Ultrazvučno poboljšana fermentacija kombuche

Sonikacija potiče fermentaciju u ultrazvučno fermentiranoj hrani kao što su kombucha, kimchi i drugo fermentirano povrće poboljšavanjem prijenosa mase, razaranjem mikrobnih stanica, aktivacijom enzima i poboljšavanjem homogenosti, što u konačnici dovodi do ubrzanja fermentacije i proizvodnje proizvoda vrhunske kvalitete. Sonikacija pokreće korisne promjene bioaktivnih spojeva tijekom mliječno-kiselinske fermentacije, povećavajući sadržaj hranjivih spojeva i fitokemikalija.

Kombucha i fermentirani napitci

Kombucha se proizvodi fermentacijom zaslađenog čaja uz pomoć „simbiotske kulture bakterija i kvasaca” (SCOBY), koja se često naziva i „majkom” ili „čajnom gljivom”. Raznolikost i omjer mikrobnih populacija u kulturi SCOBY mogu se znatno razlikovati. Kvaščeva komponenta uglavnom uključuje Saccharomyces cerevisiae, uz druge vrste iz rodova Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces i Kluyveromyces; bakterijska komponenta gotovo uvijek uključuje Komagataeibacter xylinus (ranije Gluconacetobacter xylinus), koji fermentacijom pretvara alkohole koje proizvode kvasci u octenu i druge kiseline, povećavajući kiselost i ograničavajući sadržaj etanola.
Slično tome, drugi fermentirani napitci, poput fermentiranih sokova od voća i povrća, inokuliraju se bakterijama i kvascima.
Obrada ultrazvukom može poboljšati učinkovitost fermentacije i kvalitativna svojstva fermentiranog napitka, uključujući sadržaj hranjivih tvari i okus.

Ultrazvučno intenzivirana fermentacija kombuche

Dobro je poznato da ultrazvučni valovi potiču rast bakterija i kvasaca. Kontrolirana blaga sonikacija kultura kombuche (SCOBY, poznat i kao čajna gljiva ili mandžurijska gljiva) stoga može potaknuti proces fermentacije i dovesti do većih prinosa kombuche uz kraće vrijeme fermentacije.
Ultrazvučno potaknuta fermentacija pokazuje povećanu permeabilizaciju membrana, a time i povećan prijenos mase. Sonomehanička obrada ultrazvučnim valovima perforira stanične stijenke i plazmatske membrane mikroorganizama (proces koji se naziva sonoporacija). Neke se stanice mogu čak i raspuknuti. Te razorene stanice oslobađaju čimbenike koji potiču rast, poput vitamina, nukleotida, aminokiselina i enzima, koji bi mogli potaknuti rast kako bakterija s neoštećenim stanicama tako i bakterija s oštećenim membranama.
Ultrazvučna obrada prije fermentacije te u fazi prilagodbe i logaritamskoj fazi pokazala je najizraženije učinke na poticanje rasta bakterija.

Prednosti sonikacije za fermentaciju kombuche

Kako ultrazvuk potiče proces fermentacije i pomaže u proizvodnji bolje kombuche, fermentiranog povrća, kojija itd.? Sonikacija intenzivira fermentaciju na nekoliko načina, koji su u nastavku prikazani na primjeru fermentirane kombuche. Kombucha je fermentirani napitak koji se tradicionalno proizvodi od zaslađenog čaja i simbiotske kulture bakterija i kvasaca (SCOBY). Razrijeđeni voćni pirei pružaju ukusnu podlogu bogatu hranjivim tvarima za proizvodnju kombuche. U nastavku ćete saznati kako obrada ultrazvukom potiče proizvodnju

• Povećan prijenos mase: Ultrazvučni valovi stvaraju mikroskopske kavitacijske mjehuriće u tekućini, što dovodi do nastanka mikrostrujanja, mlazova tekućine i turbulencija. Takvo miješanje poboljšava prijenos mase povećavajući kontakt između mikroorganizama odgovornih za fermentaciju i hranjivih tvari u mediju. Zbog toga mikroorganizmi koji provode fermentaciju učinkovitije apsorbiraju hranjive tvari, što dovodi do ubrzanja fermentacije.
• Razaranje stanica: Sonikatori su dobro poznati po svojoj učinkovitosti u lizi stanica i ekstrakciji. Pri fermentaciji hrane sonikatori razaraju stanične stijenke mikroorganizama, oslobađajući unutarstanične enzime i metabolite koji mogu dodatno katalizirati fermentacijske reakcije. To razaranje pojačava oslobađanje aromatskih spojeva, vitamina i organskih kiselina iz mikrobnih stanica, pridonoseći složenosti okusa i bogatstvu hranjivih tvari fermentiranog proizvoda. U ultrazvučno fermentiranoj kombuchi od pasjeg trna može se izmjeriti znatno veći udio fenolnih spojeva. (usp. Dornan et al., 2020)
• Priprema fermentacijskih supstrata bogatih hranjivim tvarima: Ultrazvučna ekstrakcija pomaže u pripremi fermentacijskog supstrata koji osigurava mnoge hranjive tvari u obliku dostupnom za mikrobnu razgradnju. To znači da se u ultrazvučno obrađenim fermentacijskim supstratima (npr. kašama od voća i povrća) bioaktivni spojevi poput škroba i šećera oslobađaju iz unutarstaničnog matriksa biljnih stanica. Mikroorganizmi se mogu lako hraniti supstratom, čime se ubrzava i skraćuje proces fermentacije. Isto vrijedi za polifenole, flavonoide i vitamine koji se oslobađaju iz unutarstaničnih matriksa i pridonose ukupnoj hranjivoj vrijednosti fermentirane hrane ili napitaka.
• Povećana aktivnost enzima: Sonikacija aktivira određene enzime uključene u fermentacijske procese ili povećava njihovu aktivnost. Primjerice, povećava aktivnost celulaze i amilaze, enzima ključnih za razgradnju složenih ugljikohidrata u jednostavnije šećere koje potom fermentiraju mikroorganizmi prisutni u kulturi kombuche.
• Poboljšana homogenost: Budući da sile pri sonikaciji uvijek dovode do miješanja i sjedinjavanja, ultrazvučna obrada osigurava bolju homogenizaciju fermentacijske smjese, što rezultira ravnomjernom raspodjelom hranjivih tvari i mikroorganizama u cijelom mediju. Ta ujednačenost potiče dosljednu kinetiku fermentacije i proizvodnju visokokvalitetne kombuche s poželjnim senzorskim svojstvima.

Ultrazvučna stimulacija rasta mikroorganizama najučinkovitija je kada se ultrazvuk primjenjuje prije fermentacije ili tijekom faze prilagodbe i logaritamske faze rasta.

Studija slučaja: ultrazvučna stimulacija fermentacije soka od jabuke

Istraživanje je pokazalo da je ultrazvučna obrada tijekom faze prilagodbe i logaritamske faze pri fermentaciji soka od jabuke potaknula rast mikroorganizama i intenzivirala biotransformaciju jabučne kiseline u mliječnu kiselinu. Primjerice, nakon sonikacije tijekom faze prilagodbe u trajanju od 0,5 h, broj mikroorganizama i sadržaj mliječne kiseline u uzorcima obrađenima ultrazvukom pri 58,3 W/L dosegnuli su 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL odnosno 133,70 ± 7,39 mg/L, što je bilo znatno više nego u uzorcima koji nisu bili podvrgnuti sonikaciji. Osim toga, sonikacija tijekom faze prilagodbe i logaritamske faze imala je složene učinke na metabolizam fenolnih spojeva jabuke, poput klorogenske kiseline, kavene kiseline, procijanidina B2, katehina i galne kiseline. Ultrazvuk bi mogao pozitivno utjecati na hidrolizu klorogenske kiseline u kavenu kiselinu, pretvorbu procijanidina B2 i dekarboksilaciju galne kiseline. Metabolizam organskih kiselina i slobodnih aminokiselina u soniciranim uzorcima bio je statistički povezan s metabolizmom fenolnih spojeva, što upućuje na to da ultrazvuk može pogodovati stvaranju fenolnih derivata poboljšanjem mikrobnog metabolizma organskih kiselina i aminokiselina. (usp. Wang et al., 2021)

Studija slučaja: ultrazvučno poboljšana fermentacija sojina mlijeka

Istraživački tim Ewe i sur. (2012) istraživao je 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 sojina mlijeka. Uočeno je da je ultrazvučna obrada povećala propusnost staničnih membrana bakterija. Povećana propusnost staničnih membrana rezultirala je poboljšanim unosom hranjivih tvari u stanice i posljedičnim poticanjem rasta (P ≺ 0,05). Veće amplitude i dulje trajanje sonikacije potaknuli su rast laktobacila u sojinu mlijeku, pri čemu je broj živih stanica premašio 9 log CFU/mL. Sonikacijom su također povećane unutarstanične i izvanstanične specifične aktivnosti β-glukozidaze laktobacila (P ≺ 0,05), što je dovelo do povećane biokonverzije izoflavona u sojinu mlijeku, osobito genistina i malonilgenistina u genistein. Rezultati ovog istraživanja pokazuju da ultrazvučna obrada stanica laktobacila potiče (P ≺ 0,05) aktivnost stanične β-glukozidaze, čime se poboljšava (P ≺ 0,05) biokonverzija izoflavonskih glukozida u bioaktivne aglikone u sojinu mlijeku. (usp. Ewe et al., 2012)

Snimke dobivene pretražnim elektronskim mikroskopom prikazuju neobrađene laktobacile (A) i laktobacile obrađene ultrazvukom pri amplitudi od 60% tijekom 3 min (B). Krugovi označavaju razorene stanice i stanice s porama.
(Istraživanje i slike: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcija hranjivih i aromatskih spojeva u kombuchi i fermentiranim napitcima

Ultrazvučna obrada znatno poboljšava okus i hranjivu vrijednost fermentiranih napitaka od čaja, voćnih i povrtnih sokova, primjerice fermentiranog soka od jabuke ili duda te kombuche aromatizirane voćem. Ultrazvučni valovi razaraju stanične strukture biljnih materijala i oslobađaju unutarstanične spojeve poput aromatskih spojeva, polifenola, antioksidansa i flavonoida. Istodobno se ultrazvučnom homogenizacijom dobiva ravnomjerno dispergiran i emulgiran napitak, čime se sprječava razdvajanje faza i postiže izgled privlačan potrošačima. U nastavku možete vidjeti primjer ultrazvučno obrađene kombuche od bobica pasjeg trna bez razdvajanja faza u usporedbi s neobrađenom inačicom.
Pročitajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji aromatskih spojeva i hranjivih tvari!

Studija slučaja: Ultrazvučno konzervirana kombucha

Ultrazvučna obrada može utjecati na mikroorganizme tako da ih stimulira ili inaktivira. Sonikacija utječe i na enzime: ultrazvuk može promijeniti svojstva enzima, supstrata i njihovih reakcija. Ti učinci niskofrekventnog ultrazvuka primjenjuju se u preradi hrane kao netoplinska alternativa za pasterizaciju hrane i napitaka. Sonikacija pruža prednost precizne kontrole procesnih parametara kao što su amplituda, vrijeme, temperatura i tlak, što omogućuje ciljanu inaktivaciju mikroorganizama. Inaktivacija mikrobne populacije u kombuchi i fermentiranim napitcima omogućuje produljenje roka trajanja i povećanje stabilnosti proizvoda. Smanjenje količine mikroorganizama i enzima olakšava komercijalnu distribuciju zahvaljujući produljenom roku trajanja konačnog proizvoda. Sonikacija je netoplinska metoda pasterizacije koja se već primjenjuje u komercijalnoj preradi hrane, primjerice za pasterizaciju sokova. Osobito pri većim amplitudama ultrazvuk inaktivira bakterije i kvasce oštećivanjem staničnih stijenki. To rezultira usporavanjem ili zaustavljanjem rasta mikroorganizama. Primjerice, Kwaw i sur. (2018) istraživali su ultrazvuk kao strategiju netoplinske pasterizacije soka od duda podvrgnutog mliječno-kiselinskoj fermentaciji. Ultrazvučno obrađen fermentirani sok od duda imao je veći sadržaj fenolnih spojeva (1700,07 ± 2,44 μg/mL) od kontrolnog uzorka, neobrađenog fermentiranog soka od duda. “Među pojedinačnim netoplinskim obradama, sonikacija je uzrokovala značajno (p < 0,05) povećanje fenolnih i antioksidacijskih svojstava soka od duda podvrgnutog mliječno-kiselinskoj fermentaciji u usporedbi s obradom pulsirajućom svjetlošću.” (Kwaw et al., 2018)
Iako je kombucha napitak poznat po svojim živim kulturama, kontrolirano smanjenje broja mikroorganizama može se primijeniti kako bi se produljio rok trajanja napitaka od kombuche u komercijalnoj distribuciji.
Uobičajena toplinska pasterizacija ubija sve žive kvasce i bakterije koji su inače prisutni u kombuchi i jedan su od glavnih čimbenika njezinih učinaka povoljnih za zdravlje. Ultrazvučna pasterizacija netoplinska je metoda konzerviranja koja se može primijeniti za smanjenje broja mikroorganizama ili za njihovo potpuno uklanjanje. To znači da komercijalni proizvođači mogu primjenjivati ultrazvuk pri nižim amplitudama i tijekom kraćih razdoblja kako bi smanjili broj bakterija i kvasaca bez njihova potpunog uklanjanja. Time žive kulture ostaju prisutne u kombuchi, iako u manjem broju, čime se produljuju rok trajanja i vrijeme skladištenja.

Znanstveno dokazani rezultati u ultrazvučno obrađenoj kombuchi

Dornan i sur. (2020) istraživali su učinke niskofrekventnog ultrazvuka na kombuchu pripremljenu od bobica pasjeg trna upotrebom sonikatora UIP500hdT. Istraživački tim uspio je dokazati višestruke korisne učinke ultrazvučne obrade na pripremu bobica pasjeg trna i naknadnu fermentaciju kombuche.

Ultrazvučna ekstrakcija bobica pasjeg trna

Svježe cijele bobice pasjeg trna (poznatog i kao sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) za sonikaciju su pretvorene u pire upotrebom blendera Vitamix tijekom 2 min. Dodan je volumen dH2O jednak 30% početnog volumena pirea te je smjesa izmiješana. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjen je na 200 mL razrijeđenog pirea upotrebom ultrazvučnog procesora UIP500hdT (vidjeti sliku lijevo). Vrijeme obrade odabrano je radi optimizacije hranjivih tvari i održavanja uzorka u stanju sličnom svježem. Rezultati ultrazvučne ekstrakcije pokazuju značajno (P ≺ 0,05) povećanje prinosa ekstrakcije iz pulpe za 10% (s 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) i iz sjemenki za 7% (s 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). To povećanje prinosa ulja ističe funkcionalnost sonikacije kao učinkovite i ekološki prihvatljive tehnologije za maksimalno iskorištavanje vrijednosti sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija iz bobica pasjeg trna rezultirala je većim prinosom ulja, kraćim vremenom obrade, manjom potrošnjom energije i izbjegavanjem opasnih otapala.

Studija slučaja: ultrazvučna homogenizacija kombuche od bobica pasjeg trna

Ultrazvučno obrađena kombucha od bobica pasjeg trna (sanddorne) pokazala je značajno poboljšanu stabilnost proizvoda. Sonikirana kombucha od bobica ostala je homogena do 21. dana skladištenja. Činjenica da tijekom cijelog istraživanja nije uočena sinereza u sonikiranoj kombuchi od bobica (21 dan, vidjeti sliku u nastavku) pokazuje da je sam ultrazvuk učinkovita tehnika emulgiranja koja može osigurati stabilnost proizvoda i spriječiti razdvajanje faza.

Pire od pasjeg trna (P) bez ultrazvučne obrade i s njom (P+US) na dan 0 i 21.
Istraživanje i slika:©Dornan i sur., 2020.

Ultrazvučna obrada za zaustavljanje fermentacije

Pripremljena su četiri uzorka kombuche: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + saharoza) i K+S+US (kombucha + saharoza + ultrazvuk). Svi su uzorci pripremljeni upotrebom 200 mL pirea od pasjeg trna (P) ili P+US i 12,5 g kulture SCOBY. K se sastojao od P i kulture SCOBY. K+US se sastojao od P+US i kulture SCOBY. K+S se sastojao od P, 15,0 g saharoze i kulture SCOBY. K+S+US se sastojao od P+US, 15,0 g saharoze i kulture SCOBY. Svi su uzorci ostavljeni da fermentiraju na tamnom mjestu pri sobnoj temperaturi tijekom pet dana. Druga sonikacija (90 W, 20 kHz, 10 min) primijenjena je na K+US i K+S+US kako bi se zaustavila fermentacija 5. dana.

Učinci ultrazvučnog konzerviranja na kombuchu

U kombuchi od pasjeg trna sonikacija je smanjila početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, čime je zaustavila proces fermentacije u odabranom trenutku kako bi se spriječila prekomjerna fermentacija. Nadalje, kontrolirano smanjenje broja mikroorganizama pomaže produljiti rok trajanja i povećati stabilnost konačnog proizvoda, što olakšava komercijalnu distribuciju kombuche.
Pročitajte više o sonikaciji kao netoplinskoj metodi pasterizacije sokova!

Ukupni rezultati u ultrazvučno obrađenoj kombuchi

Sonikacija je smanjila početno mikrobno opterećenje za 2,6 log CFU/mL, povećala vrijednost ORAC za 3% i povećala indeks topljivosti u vodi (WSI) za 40% (s 6,64 na 9,29 g/g) bez sinereze. Rezultati ovog istraživanja upućuju na to da primjena sonikacije može poboljšati funkcionalnost fenolnih spojeva tijekom fermentacije te može smanjiti sinerezu, povećati prinos ulja, smanjiti mikrobno opterećenje i povećati ORAC uz minimalan gubitak nutritivne kvalitete. (usp. Dornan et al., 2020)

Ultrazvučna oprema za poboljšanu proizvodnju kombuche

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje visokih performansi, ultrazvučne bioreaktore i pribor za poboljšane procese fermentacije, ekstrakcije i pasterizacije koji se primjenjuju u proizvodnji hrane i pića. Ultrazvučni sustavi tvrtke Hielscher za preradu hrane primjenjuju se u brojne svrhe kao sigurna, pouzdana i ekonomična tehnologija za proizvodnju visokokvalitetne hrane i pića. Ugradnja i rad svih ultrazvučnih procesora tvrtke Hielscher jednostavni su: zahtijevaju malo prostora i lako se mogu naknadno ugraditi u postojeća postrojenja za preradu.
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u primjeni ultrazvuka velike snage u industriji hrane i pića te u mnogim drugim industrijskim granama. Naši ultrazvučni procesori opremljeni su sonotrodama i protočnim ćelijama (dijelovima u dodiru s medijem) koje se lako čiste (čišćenje na mjestu CIP / sterilizacija na mjestu SIP). Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano primjenjivati u radu 24/7. Precizno podešavanje amplituda i mogućnost prebacivanja između niskih i visokih amplituda važni su za stimulaciju ili inaktivaciju mikroorganizama. Tako se isti ultrazvučni uređaj može upotrebljavati za stimulaciju mikroorganizama radi pojačavanja fermentacije ili za inaktivaciju mikroorganizama radi pasterizacije.
Najsuvremenija tehnologija, visoke performanse i sofisticiran softver čine ultrazvučne uređaje tvrtke Hielscher Ultrasonics pouzdanim osloncem u vašem procesu fermentacije hrane. Zahvaljujući malim prostornim zahtjevima i raznovrsnim mogućnostima ugradnje, ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher mogu se lako integrirati ili naknadno ugraditi u postojeće proizvodne linije.

Standardizacija procesa uz Hielscher Ultrasonics

Prehrambeni proizvodi trebaju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i standardiziranim specifikacijama prerade. Digitalni sustavi za ekstrakciju tvrtke Hielscher Ultrasonics opremljeni su inteligentnim softverom koji olakšava precizno postavljanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko bilježenje podataka zapisuje sve parametre ultrazvučnog procesa, kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura i tlak (kada su ugrađeni senzori temperature i tlaka), s datumskom i vremenskom oznakom na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje provjeru svake ultrazvučno obrađene serije. Istodobno se osiguravaju ponovljivost i stalno visoka kvaliteta proizvoda.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano primjenjivati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su ultrazvučne sonotrode izrađene po mjeri. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Obratite nam se sada kako biste saznali više o značajkama i mogućnostima naših sustava za ultrazvučnu pasterizaciju. Rado ćemo s vama razgovarati o vašoj primjeni!

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: