Ultrahanggal javított kombuchafermentáció

Az ultrahangos kezelés az anyagátadás fokozásával, a mikrobiális sejtek feltárásával, az enzimek aktiválásával és a homogenitás javításával elősegíti az ultrahanggal fermentált élelmiszerek, például a kombucha, a kimchi és más fermentált zöldségek fermentációját, ami végső soron gyorsabb fermentációhoz és kiválóbb minőségű termék előállításához vezet. Az ultrahangos kezelés a tejsavas fermentáció során kedvező változásokat indít el a bioaktív vegyületekben, növelve a táplálkozási szempontból értékes vegyületek és fitokemikáliák mennyiségét.

Kombucha és fermentált italok

A kombuchát cukrozott tea fermentálásával állítják elő, „baktériumok és élesztők szimbiotikus kultúrája” (SCOBY) segítségével, amelyet gyakran „anyakultúrának” vagy „teagombának” is neveznek. A SCOBY mikrobiális populációinak összetétele és aránya igen jelentősen eltérhet. Az élesztőkomponens általában Saccharomyces cerevisiae-t tartalmaz, a Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces és Kluyveromyces nemzetségek más fajai mellett; a bakteriális komponens szinte mindig tartalmaz Komagataeibacter xylinus-t (korábban Gluconacetobacter xylinus), amely az élesztők által termelt alkoholokat ecetsavvá és más savakká fermentálja, növelve a savasságot és korlátozva az etanoltartalmat.
Hasonlóképpen más fermentált italokat, például fermentált gyümölcs- és zöldségleveket is baktériumokkal és élesztőkkel oltanak be.
Az ultrahangos kezelés javíthatja a fermentáció hatékonyságát és a fermentált ital minőségi jellemzőit, beleértve a tápanyagtartalmat és az ízt.

Ultrahanggal intenzifikált kombuchafermentáció

Az ultrahanghullámokról közismert, hogy serkentik a baktériumok és élesztők növekedését. A kombuchakultúrák (SCOBY, más néven teagomba vagy mandzsúriai gomba) szabályozott, enyhe ultrahangos kezelése ezért elősegítheti a fermentációs folyamatot, és rövidebb fermentációs idő alatt nagyobb kombuchahozamot eredményezhet.
Az ultrahanggal stimulált fermentáció fokozott membránpermeabilizációt, ezáltal pedig fokozott anyagátadást mutat. Az ultrahanghullámok szonomechanikai hatása perforálja a mikroorganizmusok sejtfalát és plazmamembránját (ezt a folyamatot szonoporációnak nevezik). Egyes sejtek akár fel is szakadhatnak. Ezek a feltárt sejtek növekedést elősegítő tényezőket, például vitaminokat, nukleotidokat, aminosavakat és enzimeket szabadítanak fel, amelyek serkenthetik mind az ép sejtű, mind a sérült membránú baktériumok növekedését.
A fermentáció előtti, valamint a lag- és logfázisban végzett ultrahangos kezelés mutatta a legkifejezettebb hatást a baktériumok növekedésének serkentésére.

Az ultrahangos kezelés előnyei a kombucha fermentációjában

Hogyan segíti elő az ultrahang a fermentációs folyamatot, és hogyan járul hozzá jobb kombucha, fermentált zöldségek, kódzsi stb. előállításához? Az ultrahangos kezelés többféleképpen intenzifikálja a fermentációt; ezeket az alábbiakban a fermentált kombucha példáján mutatjuk be. A kombucha fermentált ital, amelyet hagyományosan édesített teából, valamint baktériumok és élesztők szimbiotikus kultúrájából (SCOBY) készítenek. A hígított gyümölcspürék tápanyagokban gazdag, ízletes alapot biztosítanak a kombucha előállításához. Az alábbiakban megtudhatja, hogyan segíti elő az ultrahangos kezelés a kombucha italok előállítását:

• Fokozott anyagátadás: Az ultrahanghullámok mikroszkopikus kavitációs buborékokat hoznak létre a folyadékban, ami mikroáramlások, folyadéksugarak és turbulencia kialakulásához vezet. Ez a keverőhatás fokozza az anyagátadást azáltal, hogy növeli a fermentációért felelős mikroorganizmusok és a közegben lévő tápanyagok közötti érintkezést. Ennek eredményeként a fermentáló mikroorganizmusok hatékonyabban veszik fel a tápanyagokat, ami gyorsabb fermentációhoz vezet.
• Sejtfeltárás: Az ultrahangos kezelőberendezések jól ismertek a sejtlízisben és az extrakcióban mutatott hatékonyságukról. Az élelmiszerek fermentációja során az ultrahangos kezelőberendezések feltárják a mikrobiális sejtfalakat, felszabadítva az intracelluláris enzimeket és metabolitokat, amelyek tovább katalizálhatják a fermentációs reakciókat. Ez a feltárás fokozza az aromavegyületek, vitaminok és szerves savak felszabadulását a mikrobiális sejtekből, hozzájárulva a fermentált termék összetett ízéhez és tápanyag-gazdagságához. Az ultrahanggal fermentált homoktövis-kombuchában a fenolos vegyületek jelentősen nagyobb aránya mérhető. (vö. Dornan et al., 2020)
• Tápanyagokban gazdag fermentációs szubsztrátok előkészítése: Az ultrahangos extrakció segít olyan fermentációs szubsztrát előkészítésében, amely számos tápanyagot biztosít a mikroorganizmusok számára hozzáférhető, emészthető formában. Ez azt jelenti, hogy az ultrahanggal kezelt fermentációs szubsztrátokban (pl. gyümölcs- és zöldségpürékben) a bioaktív vegyületek, például a keményítők és cukrok felszabadulnak a növényi sejtek intracelluláris mátrixából. A mikrobák könnyen táplálkozhatnak a szubsztrátból, ami felgyorsítja és lerövidíti a fermentációs folyamatot. Ugyanez érvényes a polifenolokra, flavonoidokra és vitaminokra is, amelyek felszabadulnak az intracelluláris mátrixokból, és hozzájárulnak a fermentált élelmiszer vagy ital teljes tápértékéhez.
• Fokozott enzimaktivitás: Az ultrahangos kezelés aktiválja a fermentációs folyamatokban részt vevő bizonyos enzimeket, vagy fokozza aktivitásukat. Például növeli a celluláz és az amiláz aktivitását; ezek az enzimek alapvető fontosságúak az összetett szénhidrátok egyszerűbb cukrokká történő lebontásában, amelyeket azután a kombuchakultúrában jelen lévő mikroorganizmusok fermentálnak.
• Javított homogenitás: Mivel az ultrahangos kezelés során fellépő erők mindig keveredést eredményeznek, az ultrahangos kezelés biztosítja a fermentációs keverék jobb homogenizálását, ami a tápanyagok és mikroorganizmusok egyenletes eloszlásához vezet az egész közegben. Ez az egyenletesség elősegíti a következetes fermentációs kinetikát és a kívánatos érzékszervi jellemzőkkel rendelkező, kiváló minőségű kombuchatermék előállítását.

A mikrobiális növekedés ultrahangos stimulálása akkor a leghatékonyabb, ha az ultrahangot a fermentáció előtt vagy a lag- és logfázisban alkalmazzák.

Esettanulmány: az almalé fermentációjának ultrahangos stimulálása

A kutatás kimutatta, hogy az almalé fermentációja során a lag- és logaritmikus fázisban végzett ultrahangos kezelés elősegítette a mikrobiális növekedést, és fokozta az almasav tejsavvá történő biotranszformációját. Például a lagfázisban végzett 0,5 h időtartamú ultrahangos kezelés után az 58,3 W/L értékkel ultrahanggal kezelt mintákban a mikrobaszám és a tejsavtartalom elérte a 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL, illetve a 133,70 ± 7,39 mg/L értéket, amelyek jelentősen magasabbak voltak, mint az ultrahanggal nem kezelt mintákban. Ezenkívül a lag- és logaritmikus fázisban végzett ultrahangos kezelés összetett hatást gyakorolt az alma fenolos vegyületeinek, például a klorogénsavnak, kávésavnak, procianidin B2-nek, katechinnek és galluszsavnak az anyagcseréjére. Az ultrahang kedvezően befolyásolhatta a klorogénsav kávésavvá történő hidrolízisét, a procianidin B2 átalakulását és a galluszsav dekarboxilezését. Az ultrahanggal kezelt mintákban a szerves savak és szabad aminosavak anyagcseréje statisztikai korrelációt mutatott a fenolos vegyületek anyagcseréjével, ami arra utal, hogy az ultrahang a szerves savak és aminosavak mikrobiális anyagcseréjének javításával elősegítheti a fenolos származékok képződését. (vö. Wang et al., 2021)

Esettanulmány: ultrahanggal javított szójatej-fermentáció

Ewe et al. (2012) kutatócsoportja az ultrahang hatását vizsgálta a laktobacillus-törzsek (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) anyagcsere-hatékonyságára a szójatej fermentációja során. Megfigyelték, hogy az ultrahangos kezelés permeabilizálta a baktériumok sejtmembránját. A permeabilizált sejtmembránok jobb tápanyagfelvételt és azt követően fokozott növekedést eredményeztek (P ≺ 0,05). Az ultrahangos kezelés nagyobb amplitúdója és hosszabb időtartama elősegítette a laktobacillusok növekedését a szójatejben, az életképes sejtek száma pedig meghaladta a 9 log CFU/mL értéket. Az ultrahangos kezelés a laktobacillusok intracelluláris és extracelluláris β-glükozidázának fajlagos aktivitását is fokozta (P ≺ 0,05), ami a szójatej izoflavonjainak fokozott biokonverziójához vezetett, különösen a genisztin és a malonil-genisztin geniszteinné történő átalakulásához. A vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy a laktobacillus-sejtek ultrahangos kezelése fokozza (P ≺ 0,05) a sejtek β-glükozidáz-aktivitását, elősegítve az izoflavon-glükozidok fokozott (P ≺ 0,05) biokonverzióját bioaktív aglikonokká a szójatejben. (vö. Ewe et al., 2012)

Pásztázó elektronmikroszkópos felvételek kezeletlen laktobacillusokról (A) és 60% amplitúdóval, 3 min időtartamig ultrahanggal kezelt laktobacillusokról (B). A körök a felszakadt sejteket és a pórusokat tartalmazó sejteket jelölik.
(Vizsgálat és képek: ©Ewe et al., 2012)

Táplálkozási szempontból értékes vegyületek és aromaanyagok extrakciója kombuchában és fermentált italokban

A fermentált tea-, gyümölcslé- és zöldségitalok, például a fermentált alma- vagy eperfalé, illetve a gyümölcsökkel ízesített kombuchák íz és tápanyagtartalom szempontjából jelentősen profitálnak az ultrahangos kezelésből. Az ultrahanghullámok feltárják a növényi anyagok sejtszerkezeteit, és felszabadítják az intracelluláris vegyületeket, például az aromaanyagokat, polifenolokat, antioxidánsokat és flavonoidokat. Ugyanakkor az ultrahangos homogenizálás egyenletesen diszpergált és emulgeált italt eredményez, amelynél megelőzi a fázisszétválást, és vonzó megjelenést biztosít a fogyasztók számára. Az alábbiakban egy ultrahanggal kezelt, fázisszétválás nélküli homoktövisbogyó-kombucha példája látható egy kezeletlen változattal összehasonlítva.
Olvasson többet az aromaanyagok és tápanyagok ultrahangos extrakciójáról!

Esettanulmány: ultrahanggal tartósított kombucha

Az ultrahangos kezelés stimulálással vagy inaktiválással befolyásolhatja a mikrobákat. Az ultrahangos kezelés az enzimekre is hat: az ultrahang megváltoztathatja az enzimek, a szubsztrátok és reakcióik jellemzőit. Az alacsony frekvenciájú ultrahang ezen hatásait az élelmiszer-feldolgozásban az élelmiszerek és italok pasztőrözésének nem termikus alternatívájaként használják. Az ultrahangos kezelés előnye a folyamatparaméterek, például az amplitúdó, az idő, a hőmérséklet és a nyomás pontos szabályozhatósága, amely lehetővé teszi a mikroorganizmusok célzott inaktiválását. A kombucha és a fermentált italok mikrobiális terhelésének inaktiválása lehetővé teszi az eltarthatóság és a termékstabilitás növelését. A mikrobák és enzimek mennyiségének csökkentése a végtermék hosszabb eltarthatósága révén megkönnyíti a kereskedelmi forgalmazást. Az ultrahangos kezelés nem termikus pasztőrözési módszer, amelyet már alkalmaznak a kereskedelmi élelmiszer-feldolgozásban, például a gyümölcslevek pasztőrözésére. Különösen nagyobb amplitúdóknál az ultrahang a sejtfalak károsításával inaktiválja a baktériumokat és élesztőket. Ez a mikrobiális növekedés lassulását vagy leállását eredményezi. Például Kwaw et al. (2018) az ultrahangot mint nem termikus pasztőrözési eljárást vizsgálták tejsavasan fermentált eperfalé esetében. Az ultrahanggal kezelt fermentált eperfalé fenolosvegyület-tartalma (1700,07 ± 2,44 μg/mL) magasabb volt, mint a kontrollé, azaz a kezeletlen fermentált eperfaléé. „Az egyes nem termikus kezelések közül az ultrahangos kezelés a pulzáló fénykezeléshez képest jelentős (p < 0,05) növekedést okozott a tejsavasan fermentált eperfalé fenolos és antioxidáns tulajdonságaiban.” (Kwaw et al., 2018)
Bár a kombucha élő kultúráiról ismert ital, a mikrobák számának szabályozott csökkentése alkalmazható a kereskedelmi forgalomban kapható kombuchaitalok eltarthatóságának meghosszabbítására.
A hagyományos termikus pasztőrözés elpusztítja az összes élő élesztőt és baktériumot, amelyek normálisan jelen vannak a kombuchában, és egészséget támogató hatásainak egyik fő tényezőjét jelentik. Az ultrahangos pasztőrözés nem termikus tartósítási módszer, amely a mikrobaszám csökkentésére vagy a mikroorganizmusok teljes eltávolítására is alkalmazható. Ez azt jelenti, hogy a kereskedelmi termelők alacsonyabb amplitúdóval és rövidebb ideig alkalmazhatnak ultrahangot a baktériumok és élesztők számának csökkentésére anélkül, hogy teljesen eltávolítanák őket. Így az élő kultúrák továbbra is jelen vannak a kombuchában, bár kisebb számban, ami javítja az eltarthatóságot és meghosszabbítja a tárolási időt.

Tudományosan igazolt eredmények ultrahanggal kezelt kombuchában

Dornan et al. (2020) az alacsony frekvenciájú ultrahang hatását vizsgálták homoktövisbogyókból készült kombuchán, az UIP500hdT ultrahangos kezelőberendezés használatával. A kutatócsoport az ultrahangos kezelés számos kedvező hatását tudta kimutatni a homoktövisbogyók előkészítésére és az ezt követő kombuchafermentációra.

Homoktövisbogyók ultrahangos extrakciója

A friss, egész homoktövisbogyók (más néven sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) ultrahangos kezeléséhez a bogyókat Vitamix turmixgéppel 2 min időtartamig pürésítették. Az eredeti pürétérfogat 30%-ának megfelelő térfogatú dH2O-t adtak hozzá, majd összekeverték. A hígított püré 200 mL mennyiségét ultrahanggal kezelték (90 W, 20 kHz, 10 min) az UIP500hdT ultrahangos feldolgozóberendezéssel (lásd a bal oldali képet). A kezelési időt a tápanyagok optimalizálása és a minta frisshez hasonló állapotának megőrzése érdekében választották meg. Az ultrahangos extrakció eredményei a gyümölcshúsból történő extrakció hozamának jelentős (P ≺ 0,05), 10%-os növekedését mutatják (19,04 ± 0,08 értékről 20,97 ± 0,29%-ra), a mag esetében pedig 7%-os növekedést (14,81 ± 0,08 értékről 15,83 ± 0,28%-ra). Az olajhozam ezen növekedése kiemeli az ultrahangos kezelés szerepét mint hatékony és környezetbarát technológiát a nyersanyag értékének maximalizálására. A homoktövisbogyók ultrahangos extrakciója nagyobb olajhozamot, rövidebb feldolgozási időt, kisebb energiafogyasztást és a veszélyes oldószerek elkerülését eredményezte.

Esettanulmány: homoktövisbogyó-kombucha ultrahangos homogenizálása

Az ultrahanggal kezelt homoktövisbogyó- (sanddorne-) kombucha jelentősen javult termékstabilitást mutatott. Az ultrahanggal kezelt bogyós kombucha a tárolás 21. napján is homogén maradt. Az a tény, hogy a vizsgálat teljes időtartama alatt (21 nap, lásd az alábbi képet) nem figyeltek meg szinerézist az ultrahanggal kezelt bogyós kombuchában, azt mutatja, hogy az ultrahang önmagában hatékony emulgeálási technika, amely képes biztosítani a termék stabilitását és megelőzni a fázisszétválást.

Homoktövispüré (P) ultrahangos kezelés nélkül és ultrahangos kezeléssel (P+US) a 0. és a 21. napon.
Vizsgálat és kép:©Dornan et al., 2020.

Ultrahangos kezelés a fermentáció leállítására

Négy kombuchamintát készítettek: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrahang), K+S (kombucha + szacharóz) és K+S+US (kombucha + szacharóz + ultrahang). Minden mintát 200 mL homoktövispüré (P) vagy P+US és 12,5 g SCOBY felhasználásával készítettek el. A K P-ből és SCOBY-ból állt. A K+US P+US-ből és SCOBY-ból állt. A K+S P-ből, 15,0 g szacharózból és SCOBY-ból állt. A K+S+US P+US-ből, 15,0 g szacharózból és SCOBY-ból állt. Minden mintát sötét helyen, szobahőmérsékleten hagytak fermentálódni öt napig. A K+US és K+S+US mintákon második ultrahangos kezelést (90 W, 20 kHz, 10 min) végeztek a fermentáció leállítására az 5. napon.

Az ultrahang tartósító hatásai a kombuchára

A homoktövis-kombuchában az ultrahangos kezelés 2,6 log CFU/mL értékkel csökkentette a kezdeti mikrobiális terhelést, ezáltal egy kiválasztott időpontban leállította a fermentációs folyamatot a túlfermentálódás megelőzése érdekében. Ezenkívül a mikrobaszám szabályozott csökkentése segít növelni a végtermék eltarthatóságát és stabilitását, ami megkönnyíti a kombucha kereskedelmi forgalmazását.
Olvasson többet az ultrahangos kezelésről mint a gyümölcslevek nem termikus pasztőrözési módszeréről!

Összesített eredmények ultrahanggal kezelt kombuchában

Az ultrahangos kezelés 2,6 log CFU/mL értékkel csökkentette a kezdeti mikrobiális terhelést, 3%-kal növelte az ORAC-értéket, és szinerézis nélkül 40%-kal növelte a vízoldhatósági indexet (WSI) (6,64 értékről 9,29 g/g-ra). A vizsgálat eredményei arra utalnak, hogy az ultrahangos kezelés alkalmazása fokozhatja a fenolos vegyületek funkcionalitását a fermentáció során, és képes csökkenteni a szinerézist, növelni az olajhozamot, csökkenteni a mikrobiális terhelést és növelni az ORAC-értéket a táplálkozási minőség minimális vesztesége mellett. (vö. Dornan et al., 2020)

Ultrahangos berendezések a kombuchakészítés javítására

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezéseket, ultrahangos bioreaktorokat és tartozékokat tervez, gyárt és forgalmaz az élelmiszer- és italgyártásban alkalmazott fermentációs, extrakciós és pasztőrözési folyamatok javítására. A Hielscher ultrahangos élelmiszer-feldolgozó rendszereit sokféle alkalmazásban használják, mivel biztonságos, megbízható és költséghatékony technológiát kínálnak a kiváló minőségű élelmiszerek és italok előállításához. Valamennyi Hielscher ultrahangos feldolgozóberendezés telepítése és üzemeltetése egyszerű: kis helyigényűek, és könnyen utólag beépíthetők meglévő feldolgozóüzemekbe.
A Hielscher Ultrasonics nagy tapasztalattal rendelkezik a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásában az élelmiszer- és italiparban, valamint számos más iparágban. Ultrahangos feldolgozóberendezéseink könnyen tisztítható (helyben tisztítható CIP / helyben sterilizálható SIP) szonotródákkal és átfolyó cellákkal vannak felszerelve (ezek a folyadékkal érintkező alkatrészek). A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos feldolgozóberendezései nagyon nagy amplitúdókra képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen, folyamatosan üzemeltethetők 24/7 üzemben. Az amplitúdók pontos beállítása és az alacsony és magas amplitúdók közötti váltás lehetősége fontos a mikroorganizmusok stimulálásához vagy inaktiválásához. Így ugyanaz az ultrahangos kezelőberendezés használható a mikrobák stimulálására, fokozva a fermentációt, vagy a mikroorganizmusok inaktiválására pasztőrözés céljából.
A legkorszerűbb technológia, a nagy teljesítmény és a kifinomult szoftver a Hielscher Ultrasonics berendezéseit az élelmiszer-fermentációs folyamat megbízható igáslovaivá teszi. Kis helyigényüknek és sokoldalú telepítési lehetőségeiknek köszönhetően a Hielscher ultrahangos kezelőberendezések könnyen integrálhatók vagy utólag beépíthetők meglévő gyártósorokba.

Folyamatszabványosítás a Hielscher Ultrasonics segítségével

Az élelmiszeripari minőségű termékeket a helyes gyártási gyakorlatnak (GMP) megfelelően, szabványosított feldolgozási előírások szerint kell előállítani. A Hielscher Ultrasonics digitális extrakciós rendszerei intelligens szoftverrel rendelkeznek, amely megkönnyíti az ultrahangos kezelési folyamat pontos beállítását és szabályozását. Az automatikus adatrögzítés a beépített SD-kártyára írja az összes ultrahangos folyamatparamétert, például az ultrahangenergiát (teljes és nettó energia), az amplitúdót, a hőmérsékletet és a nyomást (ha hőmérséklet- és nyomásérzékelők vannak felszerelve), dátum- és időbélyeggel együtt. Ez lehetővé teszi minden ultrahanggal feldolgozott tétel ellenőrzését. Ugyanakkor biztosított a reprodukálhatóság és a folyamatosan magas termékminőség.
A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos feldolgozóberendezései nagyon nagy amplitúdókra képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen, folyamatosan üzemeltethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága lehetővé teszi a 24/7 üzemeltetést nagy terhelés mellett és igényes környezetben.
Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy többet megtudjon ultrahangos pasztőrözési rendszereink jellemzőiről és képességeiről. Örömmel megbeszéljük Önnel az alkalmazását!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos kezelőberendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: