Le kombucha est une boisson fermentée contenant du thé, du sucre, des bactéries, des levures et souvent une petite quantité de jus, de fruits ou d'épices comme arôme. Le kombucha ainsi que les jus fermentés et les jus de légumes sont connus pour avoir des effets positifs sur la santé, en renforçant le microbiote et le système immunitaire. Les ultrasons contrôlés améliorent la production de kombucha et d'autres boissons fermentées de diverses manières : Les ultrasons peuvent stimuler la croissance des levures et des bactéries pendant la fermentation ; extraire les polyphénols, les flavonoïdes et les arômes des fruits, des légumes et des herbes ; et également être appliqués comme méthode de pasteurisation non thermique pour la réduction microbienne avant le conditionnement. Les ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et peuvent délivrer l'intensité ultrasonique la plus appropriée pour chaque étape de traitement dans la production de boissons fermentées.

Kombucha et boissons fermentées

Le Kombucha est produit en faisant fermenter du thé sucré à l'aide d'une "culture symbiotique de bactéries et de levures" (SCOBY), également appelée "mère".” ou "champignon de thé”. La variété et le rapport des populations microbiennes dans un SCOBY peuvent varier de manière assez significative. Le composant levure comprend généralement Saccharomyces cerevisiae, ainsi que d'autres espèces de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces, et Kluyveromyces ; le composant bactérien comprend presque toujours Komagataeibacter xylinus (anciennement Gluconacetobacter xylinus), qui fermente les alcools produits par les levures en acides acétiques et autres, ce qui augmente l'acidité et limite la teneur en éthanol.
De même, d'autres boissons fermentées, comme les jus de fruits et de légumes fermentés, sont inoculées 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 le goût.

Fermentation intensifiée du Kombucha 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 connu sous le nom de champignon de thé, champignon de thé ou champignon de Mandchourie) peut donc favoriser le processus de fermentation et conduire à des rendements plus élevés de kombucha dans un temps de fermentation accéléré.
La fermentation stimulée par les ultrasons présente une perméabilisation accrue des membranes et donc un transfert de masse plus important. 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 perturbées libèrent des facteurs de croissance tels que des vitamines, des nucléotides, des acides aminés et des enzymes qui pourraient stimuler la croissance des bactéries intactes sur le plan cellulaire ou dont la membrane est compromise.
Le traitement par ultrasons avant la fermentation ainsi que dans les phases de latence et de log a montré les effets les plus importants sur la stimulation de la croissance bactérienne.

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

Stimulation par ultrasons de la fermentation du jus de pomme

Les recherches ont montré que le traitement par ultrasons aux phases de latence et logarithmique pendant 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 en phase de latence pendant 0,5 h, la numération microbienne 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, soit des valeurs nettement supérieures à celles des échantillons non soniqués. De plus, l'ultrasonication aux phases lag et logarithmique a eu 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 pouvaient affecter 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 implique que les ultrasons peuvent être bénéfiques à la dérivation phénolique en améliorant le métabolisme microbien des acides organiques et des acides aminés. (cf. Wang et al., 2021)

Fermentation du lait de soja améliorée par ultrasons

L'équipe de recherche de 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 a perméabilisé les membranes cellulaires des bactéries. Les membranes cellulaires perméabilisées ont entraîné une meilleure internalisation des nutriments et une amélioration ultérieure de la croissance (P ≺ 0,05). Des amplitudes plus élevées et des durées plus longues du traitement par sonication ont favorisé la croissance des lactobacilles dans le lait de soja, avec des comptes viables dépassant 9 log UFC/mL. Les activités spécifiques β-glucosidase intracellulaires et extracellulaires des lactobacilles ont également été améliorées (P ≺ 0,05) par la sonication, ce qui a conduit à une augmentation de la bioconversion 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 sur les 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 une amplitude de 60 % pendant 3 minutes (B). Les cercles montrent les cellules rompues et les cellules avec des pores.
(Étude et images : ©Ewe et al., 2012)

Extraction des composés nutritionnels et des arômes dans le kombucha et les boissons fermentées

Les boissons fermentées à base de thé, de jus et de légumes, par exemple le jus de pomme ou de mûre fermenté ou les kombuchas infusés aux fruits, bénéficient d'un traitement par ultrasons qui leur confère une saveur et une valeur nutritive significatives. Les ondes ultrasonores perturbent les structures cellulaires des matières végétales et libèrent des composés intracellulaires tels que des arômes, des polyphénols, des antioxydants et des flavonoïdes. Dans le même temps, l'homogénéisation par ultrasons permet d'obtenir une boisson émulsionnée et dispersée de manière uniforme, évitant ainsi 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 de phase, en comparaison avec une version non traitée.
En savoir plus sur l'extraction des arômes et des nutriments par ultrasons !

Les ultrasons pour la conservation du Kombucha

Le traitement par ultrasons peut influencer les microbes en les stimulant ou en les inactivant. Les enzymes sont également touchées par la sonication : Les ultrasons peuvent modifier les caractéristiques des enzymes, des substrats et de leurs réactions. Ces effets des ultrasons à basse fréquence sont utilisés dans l'industrie alimentaire comme une alternative non thermique à la pasteurisation des aliments et des boissons. La sonication offre l'avantage d'un contrôle précis des paramètres du processus tels que l'amplitude, le temps, 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 en raison d'une durée de conservation prolongée du produit final. L'ultrasonication est une méthode de pasteurisation non thermique, qui est déjà utilisée dans la transformation commerciale des aliments, comme la pasteurisation des jus. Surtout à des amplitudes élevées, les ultrasons inactivent les bactéries et les levures en endommageant les parois cellulaires. Il en résulte un ralentissement ou un arrêt de la croissance microbienne. Par exemple, Kwaw et al. (2018) ont étudié les ultrasons comme stratégie de pasteurisation non thermique pour le jus de mûre fermenté à l'acide lactique. Le jus de mûre fermenté traité par ultrasons avait une teneur plus élevée en composés phénoliques (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 provoqué une augmentation significative (p < 0.05) hausse des propriétés phénoliques et antioxydantes du jus de mûre fermenté à l'acide lactique par rapport au traitement à la lumière pulsée. " (Kwaw et al., 2018) Alors que le kombucha est une boisson connue pour ses cultures vivantes, une réduction contrôlée des microbes peut être utilisée afin de prolonger la durée de conservation des boissons de kombucha distribuées commercialement. La pasteurisation thermique régulière tue toutes les levures et bactéries vivantes qui sont normalement présentes dans le kombucha et qui sont 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 pour réduire la numération microbienne ou éliminer complètement les micro-organismes. Cela signifie que les producteurs commerciaux peuvent appliquer des ultrasons à des amplitudes plus faibles et pendant des périodes plus courtes afin de réduire le nombre de bactéries et de levures sans les éliminer complètement. Ainsi, les cultures vivantes sont toujours présentes dans le kombucha, mais en plus petit nombre, ce qui améliore la durée de conservation et le temps de stockage.

Résultats scientifiquement prouvés pour le Kombucha traité par ultrasons

Dornan et al. (2020) ont étudié les effets des ultrasons à basse fréquence sur le kombucha fait avec des baies d'argousier en utilisant le processeur ultrasonique UIP500hdT. L'équipe de recherche a pu démontrer les multiples effets bénéfiques de l'ultrasonication sur la préparation des baies d'argousier et la fermentation ultérieure du kombucha.

Extraction ultrasonique des baies d'argousier

Des baies d'argousier fraîches et entières (également connues sous le nom de sanddorne ; H. rhamnoides cv. Sunny) ont été réduites en purée à l'aide d'un mélangeur Vitamix pendant 2 min. Un volume de dH2O égal à 30% du volume initial de la purée a été ajouté et mélangé. Des ultrasons (90 W, 20 kHz, 10 min) ont été appliqués à 200 mL de la purée diluée à l'aide d'un mélangeur Vitamix. Processeur ultrasonique UIP500hdT (Hielscher Ultrasonics, Allemagne). Le temps de traitement a été choisi pour optimiser les nutriments et maintenir l'échantillon dans un état de fraîcheur. Les résultats de l'extraction par ultrasons montrent une augmentation significative (P ≺ 0,05) de 10% du rendement d'extraction de 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 met en évidence la fonctionnalité de la sonication comme une technologie efficace et verte pour maximiser la valeur de la matière première. L'extraction par ultrasons des baies d'argousier a permis d'augmenter le rendement en huile et de réduire le temps de traitement, la consommation d'énergie et l'utilisation de solvants dangereux.

Homogénéisation par ultrasons du kombucha aux baies d'argousier

Le kombucha aux baies d'argousier (sanddorne) traité par ultrasons a montré une stabilité nettement améliorée du produit. Au 21e jour de stockage, le kombucha aux baies traitées par ultrasons est resté homogène. Le fait qu'aucune synérèse n'ait été observée dans le kombucha aux baies traité par ultrasons pendant toute la durée de l'étude (21 jours, voir l'image ci-dessous) montre que les ultrasons seuls sont 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) au jour 0 et 21.
Étude et image : ©Dornan et al., 2020.

Ultrasonication pour arrêter la fermentation

Quatre échantillons de kombucha ont été fabriqués : K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasons), K+S (kombucha + saccharose), et K+S+US (kombucha + saccharose + ultrasons). Tous les échantillons ont été préparés en utilisant 200 ml de purée d'argousier (P) ou P+US et 12,5 g de SCOBY. K était composé de P et de SCOBY. K+US est composé de P+US et de SCOBY. K+S est composé de P, de 15,0 g de saccharose et de SCOBY. K+S+US est composé de P+US, 15,0 g de saccharose et du SCOBY. Tous les échantillons ont été laissés à fermenter dans un endroit sombre à température ambiante pendant cinq jours. Un second traitement par sonication (90 W, 20 kHz, 10 min) a été appliqué à K+US et K+S+US pour arrêter la fermentation au cinquième jour.

Effets de la conservation par ultrasons sur le Kombucha

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

Résultats globaux du Kombucha traité par ultrasons

L'ultrasonication a permis de réduire la charge microbienne initiale de 2,6 log CFU/mL, d'augmenter la valeur ORAC de 3 % et d'augmenter 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 d'ultrasons peut améliorer la fonctionnalité phénolique pendant la fermentation et qu'elle est capable d'améliorer la qualité du produit. la diminution de la synérèse, l'augmentation du rendement en huile, la diminution de la charge microbienne et l'augmentation de l'ORAC avec une perte minimale de qualité nutritionnelle.. (cf. Dornan et al., 2020)

Un équipement à ultrasons pour améliorer le brassage du Kombucha

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des ultrasons de haute performance, des bioréacteurs à ultrasons et des accessoires pour améliorer les processus de fermentation, d'extraction et de pasteurisation utilisés dans l'industrie alimentaire. & la fabrication de boissons. Les systèmes de traitement des aliments par ultrasons Hielscher sont utilisés dans de nombreuses applications. Ils constituent une technologie sûre, fiable et rentable pour produire des aliments et des boissons de haute qualité. L'installation et le fonctionnement de tous les processeurs à ultrasons Hielscher sont simples : Ils n'ont besoin que de peu d'espace et peuvent être facilement adaptés à des installations de traitement existantes.
Hielscher Ultrasonics a une longue expérience dans l'application des ultrasons de puissance dans l'alimentation & l'industrie des boissons ainsi que de nombreuses autres branches industrielles. Nos processeurs à ultrasons sont équipés de sonotrodes et de cellules à flux (les parties humides) faciles à nettoyer (NEP propre en place / SEP stérilisé en place). Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement fonctionner en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Le réglage précis des amplitudes et la possibilité de passer des amplitudes faibles aux amplitudes élevées sont importants pour stimuler ou inactiver les micro-organismes. Ainsi, le même ultrasoniseur peut être utilisé soit pour stimuler les microbes augmentant la fermentation, soit pour inactiver les microorganismes pour la pasteurisation.
Une technologie de pointe, des performances élevées et des logiciels sophistiqués font de Hielscher Ultrasons’ des chevaux de trait fiables dans votre processus de fermentation alimentaire. Avec un faible encombrement et des options d'installation polyvalentes, les ultrasons Hielscher peuvent être facilement intégrés ou adaptés aux lignes de production existantes.

Normalisation des processus avec les ultrasons Hielscher

Les produits de qualité alimentaire doivent être fabriqués conformément aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) et à des spécifications de traitement normalisées. Les systèmes d'extraction numérique de Hielscher Ultrasons sont équipés d'un logiciel intelligent, qui permet de régler et de contrôler facilement et précisément le processus de sonication. L'enregistrement automatique des données inscrit tous les paramètres du processus ultrasonore tels que l'énergie ultrasonore (énergie totale et nette), l'amplitude, la température, la pression (lorsque les capteurs de température et de pression sont montés) avec la date et l'heure sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser chaque lot traité par ultrasons. En même temps, la reproductibilité et une qualité de produit élevée et constante sont assurées.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement utilisées en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles et exigeants.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: