que contribuye a la complejidad del sabor y a la riqueza en nutrientes del producto fermentado. En la kombucha de espino amarillo fermentada por ultrasonidos, se puede medir una fracción significativamente mayor de compuestos fenólicos. (cf. Dornan et al., 2020)
• Preparación de sustratos de fermentación ricos en nutrientes: La extracción ultrasónica ayuda a preparar un sustrato de fermentación que proporciona muchos nutrientes en forma disponible para la digestión microbiana. Esto significa que en los sustratos de fermentación tratados con ultrasonidos (por ejemplo, purés de frutas y verduras) los compuestos bioactivos, como almidones y azúcares, se liberan de la matriz intracelular de las células vegetales. Los microbios pueden alimentarse fácilmente del sustrato, lo que acelera y acorta el proceso de fermentación. Lo mismo ocurre con los polifenoles, flavonoides y vitaminas, que se liberan de las matrices intracelulares y contribuyen al valor nutricional global de los alimentos o bebidas fermentados.
• Aumento de la actividad enzimática: La sonicación activa o potencia la actividad de determinadas enzimas que intervienen en los procesos de fermentación. Por ejemplo, aumenta la actividad de la celulasa y la amilasa, enzimas cruciales para descomponer los carbohidratos complejos en azúcares más simples, que luego son fermentados por los microorganismos presentes en el cultivo de kombucha.
• Homogeneidad mejorada: Como la sonicación obliga siempre a mezclar y homogeneizar, el tratamiento ultrasónico garantiza una mejor homogeneización de la mezcla de fermentación, lo que resulta en una distribución uniforme de nutrientes y microorganismos por todo el medio. Esta uniformidad promueve una cinética de fermentación consistente y la producción de un producto de kombucha de alta calidad con atributos sensoriales deseables.

La estimulación ultrasónica del crecimiento microbiano es más eficaz cuando los ultrasonidos se aplican antes de la fermentación o en las fases retardada y logarítmica.

Estudio de caso: Estimulación ultrasónica de la fermentación del zumo de manzana

La investigación demostró que el tratamiento ultrasónico en las fases lag y logarítmica durante la fermentación del zumo de manzana promovió el crecimiento microbiano e intensificó la biotransformación del ácido málico en ácido láctico. Por ejemplo, después de la sonicación en la fase lag durante 0,5 h, el recuento microbiano y el contenido de ácido láctico en las muestras tratadas con ultrasonidos a 58,3 W/L alcanzaron 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL y 133,70 ± 7,39 mg/L, que fueron significativamente superiores a los de las muestras no sonicadas. Además, la ultrasonicación en las fases retardada y logarítmica tuvo influencias complejas en el metabolismo de los fenólicos de la manzana, como el ácido clorogénico, el ácido cafeico, la procianidina B2, la catequina y el ácido gálico. Los ultrasonidos pudieron afectar positivamente a la hidrólisis del ácido clorogénico en ácido cafeico, a la transformación de la procianidina B2 y a la descarboxilación del ácido gálico. El metabolismo de los ácidos orgánicos y los aminoácidos libres en las muestras sonicadas se correlacionó estadísticamente con el metabolismo fenólico, lo que implica que los ultrasonidos pueden beneficiar la derivación fenólica al mejorar el metabolismo microbiano de los ácidos orgánicos y los aminoácidos. (cf. Wang et al., 2021)

Estudio de caso: Fermentación de la leche de soja mejorada por ultrasonidos

El equipo de investigación de Ewe et al. (2012) investigó los efectos de los ultrasonidos en la eficiencia metabólica de cepas de lactobacilos (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) durante la fermentación de la leche de soja. Se observó que el tratamiento ultrasónico permeabilizaba las membranas celulares de las bacterias. La permeabilización de las membranas celulares dio lugar a una mejor internalización de los nutrientes y al consiguiente aumento del crecimiento (P ≺ 0,05). Amplitudes mayores y duraciones más largas del tratamiento de sonicación promovieron el crecimiento de lactobacilos en la leche de soja, con recuentos viables superiores a 9 log UFC/mL. Las actividades específicas de β-glucosidasa intracelular y extracelular de los lactobacilos también se vieron potenciadas (P ≺ 0,05) por la ultrasonicación, lo que condujo a un aumento de la bioconversión de las isoflavonas en la leche de soja, en particular de la genistina y la malonil genistina en genisteína. Los resultados de este estudio muestran que el tratamiento con ultrasonidos en células de lactobacilos promueve (P ≺ 0,05) la actividad β-glucosidasa de las células en beneficio de una mayor (P ≺ 0,05) bioconversión de los glucósidos de isoflavona en agliconas bioactivas en la leche de soja. (cf. Ewe et al., 2012).

Micrografías electrónicas de barrido de lactobacilos sin tratamiento (A) y lactobacilos tratados con ultrasonidos al 60% de amplitud durante 3 min (B). Círculos que muestran células rotas y células con poros.
(Estudio e imágenes: ©Ewe et al., 2012)

Extracción de compuestos nutricionales y aromas en kombucha y bebidas fermentadas

El té fermentado, los zumos y las bebidas vegetales, como el zumo fermentado de manzana o morera o las kombuchas con infusión de frutas, se benefician significativamente del tratamiento con ultrasonidos en cuanto a sabor y nutrientes. Las ondas ultrasónicas alteran las estructuras celulares de los materiales vegetales y liberan compuestos intracelulares como aromas, polifenoles, antioxidantes y flavonoides. Al mismo tiempo, la homogeneización ultrasónica proporciona una bebida uniformemente dispersa y emulsionada, evitando la separación de fases y ofreciendo un aspecto atractivo para los consumidores. A continuación puede ver un ejemplo de kombucha de bayas de espino amarillo tratada con ultrasonidos sin separación de fases en comparación con una versión sin tratar.
Más información sobre la extracción ultrasónica de aromas y nutrientes.

Estudio de caso: Kombucha conservada por ultrasonidos

El tratamiento con ultrasonidos puede influir en los microbios estimulándolos o inactivándolos. También las enzimas se ven afectadas por la sonicación: Los ultrasonidos pueden cambiar las características de las enzimas, los sustratos y sus reacciones. Estos efectos de los ultrasonidos de baja frecuencia se utilizan en el procesado de alimentos como alternativa no térmica para pasteurizar alimentos y bebidas. La sonicación ofrece la ventaja de un control preciso de los parámetros del proceso, como la amplitud, el tiempo, la temperatura y la presión, lo que permite una inactivación selectiva de los microorganismos. La inactivación de la carga microbiana en la kombucha y las bebidas fermentadas permite aumentar la vida útil y la estabilidad del producto. La reducción de microbios y enzimas facilita la distribución comercial debido a la prolongación de la vida útil del producto final. La ultrasonicación es un método de pasteurización no térmico que ya se utiliza en el procesado comercial de alimentos, como la pasteurización de zumos. Especialmente a amplitudes más altas, los ultrasonidos inactivan las bacterias y las levaduras al dañar las paredes celulares. El resultado es un crecimiento microbiano más lento o detenido. Por ejemplo, Kwaw et al. (2018) investigaron el ultrasonido como estrategia de pasteurización no térmica para el jugo de morera fermentado con ácido láctico. El jugo de morera fermentado tratado con ultrasonidos tenía un mayor contenido de compuestos fenólicos (1700,07 ± 2,44 μg/mL) que el control, un jugo de morera fermentado no tratado. "Entre los tratamientos individuales no térmicos, la ultrasonicación causó una significativa (p < 0.05) en las propiedades fenólicas y antioxidantes del zumo de morera fermentado con ácido láctico en comparación con el tratamiento con luz pulsada." (Kwaw et al., 2018) Aunque la kombucha es una bebida conocida por sus cultivos vitales, se puede utilizar una reducción controlada de microbios para prolongar la vida útil de las bebidas de kombucha distribuidas comercialmente.
La pasteurización térmica regular mata todas las levaduras y bacterias vivas que normalmente están presentes en la kombucha y que son uno de los principales factores de sus efectos beneficiosos para la salud. La pasteurización por ultrasonidos es un método de conservación no térmico, que puede utilizarse para reducir el recuento microbiano o eliminar los microorganismos por completo. Esto significa que los productores comerciales pueden aplicar ultrasonidos a amplitudes más bajas y durante periodos más cortos para reducir el número de bacterias y levaduras sin eliminarlas por completo. De este modo, los cultivos vivos siguen presentes en la kombucha, aunque en menor número, de modo que se mejoran la vida útil y los tiempos de almacenamiento.

Resultados científicamente probados en el Kombucha tratado con ultrasonidos

Dornan et al. (2020) investigaron los efectos de los ultrasonidos de baja frecuencia en la kombucha elaborada con bayas de espino amarillo utilizando el sonicador UIP500hdT. El equipo de investigación pudo demostrar múltiples efectos beneficiosos de la ultrasonicación en la preparación de bayas de espino amarillo y la posterior fermentación de kombucha.

Extracción ultrasónica de bayas de espino amarillo

Las bayas frescas enteras de espino cerval de mar (también conocidas como sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) se hicieron puré con una batidora Vitamix durante 2 minutos. Se añadió y mezcló un volumen de dH2O igual al 30% del volumen original del puré. Se aplicaron ultrasonidos (90 W, 20 kHz, 10 min) a 200 mL del puré diluido utilizando el procesador ultrasónico UIP500hdT (véase la imagen de la izquierda). El tiempo de tratamiento se eligió para optimizar los nutrientes y mantener la muestra en estado fresco. Los resultados de la extracción ultrasónica demuestran un aumento significativo (P ≺ 0,05) en un 10% del rendimiento de extracción de la pulpa (de 19,04 ± 0,08 a 20,97 ± 0,29%) y en un 7% para la semilla (de 14,81 ± 0,08 a 15,83 ± 0,28%). Este aumento del rendimiento de aceite pone de relieve la funcionalidad de la sonicación como tecnología eficaz y ecológica para maximizar el valor de la materia prima. La extracción ultrasónica de las bayas de espino cerval de mar dio lugar a un mayor rendimiento de aceite y redujo el tiempo de procesamiento, el consumo de energía y evitó el uso de disolventes peligrosos.

Estudio de caso: Homogeneización ultrasónica de kombucha de bayas de espino amarillo

La kombucha de bayas de espino amarillo (sanddorne) tratada con ultrasonidos mostró una mejora significativa de la estabilidad del producto. En el día 21 de almacenamiento, la kombucha de bayas sonicada seguía siendo homogénea. El hecho de que no se observara sinéresis en el kombucha de bayas sonicado durante todo el estudio (21 días, véase la imagen inferior) demuestra que el ultrasonido por sí solo es una técnica de emulsificación eficaz capaz de producir la estabilidad del producto y evitar la separación de fases.

Puré de espino amarillo (P) sin y con tratamiento de ultrasonidos (P+US) en los días 0 y 21.
Estudio e imagen:©Dornan et al., 2020.

Ultrasonidos para detener la fermentación

Se elaboraron cuatro muestras de kombucha: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasonidos), K+S (kombucha + sacarosa) y K+S+US (kombucha + sacarosa + ultrasonidos). Todas las muestras se prepararon con 200 ml de puré de espino amarillo (P) o P+US y 12,5 g de SCOBY. K consistió en P y SCOBY. K+US consistía en P+US y SCOBY. K+S consistió en P, 15,0 g de sacarosa y SCOBY. K+S+US: P+US, 15,0 g de sacarosa y SCOBY. Todas las muestras se dejaron fermentar en un lugar oscuro a temperatura ambiente durante cinco días. Se aplicó un segundo tratamiento de sonicación (90 W, 20 kHz, 10 min) a K+US y K+S+US para detener la fermentación el quinto día.

Efectos de la conservación por ultrasonidos en el Kombucha

En la kombucha de espino cerval de mar, la sonicación redujo la carga microbiana inicial en 2,6 log UFC/mL, deteniendo así el proceso de fermentación en un momento seleccionado para evitar la sobrefermentación. Además, la reducción microbiana controlada contribuye a aumentar la vida útil y la estabilidad del producto final, lo que facilita la distribución comercial de la kombucha.
Más información sobre la ultrasonicación como método no térmico de pasteurización de zumos.

Resultados generales del Kombucha tratado con ultrasonidos

La ultrasonicación redujo la carga microbiana inicial en 2,6 log UFC/mL, aumentó el valor ORAC en un 3% e incrementó el índice de solubilidad en agua (WSI) en un 40% (de 6,64 a 9,29 g/g) sin sinéresis. Los resultados de este estudio sugieren que la aplicación de ultrasonidos puede mejorar la funcionalidad fenólica durante la fermentación y es capaz de disminución de la sinéresis, aumento del rendimiento de aceite, disminución de la carga microbiana y aumento de ORAC con una pérdida mínima de calidad nutricional. (cf. Dornan et al., 2020)

Equipo de ultrasonidos para mejorar la elaboración de Kombucha

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