Ultrazvučno poboljšana Kombucha fermentacija

Sonikacija potiče fermentaciju u ultrazvučno fermentiranoj hrani kao što je kombucha, kimchi i drugo fermentirano povrće poboljšavajući prijenos mase, ometajući mikrobne stanice, aktivirajući enzime i poboljšavajući homogenost, što u konačnici dovodi do ubrzanih stopa fermentacije i proizvodnje proizvoda vrhunske kvalitete. Sonikacija pokreće korisne promjene u bioaktivnim spojevima tijekom mliječne fermentacije povećavajući sadržaj hranjivih spojeva i fitokemikalija.

Kombucha i fermentirani napici

Kombucha se proizvodi fermentacijom zašećerenog čaja pomoću "Simbiotske kulture bakterija i kvasca" (SCOBY), koja se također obično naziva "majka” ili “čajna gljiva”. Raznolikost i omjer mikrobnih populacija u SCOBY može značajno varirati. Komponenta kvasca općenito uključuje Saccharomyces cerevisiae, zajedno s drugim vrstama Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces i Kluyveromyces; bakterijska komponenta gotovo uvijek uključuje Komagataeibacter xylinus (prije Gluconacetobacter xylinus), koji fermentira alkohole koje proizvode kvasci u octenu i druge kiseline, povećavajući kiselost i ograničavajući sadržaj etanola.
Slično tome, druga fermentirana pića kao što su fermentirani sokovi od voća i povrća inokulirana su bakterijama i kvascima.
Tretman ultrazvukom može poboljšati učinkovitost fermentacije i značajke kvalitete fermentiranog pića, uključujući sadržaj hranjivih tvari i okus.

Ultrazvučno pojačana Kombucha fermentacija

Dobro je poznato da ultrazvučni valovi potiču rast bakterija i gljivica. Kontrolirana blaga sonikacija kombucha kultura (SCOBY, također poznata kao čajna gljiva, čajna gljiva ili mandžurska gljiva) stoga može potaknuti proces fermentacije i dovesti do većih prinosa kombuche u ubrzanom vremenu fermentacije.
Ultrazvučno stimulirana fermentacija pokazuje poboljšanu propusnost membrane i time povećan prijenos mase. Sonomehanički tretman ultrazvučnim valovima perforira stanične stijenke i plazma membrane mikroorganizama (proces koji se naziva sonoporacija). Neke stanice mogu čak biti puknute. Ove poremećene stanice oslobađaju faktore koji potiču rast kao što su vitamini, nukleotidi, aminokiseline i enzimi koji bi mogli stimulirati rast stanično intaktnih kao i membranski kompromitiranih bakterija.
Tretman ultrazvukom prije fermentacije, kao iu lag i log fazama pokazao je najistaknutije učinke na stimulaciju rasta bakterija.

Prednosti sonikacije na fermentaciju kombuche

Kako ultrazvuk potiče proces fermentacije i pomaže u proizvodnji bolje kombuche, biljnih fermenata, kojija itd.? Sonikacija intenzivira fermentaciju na nekoliko načina, koji su u nastavku prikazani u kontekstu fermentirane kombuche. Kombucha je fermentirani napitak koji se tradicionalno priprema od zaslađenog čaja i simbiotske kulture bakterija i kvasca (SCOBY). Razrijeđeni voćni pirei pružaju nutritivno bogatu, aromatičnu bazu za proizvodnju kombuche. U nastavku ćete saznati kako ultrazvuk potiče proizvodnju a

• Povećani prijenos mase: Ultrazvučni valovi stvaraju mikroskopske kavitacijske mjehuriće u tekućini, što dovodi do stvaranja mikrostrujanja, mlaznica tekućine i turbulencija. Ovo miješanje pojačava prijenos mase povećanjem kontakta između mikroorganizama odgovornih za fermentaciju i hranjivih tvari u mediju. Kao rezultat toga, mikroorganizmi koji fermentiraju učinkovitije apsorbiraju hranjive tvari, što dovodi do ubrzane brzine fermentacije.
• Poremećaj stanica: Sonikatori su dobro poznati po svojoj učinkovitosti lize i ekstrakcije stanica. U fermentaciji hrane, sonikatori ometaju stanične stijenke mikroba, oslobađajući unutarstanične enzime i metabolite koji mogu dalje katalizirati reakcije fermentacije. Ovaj poremećaj pojačava otpuštanje spojeva okusa, vitamina i organskih kiselina iz mikrobnih stanica, pridonoseći složenosti okusa i bogatstvu hranjivih tvari fermentiranog proizvoda. U ultrazvučno fermentiranoj kombuchi od krkavine može se izmjeriti znatno veći udio fenolnih spojeva. (usp. Dornan i sur., 2020.)
• Priprema supstrata za fermentaciju bogatih hranjivim tvarima: Ultrazvučna ekstrakcija pomaže u pripremi supstrata za fermentaciju koji pruža mnoge hranjive tvari u dostupnom obliku za probavu mikroba. To znači da se u ultrazvučno tretiranim fermentacijskim supstratima (npr. pireima od voća i povrća) bioaktivni spojevi kao što su škrobovi i šećeri oslobađaju iz unutarstaničnog matriksa biljnih stanica. Mikrobi se lako mogu hraniti supstratom, što ubrzava i skraćuje proces fermentacije. Isto vrijedi i za polifenole, flavonoide i vitamine koji se oslobađaju iz unutarstaničnih matrica i pridonose ukupnoj nutritivnoj vrijednosti fermentirane hrane ili pića.
• Poboljšana aktivnost enzima: Sonikacija aktivira ili pojačava aktivnost određenih enzima uključenih u procese fermentacije. Na primjer, povećava aktivnost celulaze i amilaze, enzima ključnih za razgradnju složenih ugljikohidrata u jednostavnije šećere, koje zatim fermentiraju mikroorganizmi prisutni u kulturi kombuche.
• Poboljšana homogenost: Budući da sile sonikacije uvijek rezultiraju miješanjem i miješanjem, ultrazvučna obrada osigurava bolju homogenizaciju fermentacijske smjese, što rezultira ravnomjernom raspodjelom hranjivih tvari i mikroorganizama kroz medij. Ova ujednačenost promiče dosljednu kinetiku fermentacije i proizvodnju visokokvalitetnog kombucha proizvoda sa poželjnim senzorskim svojstvima.

Ultrazvučna stimulacija mikrobnog rasta najučinkovitija je kada se ultrazvuk primjenjuje prije fermentacije ili u fazama kašnjenja i logaritma.

Studija slučaja: Ultrazvučna stimulacija fermentacije soka od jabuke

Istraživanje je pokazalo da je ultrazvučni tretman u lag i logaritamskim fazama tijekom fermentacije soka od jabuke pospješio rast mikroba i intenzivirao biotransformaciju jabučne kiseline u mliječnu kiselinu. Na primjer, nakon sonikacije u lag fazi od 0,5 h, broj mikroba i sadržaj mliječne kiseline u uzorcima tretiranim ultrazvukom pri 58,3 W/L dosegli su 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL i 133,70 ± 7,39 mg/L, što je značajno više od da u nesonificiranim uzorcima. Štoviše, ultrazvučna obrada u kasnim i logaritamskim fazama imala je složene utjecaje na metabolizam jabučnih fenola kao što su klorogenska kiselina, kafeinska kiselina, procijanidin B2, katehin i galna kiselina. Ultrazvuk bi mogao pozitivno utjecati na hidrolizu klorogenske kiseline u kavenu kiselinu, transformaciju procijanidina B2 i dekarboksilaciju galne kiseline. Metabolizam organskih kiselina i slobodnih aminokiselina u ultrazvučno obrađenim uzorcima bio je statistički povezan s fenolnim metabolizmom, što implicira da ultrazvuk može koristiti fenolnoj derivaciji poboljšanjem mikrobnog metabolizma organskih kiselina i aminokiselina. (usp. Wang i sur., 2021.)

Studija slučaja: Ultrazvučno poboljšana fermentacija sojinog mlijeka

Istraživački tim Ewe et al. (2012.) istraživali su učinke ultrazvuka na metaboličku učinkovitost sojeva laktobacila (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) tijekom fermentacije sojinog mlijeka. Uočeno je da ultrazvučni tretman permeabilizira stanične membrane bakterija. Permeabilizirane stanične membrane dovele su do poboljšane internalizacije hranjivih tvari i kasnijeg poboljšanja rasta (P ≺ 0,05). Veće amplitude i dulje trajanje tretmana ultrazvukom pospješuju rast laktobacila u sojinom mlijeku, s brojem održivih koji prelazi 9 log CFU/mL. Unutarstanične i izvanstanične specifične aktivnosti β-glukozidaze laktobacila također su pojačane (P ≺ 0,05) ultrazvučnom obradom, što je dovelo do povećane biokonverzije izoflavona u sojinom mlijeku, posebno genistina i malonil genistina u genistein. Rezultati ove studije pokazuju da ultrazvučni tretman stanica laktobacila potiče (P ≺ 0,05) aktivnost β-glukozidaze stanica u korist poboljšane (P ≺ 0,05) biokonverzije izoflavonskih glukozida u bioaktivne aglikone u sojinom mlijeku. (usp. Ewe i sur., 2012.)

Skenirane elektronske mikrografije laktobacila bez tretmana (A) i laktobacila tretiranih ultrazvukom pri 60% amplitude tijekom 3 minute (B). Krugovi koji prikazuju puknute stanice i stanice s porama.
(Studija i slike: ©Ewe et al., 2012.)

Ekstrakcija nutritivnih spojeva i aroma u kombuchi i fermentiranim napitcima

Fermentirani čaj, sok i napitci od povrća, npr. fermentirani sok od jabuke ili duda ili kombucha s dodatkom voća, značajno poboljšavaju okus i hranjive tvari od tretmana ultrazvukom. Ultrazvučni valovi ometaju stanične strukture biljnih materijala i oslobađaju unutarstanične spojeve poput aroma, polifenola, antioksidansa i flavonoida. U isto vrijeme, ultrazvučna homogenizacija osigurava jednolično dispergiran i emulgiran napitak sprječavajući odvajanje faza i nudeći privlačan izgled za potrošače. U nastavku možete vidjeti primjer ultrazvučno obrađene kombuche od bobica pasjeg trna bez odvajanja faza u usporedbi s neobrađenom verzijom.
Pročitajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji okusa i hranjivih tvari!

Studija slučaja: ultrazvučno konzervirana Kombucha

Tretman ultrazvukom može utjecati na mikrobe tako da ih stimulira ili inaktivira. Sonikacija također utječe na enzime: ultrazvuk može promijeniti karakteristike enzima, supstrata i njihovih reakcija. Ovi učinci ultrazvuka niske frekvencije koriste se u obradi hrane kao netermalna alternativa za pasterizaciju hrane i pića. Sonikacija nudi prednost precizne kontrole nad parametrima procesa kao što su amplituda, vrijeme, temperatura i tlak, što omogućuje ciljanu inaktivaciju mikroorganizama. Inaktivacija mikrobnog opterećenja u kombuchi i fermentiranim napicima omogućuje produljenje roka trajanja i stabilnost proizvoda. Smanjenje mikroba i enzima olakšava komercijalnu distribuciju zbog produljenog roka trajanja konačnog proizvoda. Ultrasonication je metoda netermalne pasterizacije koja se već koristi u komercijalnoj preradi hrane kao što je pasterizacija sokova. Osobito pri većim amplitudama, ultrazvuk deaktivira bakterije i kvasce oštećujući stanične stijenke. To rezultira sporijim ili zaustavljenim rastom mikroba. Na primjer, Kwaw et al. (2018) istraživali su ultrazvučnu i netermalnu strategiju pasterizacije za sok od duda fermentiran mliječnom kiselinom. Ultrazvučno tretirani fermentirani sok od duda imao je veći sadržaj fenolnih spojeva (1700,07 ± 2,44 μg/mL) od kontrole, netretiranog fermentiranog soka od duda. “Među pojedinačnim netermalnim tretmanima, ultrazvuk je uzrokovao značajan (str < 0.05) povećanje fenolnih i antioksidativnih svojstava soka duda fermentiranog mliječnom kiselinom u usporedbi s tretmanom pulsirajućim svjetlom.” (Kwaw i sur., 2018.) Dok je kombucha napitak poznat po svojim životnim kulturama, kontrolirano smanjenje mikroba može se koristiti kako bi se produžio rok trajanja komercijalno distribuiranih kombucha napitaka.
Redovita toplinska pasterizacija ubija sve žive kvasce i bakterije koje su inače prisutne u kombuchi i jedan su od glavnih čimbenika njezinih zdravstvenih učinaka. Ultrazvučna pasterizacija je metoda netermalnog konzerviranja, koja se može koristiti za smanjenje broja mikroba ili potpuno uklanjanje mikroorganizama. To znači da komercijalni proizvođači mogu primijeniti ultrazvuk na manjim amplitudama i kraće vrijeme kako bi smanjili broj bakterija i gljivica bez potpunog uklanjanja. Stoga su životne kulture i dalje prisutne u kombuchi, iako u nižim količinama, tako da su rok trajanja i vrijeme skladištenja poboljšani.

Znanstveno dokazani rezultati u kombuchi tretiranoj ultrazvukom

Dornan i sur. (2020.) istraživali su učinke ultrazvuka niske frekvencije na kombuchu napravljenu od bobica krkavine pomoću sonikatora UIP500hdT. Istraživački tim mogao bi pokazati višestruke korisne učinke ultrazvučne obrade na pripremu bobica krkavine i kasniju fermentaciju kombuche.

Ultrazvučna ekstrakcija bobica krkavine

Sonikacija svježih cijelih bobica krkavine (također poznate kao sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) je pasirana pomoću Vitamix blendera 2 minute. Dodan je i izmiješan volumen dH2O jednak 30% izvornog volumena pirea. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjen je na 200 mL razrijeđenog pirea pomoću ultrazvučnog procesora UIP500hdT (vidi sliku lijevo). Vrijeme tretmana odabrano je radi optimizacije hranjivih tvari i održavanja uzorka u svježem stanju. Rezultati ultrazvučne ekstrakcije pokazuju značajno (P ≺ 0,05) povećanje prinosa ekstrakcije iz pulpe za 10 % (od 19,04 ± 0,08 do 20,97 ± 0,29 %) i za 7 % kod sjemena (od 14,81 ± 0,08 do 15,83 ± 0,28 %). Ovo povećanje prinosa ulja naglašava funkcionalnost sonikacije kao učinkovite i zelene tehnologije za maksimiziranje vrijednosti sirovina. Ultrazvučna ekstrakcija iz bobica pasjeg trna rezultirala je većim prinosom ulja i smanjenim vremenom obrade, potrošnjom energije i izbjegavanjem opasnih otapala.

Studija slučaja: Ultrazvučna homogenizacija bobica pasjeg trna Kombucha

Ultrazvučno tretirana kombucha od bobica krkavine (sanddorne) pokazala je značajno poboljšanu stabilnost proizvoda. Do 21. dana skladištenja, sonicirana kombucha od bobica ostala je homogena. Činjenica da nije uočena nikakva sinereza u soniciranoj bobičastoj kombuchi tijekom cijele studije (21 dan, vidi sliku u nastavku) pokazuje da je sam ultrazvuk učinkovita tehnika emulgiranja koja može proizvesti stabilnost proizvoda i spriječiti odvajanje faza.

Pire od pasjeg trna (P) bez i sa ultrazvukom (P+US) 0. i 21. dan.
Studija i slika:©Dornan et al., 2020.

Ultrazvučna obrada za zaustavljanje fermentacije

Napravljena su četiri uzorka kombuche: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + saharoza) i K+S+US (kombucha + saharoza + ultrazvuk). Svi uzorci pripremljeni su s 200 mL pirea od pasjeg trna (P) ili P+US i 12,5 g SCOBY-a. K se sastojao od P i SCOBY. K+US se sastojao od P+US i SCOBY. K+S se sastojao od P, 15,0 g saharoze i SCOBY. K+S+US sastojao se od P+US, 15,0 g saharoze i SCOBY. Svi uzorci ostavljeni su fermentirati na tamnom mjestu na sobnoj temperaturi pet dana. Drugi tretman ultrazvukom (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjen je na K+US i K+S+US kako bi se zaustavila fermentacija petog dana.

Učinci ultrazvučnog konzerviranja na Kombuchu

U kombuchi od pasje trne, sonikacija je smanjila početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, čime je zaustavio proces fermentacije u odabranom vremenu kako bi se spriječila prekomjerna fermentacija. Nadalje, kontrolirana mikrobna redukcija pomaže produžiti rok trajanja i stabilnost konačnog proizvoda, što olakšava komercijalnu distribuciju kombuche.
Pročitajte više o ultrazvuku kao metodi netermalne pasterizacije sokova!

Ukupni rezultati u kombuchi tretiranoj ultrazvukom

Ultrazvučna obrada smanjila je početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, povećala vrijednost ORAC za 3% i povećala indeks topljivosti u vodi (WSI) za 40% (sa 6,64 na 9,29 g/g) bez sinereze. Rezultati ove studije sugeriraju da primjena ultrazvuka može poboljšati funkcionalnost fenola tijekom fermentacije i sposobna je smanjenje sinereze, povećanje prinosa ulja, smanjenje mikrobnog opterećenja i povećanje ORAC-a uz minimalni gubitak nutritivne kvalitete. (usp. Dornan et al., 2020.)

Ultrazvučna oprema za poboljšano kuhanje kombuche

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje visokih performansi, ultrazvučne bioreaktore i dodatke za poboljšane procese fermentacije, ekstrakcije i pasterizacije koji se koriste u hrani & proizvodnja pića. Hielscher ultrazvučni sustavi za preradu hrane koriste se za višestruke primjene kao sigurna, pouzdana i troškovno učinkovita tehnologija za proizvodnju visokokvalitetne hrane i pića. Instalacija i rad svih Hielscher ultrazvučnih procesora je jednostavan: Zahtijeva samo malo prostora, lako se mogu naknadno ugraditi u postojeće procesne objekte.
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni snažnog ultrazvuka u hrani & industriji pića kao i mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (mokri dijelovi) koje se lako čiste (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Precizno podešavanje amplituda i opcija prebacivanja između niskih i visokih amplituda važni su za stimulaciju ili deaktivaciju mikroorganizama. Stoga se isti ultrasonicator može koristiti za poticanje mikroba koji povećavaju fermentaciju ili za inaktivaciju mikroorganizama za pasterizaciju.
Najsuvremenija tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver čine Hielscher Ultrasonics’ pouzdani radni konji u vašem procesu fermentacije hrane. S malom površinom i raznovrsnim mogućnostima ugradnje, Hielscher ultrasonicators se mogu lako integrirati ili retro-ugraditi u postojeće proizvodne linije.

Standardizacija procesa s Hielscher Ultrasonics

Prehrambeni proizvodi trebaju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i prema standardiziranim specifikacijama obrade. Digitalni sustavi za ekstrakciju Hielscher Ultrasonics dolaze s inteligentnim softverom, koji olakšava precizno postavljanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve parametre ultrazvučnog procesa kao što su energija ultrazvuka (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, tlak (kada su senzori temperature i tlaka montirani) s oznakom datuma i vremena na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje da revidirate svaku ultrazvučno obrađenu seriju. Istodobno je osigurana ponovljivost i kontinuirano visoka kvaliteta proizvoda.
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Kontaktirajte nas kako biste saznali više o značajkama i mogućnostima naših ultrazvučnih sustava za pasterizaciju. Bilo bi nam drago porazgovarati o vašoj prijavi s vama!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: