Fermentación de kombucha mejorada mediante ultrasonidos

La sonicación favorece la fermentación de alimentos fermentados mediante ultrasonidos, como la kombucha, el kimchi y otras verduras fermentadas, al mejorar la transferencia de masa, provocar la ruptura de las células microbianas, activar las enzimas y mejorar la homogeneidad, lo que finalmente acelera la fermentación y permite obtener un producto de calidad superior. La sonicación induce cambios beneficiosos en los compuestos bioactivos durante la fermentación láctica, aumentando el contenido de compuestos nutritivos y fitoquímicos.

Kombucha y bebidas fermentadas

La kombucha se produce fermentando té azucarado con un «cultivo simbiótico de bacterias y levaduras» (SCOBY), también denominado habitualmente «madre» u «hongo del té». La diversidad y la proporción de las poblaciones microbianas de un SCOBY pueden variar considerablemente. El componente de levaduras suele incluir Saccharomyces cerevisiae, junto con otras especies de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces y Kluyveromyces; el componente bacteriano casi siempre incluye Komagataeibacter xylinus (anteriormente Gluconacetobacter xylinus), que fermenta los alcoholes producidos por las levaduras y los transforma 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.
El tratamiento con ultrasonidos puede mejorar la eficiencia de la fermentación y las características de calidad de la bebida fermentada, incluidos su contenido de nutrientes y su sabor.

Fermentación de kombucha intensificada mediante ultrasonidos

Es bien conocida la capacidad de las ondas ultrasónicas para estimular el crecimiento de bacterias y levaduras. Por tanto, una sonicación suave y controlada de los cultivos de kombucha (SCOBY, también conocido como hongo del té u hongo de Manchuria) puede favorecer el proceso de fermentación y aumentar el rendimiento de kombucha en un tiempo de fermentación más corto.
La fermentación estimulada mediante ultrasonidos presenta una mayor permeabilización de las membranas y, por consiguiente, una mayor transferencia de masa. El tratamiento sonomecánico mediante ondas ultrasónicas perfora las paredes celulares y las membranas plasmáticas de los microorganismos (un proceso denominado sonoporación). Algunas células pueden incluso romperse. Estas células rotas liberan factores promotores del crecimiento, como vitaminas, nucleótidos, aminoácidos y enzimas, que podrían estimular el crecimiento tanto de bacterias con células intactas como de bacterias con membranas dañadas.
El tratamiento ultrasónico previo a la fermentación, así como durante las fases de latencia y de crecimiento logarítmico, mostró los efectos más destacados en la estimulación del crecimiento bacteriano.

Beneficios de la sonicación en la fermentación de kombucha

¿Cómo favorecen los ultrasonidos el proceso de fermentación y ayudan a producir kombucha, verduras fermentadas, koji, etc., de mejor calidad? La sonicación intensifica la fermentación de varias formas, que se describen a continuación en el contexto de la 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 frutas diluidos proporcionan una base rica en nutrientes y sabor para la producción de kombucha. A continuación, descubrirá cómo la ultrasonicación favorece la producción de un

• Mayor transferencia de masa: Las ondas ultrasónicas crean burbujas microscópicas de cavitación en el líquido, dando lugar a 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 con mayor eficiencia, lo que acelera la fermentación.
• Ruptura celular: Los sonicadores son conocidos por su eficacia en la lisis celular y la extracción. En la fermentación de alimentos, los sonicadores rompen las paredes celulares microbianas y liberan enzimas y metabolitos intracelulares que pueden catalizar adicionalmente las reacciones de fermentación. Esta ruptura mejora la liberación de compuestos del sabor, vitaminas y ácidos orgánicos de las células microbianas, contribuyendo a la complejidad del sabor y a la riqueza nutricional del producto fermentado. En la kombucha de espino amarillo fermentada mediante ultrasonidos, puede medirse 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 numerosos nutrientes en una forma disponible para la digestión microbiana. Esto significa que, en los sustratos de fermentación tratados con ultrasonidos (p. ej., purés de frutas y verduras), los compuestos bioactivos, como los almidones y los azúcares, se liberan de la matriz intracelular de las células vegetales. Los microorganismos pueden alimentarse fácilmente del sustrato, lo que acelera y acorta el proceso de fermentación. Lo mismo ocurre con los polifenoles, los flavonoides y las vitaminas, que se liberan de las matrices intracelulares y contribuyen al valor nutricional global de los alimentos o bebidas fermentados.
• Mayor actividad enzimática: La sonicación activa o aumenta la actividad de determinadas enzimas implicadas en los procesos de fermentación. Por ejemplo, aumenta la actividad de la celulasa y la amilasa, enzimas esenciales para descomponer los carbohidratos complejos en azúcares más simples, que después son fermentados por los microorganismos presentes en el cultivo de kombucha.
• Mayor homogeneidad: Como las fuerzas de sonicación siempre producen mezcla, el tratamiento ultrasónico garantiza una mejor homogeneización de la mezcla de fermentación, lo que da lugar a una distribución uniforme de los nutrientes y los microorganismos por todo el medio. Esta uniformidad favorece una cinética de fermentación constante y la producción de una 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 durante las fases de latencia y de crecimiento logarítmico.

Caso de estudio: estimulación ultrasónica de la fermentación del zumo de manzana

La investigación demostró que el tratamiento ultrasónico durante las fases de latencia y de crecimiento logarítmico de la fermentación del zumo de manzana favorecía el crecimiento microbiano e intensificaba la biotransformación del ácido málico en ácido láctico. Por ejemplo, tras la sonicación durante la fase de latencia durante 0,5 h, el recuento microbiano y el contenido de ácido láctico de 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, respectivamente, valores significativamente superiores a los de las muestras no sonicadas. Además, la ultrasonicación durante las fases de latencia y de crecimiento logarítmico tuvo efectos complejos sobre el metabolismo de los compuestos fenólicos de la manzana, como el ácido clorogénico, el ácido cafeico, la procianidina B2, la catequina y el ácido gálico. Los ultrasonidos podían favorecer la hidrólisis del ácido clorogénico a ácido cafeico, la transformación de la procianidina B2 y la descarboxilación del ácido gálico. El metabolismo de los ácidos orgánicos y los aminoácidos libres de las muestras sonicadas se correlacionó estadísticamente con el metabolismo fenólico, lo que sugiere que los ultrasonidos pueden favorecer la formación de derivados fenólicos al mejorar el metabolismo microbiano de los ácidos orgánicos y los aminoácidos. (cf. Wang et al., 2021)

Caso de estudio: fermentación de leche de soja mejorada mediante ultrasonidos

El equipo de investigación de Ewe et al. (2012) investigó los efectos de los ultrasonidos sobre 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 leche de soja. Se observó que el tratamiento ultrasónico permeabilizaba las membranas celulares de las bacterias. La permeabilización de las membranas celulares mejoró la incorporación de nutrientes y, posteriormente, favoreció el crecimiento (P ≺ 0,05). Las amplitudes más altas y las duraciones más largas del tratamiento de sonicación favorecieron el crecimiento de los lactobacilos en la leche de soja, con recuentos de microorganismos viables superiores a 9 log CFU/mL. La ultrasonicación también aumentó las actividades específicas de la β-glucosidasa intracelular y extracelular de los lactobacilos (P ≺ 0,05), lo que incrementó la bioconversión de las isoflavonas de la leche de soja, especialmente de la genistina y la malonilgenistina en genisteína. Los resultados de este estudio muestran que el tratamiento con ultrasonidos de las células de lactobacilos favorece (P ≺ 0,05) la actividad de la β-glucosidasa celular, mejorando (P ≺ 0,05) la bioconversión de los glucósidos de isoflavonas 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 a una amplitud del 60% durante 3 min (B). Los círculos señalan células rotas y células con poros.
(Estudio e imágenes: ©Ewe et al., 2012)

Extracción de compuestos nutritivos y del sabor en kombucha y bebidas fermentadas

Las bebidas fermentadas de té, zumos y verduras, por ejemplo, el zumo fermentado de manzana o de mora o las kombuchas infusionadas con frutas, se benefician considerablemente del tratamiento con ultrasonidos en cuanto a sabor y nutrientes. Las ondas ultrasónicas rompen las estructuras celulares de los materiales vegetales y liberan compuestos intracelulares, como compuestos del sabor, polifenoles, antioxidantes y flavonoides. Al mismo tiempo, la homogeneización ultrasónica proporciona una bebida uniformemente dispersa y emulsionada, evita la separación de fases y ofrece 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 compuestos del sabor y nutrientes!

Caso de estudio: kombucha conservada mediante ultrasonidos

El tratamiento con ultrasonidos puede influir en los microorganismos, ya sea estimulándolos o inactivándolos. La sonicación también afecta a las enzimas: los ultrasonidos pueden modificar las características de las enzimas, los sustratos y sus reacciones. Estos efectos de los ultrasonidos de baja frecuencia se utilizan en el procesamiento 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 de la kombucha y las bebidas fermentadas permite prolongar la vida útil y aumentar la estabilidad del producto. La reducción de microorganismos y enzimas facilita la distribución comercial al prolongar la vida útil del producto final. La ultrasonicación es un método de pasteurización no térmica que ya se utiliza en el procesamiento comercial de alimentos, como la pasteurización de zumos. Especialmente a amplitudes más altas, los ultrasonidos inactivan las bacterias y las levaduras al dañar sus paredes celulares. Esto ralentiza o detiene el crecimiento microbiano. Por ejemplo, Kwaw et al. (2018) investigaron los ultrasonidos como estrategia de pasteurización no térmica para el zumo de mora sometido a fermentación láctica. El zumo de mora fermentado y tratado con ultrasonidos presentó un mayor contenido de compuestos fenólicos (1700,07 ± 2,44 μg/mL) que el control, un zumo de mora fermentado sin tratar. «Entre los tratamientos no térmicos individuales, la ultrasonicación produjo un aumento significativo (p < 0,05) de las propiedades fenólicas y antioxidantes del zumo de mora sometido a fermentación láctica en comparación con el tratamiento con luz pulsada». (Kwaw et al., 2018)
Aunque la kombucha es una bebida conocida por sus cultivos vivos, puede utilizarse una reducción controlada de los microorganismos para prolongar la vida útil de las bebidas de kombucha distribuidas comercialmente.
La pasteurización térmica convencional mata todas las levaduras y bacterias vivas que normalmente están presentes en la kombucha y constituyen uno de los principales factores de sus efectos beneficiosos para la salud. La pasteurización ultrasónica es un método de conservación no térmico que puede utilizarse tanto para reducir los recuentos microbianos como para eliminar por completo los microorganismos. Esto significa que los productores comerciales pueden aplicar ultrasonidos a amplitudes más bajas y durante periodos más cortos para reducir la cantidad de bacterias y levaduras sin eliminarlas por completo. De este modo, los cultivos vivos siguen presentes en la kombucha, aunque en menor cantidad, lo que prolonga la vida útil y los tiempos de almacenamiento.

Resultados científicamente demostrados en kombucha tratada con ultrasonidos

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

Extracción ultrasónica de bayas de espino amarillo

Para la sonicación, las bayas frescas enteras de espino amarillo (también conocido como sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) se trituraron hasta obtener un puré con una batidora Vitamix durante 2 min. Se añadió un volumen de dH2O equivalente al 30% del volumen original del puré y se mezcló. 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 un estado similar al fresco. Los resultados de la extracción ultrasónica muestran un aumento significativo (P ≺ 0,05) del rendimiento de extracción del 10% para la pulpa (de 19,04 ± 0,08 a 20,97 ± 0,29%) y del 7% para la semilla (de 14,81 ± 0,08 a 15,83 ± 0,28%). Este aumento del rendimiento de aceite destaca la utilidad de la sonicación como tecnología eficaz y respetuosa con el medio ambiente para maximizar el valor de la materia prima. La extracción ultrasónica de las bayas de espino amarillo produjo un mayor rendimiento de aceite, redujo el tiempo de procesamiento y el consumo de energía, y evitó el uso de disolventes peligrosos.

Caso de estudio: homogeneización ultrasónica de kombucha de bayas de espino amarillo

La kombucha de bayas de espino amarillo (sanddorne) tratada con ultrasonidos mostró una estabilidad del producto significativamente mayor. En el día 21 de almacenamiento, la kombucha de bayas sonicada seguía siendo homogénea. El hecho de que no se observara sinéresis en la kombucha de bayas sonicada durante todo el estudio (21 días, véase la imagen siguiente) demuestra que los ultrasonidos por sí solos constituyen una técnica de emulsificación eficaz, capaz de proporcionar estabilidad al producto y evitar la separación de fases.

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

Ultrasonicación 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 utilizando 200 mL de puré de espino amarillo (P) o P+US y 12,5 g de SCOBY. K consistía en P y SCOBY. K+US consistía en P+US y SCOBY. K+S consistía en P, 15,0 g de sacarosa y SCOBY. K+S+US consistía en 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 en el día 5.

Efectos de la conservación ultrasónica en la kombucha

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

Resultados generales en kombucha tratada con ultrasonidos

La ultrasonicación redujo la carga microbiana inicial en 2,6 log CFU/mL, aumentó el valor ORAC en un 3% y aumentó 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 ultrasonicación puede mejorar la funcionalidad de los compuestos fenólicos durante la fermentación y es capaz de reducir la sinéresis, aumentar el rendimiento de aceite, reducir la carga microbiana y aumentar el ORAC con una pérdida mínima de calidad nutricional. (cf. Dornan et al., 2020)

Equipos ultrasónicos para mejorar la elaboración de kombucha

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye ultrasonicadores de alto rendimiento, biorreactores ultrasónicos y accesorios para mejorar los procesos de fermentación, extracción y pasteurización utilizados en la fabricación de alimentos y bebidas. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher para el procesamiento de alimentos se utilizan en múltiples aplicaciones y constituyen una tecnología segura, fiable y rentable para producir alimentos y bebidas de alta calidad. La instalación y el funcionamiento de todos los procesadores ultrasónicos de Hielscher son sencillos: requieren poco espacio y pueden incorporarse fácilmente a instalaciones de procesamiento existentes.
Hielscher Ultrasonics cuenta con una amplia experiencia en la aplicación de ultrasonidos de potencia en la industria alimentaria y de bebidas, así como en muchos otros sectores industriales. Nuestros procesadores ultrasónicos están equipados con sonotrodos y celdas de flujo –las partes en contacto con el producto– fáciles de limpiar (limpieza in situ CIP / esterilización in situ SIP). Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen 24/7. El ajuste preciso de las amplitudes y la posibilidad de alternar entre amplitudes bajas y altas son importantes para estimular o inactivar los microorganismos. Así, el mismo ultrasonicador puede utilizarse tanto para estimular los microorganismos y aumentar la fermentación como para inactivarlos con fines de pasteurización.
La tecnología de vanguardia, el alto rendimiento y el software avanzado convierten a los equipos de Hielscher Ultrasonics en herramientas fiables para su proceso de fermentación de alimentos. Gracias al reducido espacio que ocupan y a sus versátiles opciones de instalación, los ultrasonicadores de Hielscher pueden integrarse o incorporarse fácilmente a líneas de producción existentes.

Estandarización de procesos con Hielscher Ultrasonics

Los productos de calidad alimentaria deben fabricarse de acuerdo con las buenas prácticas de fabricación (GMP) y conforme a especificaciones de procesamiento estandarizadas. Los sistemas digitales de extracción de Hielscher Ultrasonics incorporan software inteligente que facilita la configuración y el control precisos del proceso de sonicación. El registro automático de datos guarda en la tarjeta SD integrada todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la energía ultrasónica (energía total y neta), la amplitud, la temperatura y la presión (cuando se instalan sensores de temperatura y presión), con fecha y hora. Esto permite revisar cada lote procesado mediante ultrasonidos. Al mismo tiempo, se garantizan la reproducibilidad y una calidad del producto constantemente alta.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 bajo condiciones de trabajo intensivas y en entornos exigentes.
Póngase en contacto con nosotros ahora para obtener más información sobre las características y la capacidad de nuestros sistemas de pasteurización ultrasónica. ¡Estaremos encantados de hablar con usted sobre su aplicación!

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: