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 perturbant les cellules microbiennes, en activant les enzymes et en améliorant l'homogénéité, ce qui conduit finalement à des taux de fermentation accélérés et à la production d'un produit de qualité supérieure. La sonication provoque des changements bénéfiques dans les composés bioactifs au cours de la fermentation lactique, augmentant la teneur en composés nutritionnels et phytochimiques.

Kombucha et boissons fermentées

Le kombucha est produit par fermentation du thé sucré à l’aide d’un “Culture symbiotique de bactéries et de levures” (SCOBY), aussi communément appelé “Mère” ou “champignon de thé”. La variété et le rapport des populations microbiennes dans un SCOBY peuvent varier de manière significative. La 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 ; la composante bactérienne comprend presque toujours Komagataeibacter xylinus (anciennement Gluconacetobacter xylinus), qui fermente les alcools produits par les levures en acide acétique et 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 aux ultrasons peut améliorer l'efficacité de la fermentation et les caractéristiques qualitatives de la boisson fermentée, notamment sa teneur en nutriments et sa 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 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 ultrasons présente une perméabilisation accrue des membranes et donc un transfert de masse plus important. Le traitement sonomécanique par ultrasons perfore les parois cellulaires et les membranes plasmiques des micro-organismes (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 peuvent stimuler la croissance de bactéries dont la paroi est intacte ou dont la membrane est compromise.
Le traitement ultrasonique avant la fermentation ainsi que dans les phases de latence et de logarithme a eu les effets les plus importants sur la stimulation de la croissance bactérienne.

Les avantages de la sonication sur la fermentation du kombucha

Comment les ultrasons favorisent-ils le processus de fermentation et aident-ils à produire un meilleur kombucha, des ferments végétaux, du koji, etc. La sonication intensifie la fermentation de plusieurs façons, qui sont démontrées 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). Les purées de fruits diluées constituent une base riche en nutriments et en saveurs pour la production de kombucha. Ci-dessous, vous apprendrez comment les ultrasons favorisent la production d'un kombucha.

• Augmentation du transfert de masse : Les ondes ultrasoniques créent des bulles de cavitation microscopiques dans le liquide, ce qui entraîne la formation de micro-écoulements, 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 présents dans le milieu. Par conséquent, les nutriments sont absorbés plus efficacement par les micro-organismes de fermentation, ce qui accélère les taux de fermentation.
• Perturbation des cellules : Les sonicateurs sont réputés pour leur efficacité en matière de lyse et d'extraction cellulaires. Dans la fermentation alimentaire, les sonicateurs perturbent les parois cellulaires microbiennes, libérant des enzymes et des métabolites intracellulaires qui peuvent catalyser les réactions de fermentation. Cette perturbation favorise la libération de composés aromatiques, de vitamines et d'acides organiques des cellules microbiennes, ce qui contribue à la complexité de la saveur et à la richesse en nutriments du produit fermenté. Dans le kombucha d'argousier fermenté par ultrasons, on peut mesurer une fraction nettement plus élevée de composés phénoliques. (cf. Dornan et al., 2020)
• Préparation de substrats de fermentation riches en nutriments : L'extraction par ultrasons permet de 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 exemple les 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 renforcée : 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 hydrates de carbone complexes en sucres plus simples, qui sont ensuite fermentés par les micro-organismes présents dans la culture de kombucha.
• Amélioration de l'homogénéité : Comme les forces de sonication entraînent toujours un mélange, le traitement ultrasonique assure une meilleure homogénéisation du mélange de fermentation, ce qui se traduit par une distribution uniforme des nutriments et des micro-organismes dans l'ensemble du milieu. Cette uniformité favorise une cinétique de fermentation cohérente et la production d'un kombucha de haute qualité avec des attributs sensoriels souhaitables.

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

Étude de cas : Stimulation ultrasonique de la fermentation du jus de pomme

Les recherches ont montré que le traitement par ultrasons en phase de latence et en phase 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 dans les 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, ce qui était significativement plus élevé que dans les échantillons non traités par ultrasons. En outre, l'ultrasonisation en 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 peuvent 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 favoriser la dérivation phénolique 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) au cours de la fermentation du lait de soja. Il a été observé que le traitement ultrasonique a perméabilisé les membranes cellulaires des bactéries. Les membranes cellulaires perméabilisées ont permis une meilleure internalisation des nutriments et une augmentation 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 numérations viables supérieures à 9 log CFU/mL. Les activités intracellulaires et extracellulaires de la β-glucosidase spécifique des lactobacilles ont également été renforcées (P ≺ 0,05) par les ultrasons, ce qui a entraîné une bioconversion accrue des isoflavones dans le lait de soja, en particulier de la génistine et de la malonylgénistine 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 avec des ultrasons d'une amplitude de 60 % pendant 3 minutes (B). Cercles montrant les cellules rompues et les cellules avec 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 à base de thé, de jus et de légumes fermentés, par exemple le jus de pomme ou de mûre fermenté ou les kombuchas infusés aux fruits, bénéficient d'un traitement aux ultrasons qui leur confère une saveur et des éléments nutritifs importants. Les ondes ultrasoniques perturbent les structures cellulaires des matières végétales et libèrent des composés intracellulaires tels que des arômes, des polyphénols, des antioxydants et des flavonoïdes. En même temps, l'homogénéisation par ultrasons permet d'obtenir une boisson uniformément dispersée et émulsionnée, ce qui empêche la séparation des phases et offre 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 !

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 à basse fréquence sont utilisés dans la transformation des aliments comme alternative non thermique pour pasteuriser les aliments et les 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. Les ultrasons sont 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 plus élevées, les ultrasons inactivent les bactéries et les levures en endommageant les parois cellulaires. Cela se traduit par une croissance microbienne plus lente ou arrêtée. Par exemple, Kwaw et al. (2018) ont étudié la stratégie de pasteurisation par ultrasons en tant que stratégie de pasteurisation non thermique pour le jus de mûrier fermenté à l’acide lactique. Le jus de mûrier fermenté traité par ultrasons avait une teneur plus élevée en composés phénoliques (1700,07 ± 2,44 μg/mL) que le jus de mûrier fermenté témoin, non traité. “Parmi les traitements individuels non thermiques, les ultrasons ont provoqué une baisse significative (p < 0.05) upsurge in the phenolic and antioxidant properties of the lactic acid-fermented mulberry juice compared to the pulsed light treatment.” (Kwaw et al., 2018)
Alors que le kombucha est une boisson connue pour ses cultures vivantes, une réduction contrôlée des microbes peut être utilisée pour prolonger la durée de conservation des boissons kombucha distribuées dans le commerce.
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 sur la santé. La pasteurisation ultrasonique est une méthode de conservation non thermique qui peut être utilisée pour réduire le nombre de microbes ou les éliminer complètement. 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, bien qu'en plus petit nombre, de sorte que la durée de conservation et les temps de stockage sont améliorés.

Des 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 fabriqué avec des baies d'argousier à l'aide du sonicateur UIP500hdT. L'équipe de recherche a pu démontrer de multiples effets bénéfiques des ultrasons sur la préparation des baies d'argousier et la fermentation ultérieure du kombucha.

Extraction ultrasonique de 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 mixeur Vitamix pendant 2 minutes. Un volume de dH2O égal à 30 % du volume de la purée originale 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 du processeur ultrasonique UIP500hdT (voir image de gauche). La durée du traitement a été choisie 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 en tant que technologie efficace et écologique 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 d'éviter l'utilisation de solvants dangereux.

Étude de cas : Homogénéisation ultrasonique du kombucha aux baies d'argousier

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

Ultrasons 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 avec 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 était composé de P+US et de SCOBY. K+S : P, 15,0 g de saccharose et SCOBY. K+S+US : P+US, 15,0 g de saccharose et SCOBY. Tous les échantillons ont été laissés à fermenter à l'abri de la lumière et à température ambiante pendant cinq jours. Un deuxième traitement par 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 la conservation par ultrasons sur le kombucha

Dans le kombucha d'argousier, la sonication a réduit la charge microbienne initiale de 2,6 log CFU/mL, interrompant ainsi le processus de fermentation à un moment donné 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 aux ultrasons

L'ultrasonication a diminué 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 synerèse. Les résultats de cette étude suggèrent que l'application d'ultrasons peut améliorer la fonctionnalité phénolique pendant la fermentation et est capable de diminution de la synérèse, augmentation du rendement en huile, diminution de la charge microbienne et augmentation de l'ORAC avec une perte minimale de la qualité nutritionnelle. (cf. Dornan et al., 2020)

Équipement ultrasonique pour une meilleure brasserie Kombucha

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :