Fermentation du kombucha améliorée par ultrasons

La sonication favorise la fermentation dans les aliments fermentés par ultrasons tels que le kombucha, le kimchi et d’autres légumes fermentés en améliorant le transfert de masse, en désintégrant les cellules microbiennes, en activant les enzymes et en améliorant l’homogénéité, ce qui conduit finalement à des vitesses de fermentation accélérées et à la production d’un produit de qualité supérieure. La sonication déclenche des modifications bénéfiques des composés bioactifs pendant la fermentation lactique, augmentant la teneur en composés nutritionnels et en composés phytochimiques.

Kombucha et boissons fermentées

Le kombucha est produit par fermentation de thé sucré à l’aide d’une « culture symbiotique de bactéries et de levures » (SCOBY, « Symbiotic Culture Of Bacteria and Yeast »), aussi communément appelée « mère » ou « champignon de thé ». La variété et la proportion des populations microbiennes d’un SCOBY peuvent varier de façon assez importante. La composante levurienne comprend généralement Saccharomyces cerevisiae, ainsi que d’autres espèces de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces et Kluyveromyces ; la composante bactérienne comprend presque toujours Komagataeibacter xylinus (anciennement Gluconacetobacter xylinus), qui fermente les alcools produits par les levures en acide acétique et en d’autres acides, ce qui augmente l’acidité et limite la teneur en éthanol.
De même, d’autres boissons fermentées telles que les jus de fruits et de légumes fermentés sont ensemencées avec des bactéries et des levures.
Un traitement par ultrasons peut améliorer l’efficacité de la fermentation et les caractéristiques de qualité de la boisson fermentée, notamment la teneur en nutriments et la saveur.

Fermentation du kombucha intensifiée par ultrasons

Les ondes ultrasonores sont bien connues pour stimuler la croissance des bactéries et des levures. Une sonication douce et contrôlée des cultures de kombucha (SCOBY, également appelé champignon de thé, mycète du thé ou champignon de Mandchourie) peut donc favoriser le processus de fermentation et conduire à des rendements de kombucha plus élevés avec un temps de fermentation accéléré.
La fermentation stimulée par ultrasons présente une perméabilisation membranaire renforcée et, de ce fait, un transfert de masse accru. Le traitement sonomécanique par ondes ultrasonores perfore les parois cellulaires et les membranes plasmiques des micro-organismes (un processus appelé sonoporation). Certaines cellules peuvent même être rompues. Ces cellules désintégrées libèrent des facteurs de croissance tels que des vitamines, des nucléotides, des acides aminés et des enzymes qui pourraient stimuler la croissance des bactéries cellulairement intactes comme de celles dont la membrane est altérée.
Le traitement par ultrasons avant la fermentation ainsi que pendant les phases de latence et logarithmique a montré les effets les plus marqués sur la stimulation de la croissance bactérienne.

Les avantages de la sonication pour la fermentation du kombucha

Comment les ultrasons favorisent-ils le processus de fermentation et aident-ils à produire un meilleur kombucha, de meilleurs légumes fermentés, du koji, etc. ? La sonication intensifie la fermentation de plusieurs manières, présentées ci-dessous dans le contexte du kombucha fermenté. Le kombucha est une boisson fermentée traditionnellement préparée avec du thé sucré et une culture symbiotique de bactéries et de levures (SCOBY). Des purées de fruits diluées constituent une base riche en nutriments et savoureuse pour la production de kombucha. Ci-dessous, vous découvrirez comment l’ultrasonication favorise la production de boissons au kombucha :

• Transfert de masse accru : Les ondes ultrasonores créent des bulles de cavitation microscopiques dans le liquide, entraînant la formation de microcourants, de jets de liquide et de turbulences. Cette agitation améliore le transfert de masse en augmentant le contact entre les micro-organismes responsables de la fermentation et les nutriments du milieu. En conséquence, les nutriments sont absorbés plus efficacement par les micro-organismes fermentaires, ce qui conduit à des vitesses de fermentation accélérées.
• Désintégration cellulaire : Les sonicateurs sont bien connus pour leur efficacité en matière de lyse cellulaire et d’extraction. Dans la fermentation alimentaire, les sonicateurs désintègrent les parois cellulaires microbiennes, libérant des enzymes et des métabolites intracellulaires qui peuvent catalyser davantage les réactions de fermentation. Cette désintégration favorise la libération de composés aromatiques, de vitamines et d’acides organiques à partir des cellules microbiennes, contribuant à la complexité aromatique et à la richesse nutritionnelle du produit fermenté. Dans le kombucha à l’argousier fermenté par ultrasons, une fraction significativement plus élevée de composés phénoliques peut être mesurée. (cf. Dornan et al., 2020)
• Préparation de substrats de fermentation riches en nutriments : L’extraction par ultrasons aide à préparer un substrat de fermentation qui fournit de nombreux nutriments sous une forme disponible pour la digestion microbienne. Cela signifie que, dans les substrats de fermentation traités par ultrasons (par ex. purées de fruits et de légumes), les composés bioactifs tels que les amidons et les sucres sont libérés de la matrice intracellulaire des cellules végétales. Les microbes peuvent facilement se nourrir du substrat, ce qui accélère et raccourcit le processus de fermentation. Il en va de même pour les polyphénols, les flavonoïdes et les vitamines, qui sont libérés des matrices intracellulaires et contribuent à la valeur nutritionnelle globale des aliments ou boissons fermentés.
• Activité enzymatique accrue : La sonication active ou renforce l’activité de certaines enzymes impliquées dans les processus de fermentation. Par exemple, elle augmente l’activité de la cellulase et de l’amylase, des enzymes essentielles à la décomposition des glucides complexes en sucres plus simples, qui sont ensuite fermentés par les micro-organismes présents dans la culture de kombucha.
• Homogénéité améliorée : Comme les forces de sonication entraînent toujours un brassage et un mélange, le traitement par ultrasons assure une meilleure homogénéisation du mélange de fermentation, ce qui se traduit par une répartition uniforme des nutriments et des micro-organismes dans l’ensemble du milieu. Cette uniformité favorise une cinétique de fermentation constante et la production d’un kombucha de haute qualité aux attributs sensoriels recherchés.

La stimulation de la croissance microbienne par ultrasons est la plus efficace lorsque les ultrasons sont appliqués avant la fermentation ou pendant les phases de latence et logarithmique.

Étude de cas : stimulation par ultrasons de la fermentation du jus de pomme

Des recherches ont montré qu’un traitement par ultrasons pendant les phases de latence et logarithmique de la fermentation du jus de pomme favorisait la croissance microbienne et intensifiait la biotransformation de l’acide malique en acide lactique. Par exemple, après une sonication de 0,5 h en phase de latence, le dénombrement microbien et la teneur en acide lactique des échantillons traités par ultrasons à 58,3 W/L ont atteint 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL et 133,70 ± 7,39 mg/L, valeurs significativement plus élevées que dans les échantillons non soniqués. En outre, l’ultrasonication pendant les phases de latence et logarithmique a exercé des influences complexes sur le métabolisme des composés phénoliques de la pomme tels que l’acide chlorogénique, l’acide caféique, la procyanidine B2, la catéchine et l’acide gallique. Les ultrasons pourraient influencer positivement l’hydrolyse de l’acide chlorogénique en acide caféique, la transformation de la procyanidine B2 et la décarboxylation de l’acide gallique. Le métabolisme des acides organiques et des acides aminés libres dans les échantillons soniqués était statistiquement corrélé au métabolisme phénolique, ce qui laisse supposer que les ultrasons pourraient favoriser la formation de dérivés phénoliques en améliorant le métabolisme microbien des acides organiques et des acides aminés. (cf. Wang et al., 2021)

Étude de cas : fermentation du lait de soja améliorée par ultrasons

L’équipe de recherche d’Ewe et al. (2012) a étudié les effets des ultrasons sur l’efficacité métabolique de souches de lactobacilles (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) pendant la fermentation du lait de soja. Il a été observé que le traitement par ultrasons perméabilisait les membranes cellulaires des bactéries. Les membranes cellulaires perméabilisées ont entraîné une meilleure internalisation des nutriments et, par la suite, une croissance accrue (P ≺ 0,05). Des amplitudes plus élevées et des durées de sonication plus longues ont favorisé la croissance des lactobacilles dans le lait de soja, avec des dénombrements de cellules viables dépassant 9 log CFU/mL. Les activités spécifiques intracellulaires et extracellulaires de la β-glucosidase des lactobacilles ont également été renforcées (P ≺ 0,05) par l’ultrasonication, entraînant une bioconversion accrue des isoflavones dans le lait de soja, en particulier de la génistine et de la malonyl-génistine en génistéine. Les résultats de cette étude montrent que le traitement par ultrasons des cellules de lactobacilles favorise (P ≺ 0,05) l’activité β-glucosidase des cellules au profit d’une bioconversion accrue (P ≺ 0,05) des glucosides d’isoflavones en aglycones bioactifs dans le lait de soja. (cf. Ewe et al., 2012)

Micrographies électroniques à balayage de lactobacilles sans traitement (A) et de lactobacilles traités par ultrasons à 60% d’amplitude pendant 3 min (B). Les cercles indiquent des cellules rompues et des cellules présentant des pores.
(Étude et images : ©Ewe et al., 2012)

Extraction de composés nutritionnels et d’arômes dans le kombucha et les boissons fermentées

Les boissons fermentées à base de thé, de jus et de légumes, par ex. le jus de pomme ou de mûre fermenté ou les kombuchas infusés aux fruits, bénéficient significativement d’un traitement par ultrasons sur le plan aromatique et nutritionnel. Les ondes ultrasonores désintègrent les structures cellulaires des matières végétales et libèrent des composés intracellulaires tels que des arômes, des polyphénols, des antioxydants et des flavonoïdes. Parallèlement, l’homogénéisation par ultrasons fournit une boisson uniformément dispersée et émulsionnée, empêchant la séparation des phases et offrant un aspect attrayant pour les consommateurs. Vous pouvez voir ci-dessous un exemple de kombucha aux baies d’argousier traité par ultrasons sans séparation des phases, en comparaison avec une version non traitée.
En savoir plus sur l’extraction d’arômes et de nutriments par ultrasons !

Étude de cas : kombucha conservé par ultrasons

Le traitement par ultrasons peut influencer les microbes en les stimulant ou en les inactivant. Les enzymes sont également affectées par la sonication : les ultrasons peuvent modifier les caractéristiques des enzymes, des substrats et de leurs réactions. Ces effets des ultrasons basse fréquence sont utilisés dans la transformation alimentaire comme alternative non thermique pour pasteuriser les aliments et les boissons. La sonication offre l’avantage d’un contrôle précis des paramètres du procédé tels que l’amplitude, la durée, la température et la pression, ce qui permet une inactivation ciblée des micro-organismes. L’inactivation de la charge microbienne dans le kombucha et les boissons fermentées permet d’augmenter la durée de conservation et la stabilité du produit. Une réduction des microbes et des enzymes facilite la distribution commerciale grâce à une durée de conservation prolongée du produit final. L’ultrasonication est une méthode de pasteurisation non thermique déjà utilisée dans la transformation alimentaire commerciale, par exemple pour la pasteurisation des jus. En particulier à des amplitudes plus élevées, les ultrasons inactivent les bactéries et les levures en endommageant les parois cellulaires. Il en résulte une croissance microbienne ralentie ou stoppée. Par exemple, Kwaw et al. (2018) ont étudié les ultrasons comme stratégie de pasteurisation non thermique pour le jus de mûre à fermentation lactique. Le jus de mûre fermenté traité par ultrasons présentait une teneur en composés phénoliques plus élevée (1700,07 ± 2,44 μg/mL) que le témoin, un jus de mûre fermenté non traité. « Parmi les traitements non thermiques individuels, l’ultrasonication a entraîné une hausse significative (p < 0,05) des propriétés phénoliques et antioxydantes du jus de mûre à fermentation lactique par rapport au traitement par lumière pulsée. » (Kwaw et al., 2018)
Bien que le kombucha soit une boisson connue pour ses cultures vivantes, une réduction contrôlée des microbes peut être utilisée afin de prolonger la durée de conservation des boissons au kombucha distribuées commercialement.
La pasteurisation thermique classique tue toutes les levures et bactéries vivantes qui sont normalement présentes dans le kombucha et qui constituent l’un des principaux facteurs de ses effets bénéfiques pour la santé. La pasteurisation par ultrasons est une méthode de conservation non thermique qui peut être utilisée soit pour réduire le nombre de microbes, soit pour éliminer complètement les micro-organismes. Cela signifie que les producteurs commerciaux peuvent appliquer des ultrasons à des amplitudes plus faibles et pendant des durées plus courtes afin de réduire le nombre de bactéries et de levures sans les éliminer complètement. Ainsi, des cultures vivantes restent présentes dans le kombucha, bien qu’en nombre plus faible, de sorte que la durée de conservation et les durées de stockage sont améliorées.

Résultats scientifiquement prouvés dans le kombucha traité par ultrasons

Dornan et al. (2020) ont étudié les effets des ultrasons basse fréquence sur un kombucha préparé avec des baies d’argousier à l’aide du sonicateur UIP500hdT. L’équipe de recherche a pu démontrer de multiples effets bénéfiques de l’ultrasonication sur la préparation des baies d’argousier et sur la fermentation ultérieure du kombucha.

Extraction par ultrasons des baies d’argousier

En vue de la sonication, des baies d’argousier entières et fraîches (également appelées « sanddorne » ; H. rhamnoides cv. Sunny) ont été réduites en purée à l’aide d’un mixeur Vitamix pendant 2 min. Un volume de dH2O égal à 30% du volume initial de purée a été ajouté et mélangé. Les ultrasons (90 W, 20 kHz, 10 min) ont été appliqués à 200 mL de la purée diluée à l’aide du processeur à ultrasons UIP500hdT (voir photo à gauche). La durée de traitement a été choisie de manière à optimiser les nutriments et à maintenir l’échantillon dans un état proche du frais. Les résultats de l’extraction par ultrasons montrent une augmentation significative (P ≺ 0,05) du rendement d’extraction de 10% pour la pulpe (de 19,04 ± 0,08 à 20,97 ± 0,29%) et de 7% pour les graines (de 14,81 ± 0,08 à 15,83 ± 0,28%). Cette augmentation du rendement en huile souligne la fonctionnalité de la sonication en tant que technologie efficace et verte pour maximiser la valeur des matières premières. L’extraction par ultrasons à partir de baies d’argousier a permis un rendement en huile plus élevé, une réduction du temps de traitement et de la consommation d’énergie, ainsi que d’éviter les solvants dangereux.

Étude de cas : homogénéisation par ultrasons d’un kombucha aux baies d’argousier

Le kombucha aux baies d’argousier (sanddorne) traité par ultrasons a présenté une stabilité du produit nettement améliorée. Au 21e jour de stockage, le kombucha aux baies soniqué restait homogène. Le fait qu’aucune synérèse n’ait été observée dans le kombucha aux baies soniqué pendant toute la durée de l’étude (21 jours, voir photo ci-dessous) montre que les ultrasons seuls constituent une technique d’émulsification efficace, capable d’assurer la stabilité du produit et d’empêcher la séparation des phases.

Purée d’argousier (P) sans et avec traitement par ultrasons (P+US) aux jours 0 et 21.
Étude et photo : ©Dornan et al., 2020.

L’ultrasonication pour arrêter la fermentation

Quatre échantillons de kombucha ont été préparés : K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasons), K+S (kombucha + saccharose) et K+S+US (kombucha + saccharose + ultrasons). Tous les échantillons ont été préparés avec 200 mL de purée d’argousier (P) ou de P+US et 12,5 g de SCOBY. K se composait de P et de SCOBY. K+US se composait de P+US et de SCOBY. K+S se composait de P, de 15,0 g de saccharose et de SCOBY. K+S+US se composait de P+US, de 15,0 g de saccharose et de SCOBY. Tous les échantillons ont été laissés à fermenter dans un endroit sombre à température ambiante pendant cinq jours. Un second traitement de sonication (90 W, 20 kHz, 10 min) a été appliqué à K+US et K+S+US pour arrêter la fermentation au jour 5.

Effets de conservation des ultrasons sur le kombucha

Dans le kombucha à l’argousier, la sonication a réduit la charge microbienne initiale de 2,6 log CFU/mL, stoppant ainsi le processus de fermentation à un moment choisi afin d’éviter une surfermentation. En outre, la réduction microbienne contrôlée contribue à augmenter la durée de conservation et la stabilité du produit final, ce qui facilite la distribution commerciale du kombucha.
En savoir plus sur l’ultrasonication comme méthode de pasteurisation non thermique des jus !

Résultats globaux dans le kombucha traité par ultrasons

L’ultrasonication a réduit la charge microbienne initiale de 2,6 log CFU/mL, augmenté la valeur ORAC de 3% et augmenté l’indice de solubilité dans l’eau (WSI) de 40% (de 6,64 à 9,29 g/g) sans synérèse. Les résultats de cette étude suggèrent que l’application de l’ultrasonication peut renforcer la fonctionnalité phénolique pendant la fermentation et qu’elle est capable de réduire la synérèse, augmenter le rendement en huile, réduire la charge microbienne et augmenter l’ORAC avec une perte minimale de qualité nutritionnelle. (cf. Dornan et al., 2020)

Équipements à ultrasons pour un brassage amélioré du kombucha

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des ultrasonicateurs haute performance, des bioréacteurs à ultrasons et des accessoires pour améliorer les procédés de fermentation, d’extraction et de pasteurisation utilisés dans la fabrication d’aliments et de boissons. Les systèmes de transformation alimentaire à ultrasons de Hielscher sont utilisés pour de multiples applications, car il s’agit d’une technologie sûre, fiable et rentable pour produire des aliments et des boissons de haute qualité. L’installation et l’utilisation de tous les processeurs à ultrasons Hielscher sont simples : ils ne nécessitent que peu d’espace et peuvent être facilement intégrés a posteriori dans des installations de production existantes.
Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience de l’application des ultrasons de puissance dans l’industrie agroalimentaire ainsi que dans de nombreux autres secteurs industriels. Nos processeurs à ultrasons sont équipés de sonotrodes et de cellules à circulation (les pièces en contact avec le produit) faciles à nettoyer (nettoyage en place CIP / stérilisation en place SIP). Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Le réglage précis des amplitudes et la possibilité de passer de faibles à fortes amplitudes sont importants pour stimuler ou inactiver les micro-organismes. Ainsi, le même ultrasonicateur peut être utilisé soit pour stimuler les microbes afin d’intensifier la fermentation, soit pour inactiver les micro-organismes en vue de la pasteurisation.
Une technologie de pointe, des performances élevées et un logiciel sophistiqué font des appareils de Hielscher Ultrasonics des bêtes de somme fiables dans votre procédé de fermentation alimentaire. Grâce à leur faible encombrement et à leurs options d’installation polyvalentes, les ultrasonicateurs Hielscher peuvent être facilement intégrés ou ajoutés a posteriori dans des lignes de production existantes.

Standardisation des procédés avec Hielscher Ultrasonics

Les produits de qualité alimentaire doivent être fabriqués conformément aux bonnes pratiques de fabrication (GMP) et selon des spécifications de traitement standardisées. Les systèmes d’extraction numériques de Hielscher Ultrasonics sont dotés d’un logiciel intelligent qui permet de régler et de contrôler précisément le processus de sonication. L’enregistrement automatique des données inscrit tous les paramètres du procédé ultrasonique tels que l’énergie ultrasonore (énergie totale et nette), l’amplitude, la température et la pression (lorsque des capteurs de température et de pression sont montés), avec horodatage (date et heure), sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de vérifier chaque lot traité par ultrasons. En même temps, la reproductibilité et une qualité de produit constamment élevée sont garanties.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :