Ultraheli abil parendatud kombucha kääritamine

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) soodustab kääritamist ultraheli abil kääritatud toiduainetes, nagu kombucha, kimchi ja muud kääritatud köögiviljad, parandades massiülekannet, lõhkudes mikroobirakke, aktiveerides ensüüme ja parandades homogeensust, mis viib lõpuks kiirema kääritamiskiiruse ja kõrgema kvaliteediga toote valmistamiseni. Ultraheli töötlus käivitab piimhappelise kääritamise käigus bioaktiivsetes ühendites kasulikke muutusi, suurendades toitainete ja fütokemikaalide sisaldust.

Kombucha ja kääritatud joogid

Kombucha valmistatakse suhkrustatud tee kääritamisel, kasutades „bakterite ja pärmseente sümbiootilist kultuuri“ (SCOBY), mida tavaliselt nimetatakse ka „emaks“ või „teeseeneks“. Mikroobipopulatsioonide mitmekesisus ja suhe SCOBY-s võivad olla üsna erinevad. Pärmseente osa sisaldab üldiselt liiki Saccharomyces cerevisiae ning muid liike perekondadest Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces ja Kluyveromyces; bakterite osa sisaldab peaaegu alati liiki Komagataeibacter xylinus (varem Gluconacetobacter xylinus), mis kääritab pärmseente toodetud alkoholid äädikhappeks ja muudeks hapeteks, suurendades happesust ja piirates etanoolisisaldust.
Sarnaselt inokuleeritakse bakterite ja pärmseentega ka muid kääritatud jooke, näiteks kääritatud puu- ja köögiviljamahlu.
Töötlus ultrahelillaga võib parandada kääritamise efektiivsust ja kääritatud joogi kvaliteediomadusi, sealhulgas toitainete sisaldust ja maitset.

Ultraheli abil intensiivistatud kombucha kääritamine

Ultraheli lainete teadaolevaks omaduseks on bakterite ja pärmseente kasvu stimuleerimine. Kombucha kultuuride (SCOBY, tuntud ka kui teeseen, teegi või mandžuuria seen) kontrollitud kerge ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib seetõttu soodustada kääritamisprotsessi ja anda kiirendatud kääritamisajaga suurema kombucha saagise.
Ultraheli abil stimuleeritud kääritamisel on membraanide läbilaskvus suurenenud ja seetõttu on ka massiülekanne tõhusam. Ultraheli lainetega sonomehaaniline töötlus perforeerib mikroorganismide rakuseinu ja plasmamembraane (protsessi nimetatakse sonoporatsiooniks). Mõned rakud võivad isegi rebeneda. Need kahjustatud rakud vabastavad kasvu soodustavaid tegureid, nagu vitamiinid, nukleotiidid, aminohapped ja ensüümid, mis võivad stimuleerida nii rakuliselt terved kui ka membraanikahjustusega bakterite kasvu.
Ultraheli töötlus enne kääritamist ning lag- ja log-faasis avaldas bakterite kasvu stimuleerimisele kõige selgemat mõju.

Ultraheli töötluse (sonikeerimise) eelised kombucha kääritamisel

Kuidas ultraheli soodustab kääritamisprotsessi ja aitab toota paremat kombuchat, köögiviljade kääritisi, koji jms? Ultraheli töötlus (sonikeerimine) intensiivistab kääritamist mitmel viisil, mida demonstreeritakse allpool kääritatud kombucha näitel. Kombucha on kääritatud jook, mida traditsiooniliselt valmistatakse magustatud teest ning bakterite ja pärmseente sümbiootilisest kultuurist (SCOBY). Lahjendatud puuviljapüreed pakuvad toitaineterikka ja maitseka aluse kombucha tootmiseks. Allpool saate teada, kuidas ultraheli töötlus soodustab kombucha jookide tootmist:

• Suurem massiülekanne: Ultraheli lained tekitavad vedelikus mikroskoopilisi kavitatsioonimulle, mis põhjustavad mikrovoolude, vedelikujugade ja turbulentsi teket. See segamine parandab massiülekannet, suurendades kontakti kääritamise eest vastutavate mikroorganismide ja söötmes sisalduvate toitainete vahel. Selle tulemusel imavad kääritavad mikroorganismid toitaineid tõhusamalt, mis viib kiirema kääritamiskiiruseni.
• Rakkude lõhkumine: Sonikaatorid on hästi tuntud oma tõhususe poolest rakkude lüüsimisel ja ekstraheerimisel. Toiduainete kääritamisel lõhuvad sonikaatorid mikroobirakkude rakuseinu, vabastades rakusisesed ensüümid ja metaboliidid, mis võivad kääritamisreaktsioone veelgi katalüüsida. See rakkude lõhkumine (desintegreerimine) soodustab maitseühendite, vitamiinide ja orgaaniliste hapete vabanemist mikroobirakkudest, aidates kaasa kääritatud toote maitse keerukusele ja toitainerikkusele. Ultraheliga kääritatud astelpajukombutšas saab mõõta oluliselt suuremat fenoolsete ühendite osakaalu. (vrd Dornan et al., 2020)
• Toitainerikaste kääritussubstraatide ettevalmistamine: Ultraheliekstraktsioon aitab ette valmistada kääritussubstraati, mis pakub mikroobide seedimiseks palju toitaineid kättesaadaval kujul. See tähendab, et ultraheliga töödeldud kääritussubstraatides (nt puu- ja köögiviljapüreedes) vabanevad bioaktiivsed ühendid, näiteks tärklis ja suhkrud, taimerakkude rakusisesest maatriksist. Mikroobid saavad substraati kergesti toiduks kasutada, mis kiirendab ja lühendab kääritusprotsessi. Sama kehtib polüfenoolide, flavonoidide ja vitamiinide kohta, mis vabanevad rakusisestest maatriksitest ning aitavad kaasa kääritatud toidu või jookide üldisele toiteväärtusele.
• Tõhustatud ensüümide aktiivsus: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) aktiveerib või tõhustab teatud kääritusprotsessides osalevate ensüümide aktiivsust. See suurendab näiteks tsellulaasi ja amülaasi aktiivsust – need ensüümid on olulised keerukate süsivesikute lagundamiseks lihtsamateks suhkruteks, mida seejärel kääritavad kombutša kultuuris esinevad mikroorganismid.
• Parem homogeensus: Kuna ultraheli töötlus (sonikeerimine) toob alati kaasa segunemise ja segamise, tagab ultraheli töötlus kääritussegu parema homogeniseerimise, mille tulemusel jaotuvad toitained ja mikroorganismid kogu keskkonnas ühtlaselt. See ühtlus soodustab stabiilset kääritamise kineetikat ning soovitavate sensoorsete omadustega kõrgekvaliteedilise kombutšatoote valmistamist.

Mikroobide kasvu ultraheliga stimuleerimine on kõige tõhusam, kui ultraheli rakendatakse enne kääritamist või lag- ja log-faasis.

Juhtumiuuring: õunamahla kääritamise stimuleerimine ultrahelis

Uuringud näitasid, et ultraheli töötlus lag- ja logaritmilises faasis õunamahla kääritamise ajal soodustas mikroobide kasvu ning intensiivistas õunhappe biotransformatsiooni piimhappeks. Näiteks pärast 0,5 h kestnud ultraheli töötlust (sonikeerimist) lag-faasis jõudsid mikroobide arv ja piimhappe sisaldus ultraheliga töödeldud proovides 58,3 W/L juures tasemeni 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL ja 133,70 ± 7,39 mg/L, mis olid oluliselt kõrgemad kui sonikeerimata proovides. Lisaks mõjutas ultraheli töötlus lag- ja logaritmilises faasis keerukalt õunafenoolide, näiteks klorogeenhappe, kohvhappe, prokyanidiin B2, katehhiini ja gallushappe ainevahetust. Ultraheli võis positiivselt mõjutada klorogeenhappe hüdrolüüsi kohvhappeks, prokyanidiin B2 muundumist ja gallushappe dekarboksüülimist. Orgaaniliste hapete ja vabade aminohapete ainevahetus sonikeeritud proovides korreleerus statistiliselt fenoolide ainevahetusega, mis viitab sellele, et ultraheli võib soodustada fenoolset derivatsiooni, parandades orgaaniliste hapete ja aminohapete mikroobset ainevahetust. (vrd Wang et al., 2021)

Juhtumiuuring: ultraheliga parandatud sojapiima kääritamine

Ewe et al. (2012) uurimisrühm uuris ultraheli mõju laktobatsillide tüvede (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) metaboolsele efektiivsusele sojapiima kääritamise ajal. Täheldati, et ultrahelitöötlus muutis bakterite rakumembraanid läbilaskvaks. Läbilaskvaks muudetud rakumembraanid tõid kaasa paranenud toitainete sisenemise rakkudesse ja sellele järgneva kasvu tugevnemise (P ≺ 0,05). Sonikeerimise suuremad amplituudid ja pikemad kestused soodustasid laktobatsillide kasvu sojapiimas, kusjuures elujõuliste rakkude arv ületas 9 log CFU/mL. Laktobatsillide rakusisene ja rakuväline β-glükosidaasi spetsiifiline aktiivsus suurenes samuti (P ≺ 0,05) ultraheli töötluse toimel, mis suurendas isoflavoonide biokonversiooni sojapiimas, eelkõige genistiini ja malonüülgenistiini muundumist genisteiiniks. Selle uuringu tulemused näitavad, et laktobatsillide rakkude ultrahelitöötlus suurendab (P ≺ 0,05) rakkude β-glükosidaasi aktiivsust, mis soodustab isoflavoonglükosiidide tõhustatud (P ≺ 0,05) biokonversiooni bioaktiivseteks aglükoonideks sojapiimas. (vrd Ewe et al., 2012)

Laktobatsillide skaneeriva elektronmikroskoobi pildid ilma töötluseta (A) ja ultraheliga 60% amplituudil 3 min töödeldud laktobatsillid (B). Ringid tähistavad lõhkunud rakke ja poore sisaldavaid rakke.
(Uuring ja pildid: ©Ewe et al., 2012)

Toitainete ja maitseühendite ekstraheerimine kombuchas ja kääritatud jookides

Kääritatud tee-, mahla- ja köögiviljajoogid, nt kääritatud õuna- või mooruspuumahl või puuviljadega maustatud kombuchad, saavad ultraheli töötlusest maitse ja toitainete poolest märkimisväärset kasu. Ultrahelilained lõhuvad taimsete materjalide rakustruktuure ja vabastavad rakusiseseid ühendeid, nagu maitseained, polüfenoolid, antioksüdandid ja flavonoidid. Samal ajal tagab ultraheli homogeniseerimine ühtlaselt dispergeeritud ja emulgeeritud joogi, mis väldib faaside lahknemist ja on tarbijale atraktiivse välimusega. Allpool näete näidet ultraheliga töödeldud astelpajumarjadest valmistatud kombuchast, milles faaside lahknemist ei esine, võrreldes töötlemata versiooniga.
Loe lähemalt ultraheli abil toimuvast maitse- ja toitainete ekstraheerimisest!

Juhtumiuuring: ultraheliga säilitatud kombucha

Ultraheli töötlus võib mõjutada mikroobe, neid kas stimuleerides või inaktiveerides. Sonikeerimine mõjutab ka ensüüme: ultraheli võib muuta ensüümide, substraatide ja nende reaktsioonide omadusi. Madalsagedusliku ultraheli neid toimeid kasutatakse toiduainete töötlemisel mittetermilise alternatiivina toiduainete ja jookide pastöriseerimisele. Sonikeerimise eeliseks on protsessiparameetrite, nagu amplituud, aeg, temperatuur ja rõhk, täpne juhtimine, mis võimaldab mikroorganisme sihipäraselt inaktiveerida. Kombucha ja kääritatud jookide mikroobikoormuse inaktiveerimine võimaldab pikendada säilivusaega ja parandada toote stabiilsust. Mikroobide ja ensüümide vähendamine hõlbustab kaubanduslikku turustamist, sest lõpptoote säilivusaeg pikeneb. Ultraheli töötlus on mittetermiline pastöriseerimismeetod, mida kasutatakse kaubanduslikus toiduainetööstuses juba näiteks mahlade pastöriseerimiseks. Eriti suuremate amplituudide korral inaktiveerib ultraheli bakterid ja pärmid, kahjustades nende rakuseinu. Selle tulemusena mikroobide kasv aeglustub või peatub. Näiteks Kwaw et al. (2018) uurisid ultraheli kui mittetermilist pastöriseerimisstrateegiat piimhappega kääritatud mooruspuumahla jaoks. Ultraheliga töödeldud kääritatud mooruspuumahla fenoolsete ühendite sisaldus (1700,07 ± 2,44 μg/mL) oli kontrollproovist, st töötlemata kääritatud mooruspuumahlast, suurem. “Üksikute mittetermiliste töötluste hulgas põhjustas ultraheli töötlus piimhappega kääritatud mooruspuumahla fenool- ja antioksüdantsete omaduste olulise (p < 0,05) suurenemise võrreldes pulseeriva valgusega töötlemisega.” (Kwaw et al., 2018)
Kuigi kombucha on jook, mis on tuntud oma eluskultuuride poolest, saab mikroobide kontrollitud vähendamist kasutada selleks, et pikendada kaubanduslikult turustatavate kombucha jookide säilivusaega.
Tavapärane termiline pasteuriseerimine hävitab kõik elusad pärmid ja bakterid, mis kombuchas tavaliselt esinevad ja mis on üks peamisi tegureid selle tervist edendava toime taga. Ultraheli pasteuriseerimine on mittetermiline säilitusmeetod, mida saab kasutada kas mikroobide arvukuse vähendamiseks või mikroorganismide täielikuks hävitamiseks. See tähendab, et kaubanduslikud tootjad saavad rakendada ultraheli madalamate amplituudidega ja lühemat aega, et vähendada bakterite ja pärmide hulka neid täielikult hävitamata. Nii jäävad kombuchasse elusad kultuurid siiski alles, ehkki väiksemal arvul, mistõttu paranevad säilivusaeg ja ladustamisaeg.

Teaduslikult tõestatud tulemused ultraheliga töödeldud kombuchas

Dornan jt (2020) uurisid madalsageda ultraheli mõju astelpajumarjadest valmistatud kombuchale, kasutades sonikaatorit UIP500hdT. Uurimisrühm suutis näidata ultraheli töötluse mitmeid soodsaid mõjusid astelpajumarjade preparaadile ja sellele järgnevale kombucha kääritamisele.

Astelpajumarjade ultraheliekstraktsioon

Värsked terved astelpajumarjad (tuntud ka nime all sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) püreestati Vitamixi blenderiga 2 minuti jooksul enne ultraheli töötlust. Lisati dH2O kogus, mis võrdus 30%-ga püree algmahust, ja segati läbi. Ultraheli (90 W, 20 kHz, 10 min) rakendati 200 mL lahjendatud püreele, kasutades ultraheli protsessorit UIP500hdT (vt pilti vasakul). Töötlusaeg valiti toitainete optimeerimiseks ja proovi värskelaadses olekus säilitamiseks. Ultraheliekstraktsiooni tulemused näitavad olulist (P ≺ 0,05) 10% suurenemist ekstraktsioonisaagis viljalihast (19,04 ± 0,08-lt 20,97 ± 0,29%-ni) ja 7% suurenemist seemnetest (14,81 ± 0,08-lt 15,83 ± 0,28%-ni). See õlisaagise suurenemine rõhutab ultraheli töötluse toimivust tõhusa ja keskkonnasõbraliku tehnoloogiana tooraine väärtuse maksimeerimiseks. Astelpajumarjade ultraheliekstraktsioon andis suurema õlisaagise ning vähendas töötlusaega ja energiatarbimist ning võimaldas vältida ohtlikke lahusteid.

Juhtumiuuring: astelpajumarjade kombucha ultraheli homogeniseerimine

Ultraheliga töödeldud astelpajumarjade (sanddorne) kombucha näitas toote oluliselt paranenud stabiilsust. Säilitamise 21. päevaks oli sonikeeritud marjakombucha jäänud homogeenseks. Asjaolu, et sonikeeritud marjakombuchas ei täheldatud kogu uuringu vältel (21 päeva, vt pilti allpool) sünereesi, näitab, et ultraheli üksi on tõhus emulgeerimismeetod, mis suudab tagada toote stabiilsuse ja ennetada faaside lahknemist.

Astelpajumarjade püree (P) ilma ultraheli töötluseta ja ultraheli töötlusega (P+US) 0. ja 21. päeval.
Uuring ja pilt: ©Dornan jt, 2020.

Ultraheli töötlus kääritamise peatamiseks

Valmistati neli kombucha proovi: K (kombucha), K+US (kombucha + ultraheli), K+S (kombucha + sahharoos) ja K+S+US (kombucha + sahharoos + ultraheli). Kõik proovid valmistati, kasutades 200 mL astelpajumarjade püreed (P) või P+US ja 12,5 g SCOBY-t. K koosnes P-st ja SCOBY-st. K+US koosnes P+US-st ja SCOBY-st. K+S koosnes P-st, 15,0 g sahharoosist ja SCOBY-st. K+S+US koosnes P+US-st, 15,0 g sahharoosist ja SCOBY-st. Kõiki proove lasti kääritada pimedas kohas toatemperatuuril viis päeva. Teine ultraheli töötlus (90 W, 20 kHz, 10 min) rakendati proovidele K+US ja K+S+US kääritamise peatamiseks 5. päeval.

Ultraheli säilitamismõjud kombuchale

Astelpajumarjade kombuchas vähendas ultraheli töötlus mikroobide algarvukust 2,6 log CFU/mL võrra, peatades seeläbi kääritamisprotsessi valitud ajahetkel, et vältida ülekäärimist. Lisaks aitab mikroobide kontrollitud vähendamine pikendada lõpptoote säilivusaega ja stabiilsust, mis hõlbustab kombucha kaubanduslikku turustamist.
Loe lähemalt ultraheli töötlusest kui mittetermilisest mahla pastöriseerimismeetodist!

Üldtulemused ultraheliga töödeldud kombuchas

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) vähendas algset mikroobide arvukust 2,6 log CFU/mL, suurendas ORAC-väärtust 3% ja suurendas vees lahustuvuse indeksit (WSI) 40% (väärtuselt 6,64 väärtusele 9,29 g/g) ilma sünereesita. Selle uuringu tulemused viitavad, et ultraheli töötluse kasutamine võib käärimise ajal parandada fenoolsete ühendite funktsionaalsust ja suudab vähendada sünereesi, suurendada õli saagist, vähendada mikroobide arvukust ja suurendada ORAC-väärtust minimaalse toiteväärtuse kaoga. (vrd Dornan et al., 2020)

Ultraheliseadmed parema kombucha valmistamise jaoks

Hielscher Ultrasonics kavandab, toodab ja turustab suure jõudlusega sonikaatoreid, ultraheli bioreaktoreid ja lisatarvikuid, mis on mõeldud toidu- ja joogitööstuses kasutatavate käärimis-, ekstraheerimis- ja pastöriseerimisprotsesside parandamiseks. Hielscheri ultraheli toidutöötlussüsteeme kasutatakse mitmesugusteks rakendusteks, kuna see on ohutu, töökindel ja kulutõhus tehnoloogia kvaliteetsete toitude ja jookide valmistamiseks. Kõigi Hielscheri ultraheliprotsessorite paigaldamine ja käitamine on lihtne: need vajavad vaid vähe ruumi ning neid saab hõlpsasti paigaldada olemasolevatesse tootmisrajatistesse.
Hielscher Ultrasonicsil on pikaajaline kogemus võimsa ultraheli kasutamisel toidu- ja joogitööstuses ning paljudes teistes tööstusharudes. Meie ultraheliprotsessorid on varustatud kergesti puhastatavate (kohapeal puhastatav CIP / kohapeal steriliseeritav SIP) sonotroodide ja läbivoolukambritega (kokkupuutuvad osad). Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad tagada väga suuri amplituude. Kuni 200 µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis. Amplituudide täpne reguleerimine ning võimalus lülituda madalate ja kõrgete amplituudide vahel on olulised mikroorganismide stimuleerimiseks või inaktiveerimiseks. Seega saab sama sonikaatorit kasutada kas mikroobide stimuleerimiseks käärimise suurendamiseks või mikroorganismide inaktiveerimiseks pastöriseerimise eesmärgil.
Tipptasemel tehnoloogia, suur jõudlus ja arenenud tarkvara muudavad Hielscher Ultrasonicsi sonikaatorid teie toidu käärimisprotsessis töökindlateks tööhobusteks. Väikese paigaldusalaga ja mitmekülgsete paigaldusvõimaluste tõttu saab Hielscheri sonikaatoreid hõlpsasti integreerida olemasolevatesse tootmisliinidesse või neid sinna järelpaigaldada.

Protsessi standardimine Hielscher Ultrasonicsi abil

Toidukvaliteediga tooteid tuleks toota heade tootmistavade (GMP) kohaselt ja standardiseeritud töötlusspetsifikatsioonide alusel. Hielscher Ultrasonicsi digitaalsed ekstraheerimissüsteemid on varustatud intelligentse tarkvaraga, mis muudab ultraheli töötluse täpse seadistamise ja juhtimise lihtsaks. Automaatne andmete salvestamine kirjutab kõik ultraheliprotsessi parameetrid, nagu ultraheli energia (kogu- ja netoenergia), amplituud, temperatuur ja rõhk (kui temperatuuri- ja rõhuandurid on paigaldatud), kuupäeva ja kellaajatempliga sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil iga ultraheliga töödeldud partiid üle vaadata. Samal ajal on tagatud korratavus ja pidevalt kõrge tootekvaliteet.
Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad tagada väga suuri amplituude. Kuni 200 µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 töötamist raskes režiimis ja nõudlikes keskkondades.
Palun võtke meiega nüüd ühendust, et saada lähemalt teada meie ultraheli pastöriseerimissüsteemide omaduste ja võimaluste kohta. Arutame hea meelega teie rakendust teiega!

Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: