Fermentasi Kombucha yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

Sonikasi mendorong fermentasi pada makanan yang difermentasi secara ultrasonik seperti kombucha, kimchi, dan sayuran fermentasi lainnya dengan meningkatkan perpindahan massa, mendisrupsi sel mikroba, mengaktifkan enzim, dan meningkatkan homogenitas, yang pada akhirnya mempercepat laju fermentasi dan menghasilkan produk berkualitas lebih tinggi. Sonikasi memicu perubahan yang bermanfaat pada senyawa bioaktif selama fermentasi laktat, sehingga meningkatkan kandungan senyawa nutrisi dan fitokimia.

Kombucha dan Minuman Fermentasi

Kombucha diproduksi dengan memfermentasi teh bergula menggunakan “Kultur Simbiotik Bakteri dan Khamir” (SCOBY), yang juga biasa disebut “induk” atau “jamur teh”. Keragaman dan rasio populasi mikroba dalam SCOBY dapat sangat bervariasi. Komponen khamir umumnya mencakup Saccharomyces cerevisiae, bersama spesies lain dari Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces, dan Kluyveromyces; komponen bakteri hampir selalu mencakup Komagataeibacter xylinus (sebelumnya Gluconacetobacter xylinus), yang memfermentasi alkohol hasil produksi khamir menjadi asam asetat dan asam lainnya, sehingga meningkatkan keasaman dan membatasi kandungan etanol.
Demikian pula, minuman fermentasi lainnya seperti jus buah dan sayuran fermentasi diinokulasi dengan bakteri dan khamir.
Perlakuan ultrasonik dapat meningkatkan efisiensi fermentasi dan karakteristik mutu minuman fermentasi, termasuk kandungan nutrisi dan cita rasanya.

Fermentasi Kombucha yang Diintensifkan secara Ultrasonik

Gelombang ultrasonik dikenal dapat menstimulasi pertumbuhan bakteri dan khamir. Oleh karena itu, sonikasi ringan yang terkontrol pada kultur kombucha (SCOBY, juga dikenal sebagai jamur teh, fungi teh, atau jamur Manchuria) dapat mendorong proses fermentasi dan meningkatkan hasil kombucha dalam waktu fermentasi yang lebih singkat.
Fermentasi yang distimulasi secara ultrasonik menunjukkan peningkatan permeabilisasi membran, sehingga meningkatkan perpindahan massa. Perlakuan sonomekanis oleh gelombang ultrasonik melubangi dinding sel dan membran plasma mikroorganisme (proses yang disebut sonoporasi). Beberapa sel bahkan dapat pecah. Sel-sel yang terdisrupsi ini melepaskan faktor pemacu pertumbuhan seperti vitamin, nukleotida, asam amino, dan enzim yang dapat menstimulasi pertumbuhan bakteri dengan sel utuh maupun bakteri dengan membran yang terganggu.
Perlakuan ultrasonik sebelum fermentasi serta pada fase lag dan log menunjukkan efek paling menonjol dalam menstimulasi pertumbuhan bakteri.

Manfaat Sonikasi pada Fermentasi Kombucha

Bagaimana ultrasonik mendorong proses fermentasi dan membantu menghasilkan kombucha, sayuran fermentasi, koji, dll. yang lebih baik? Sonikasi mengintensifkan fermentasi melalui beberapa cara, yang dijelaskan di bawah ini dalam konteks kombucha fermentasi. Kombucha adalah minuman fermentasi yang secara tradisional dibuat dari teh yang diberi gula dan kultur simbiotik bakteri dan khamir (SCOBY). Pure buah yang diencerkan menyediakan bahan dasar yang kaya nutrisi dan cita rasa untuk produksi kombucha. Di bawah ini, Anda akan mempelajari bagaimana ultrasonikasi mendorong produksi suatu

• Peningkatan Perpindahan Massa: Gelombang ultrasonik menciptakan gelembung kavitasi mikroskopis dalam cairan, yang menyebabkan terbentuknya aliran mikro, semburan cairan, dan turbulensi. Pengadukan ini meningkatkan perpindahan massa dengan meningkatkan kontak antara mikroorganisme yang berperan dalam fermentasi dan nutrisi dalam medium. Akibatnya, nutrisi diserap lebih efisien oleh mikroorganisme pemfermentasi, sehingga laju fermentasi meningkat.
• Disrupsi Sel: Sonikator dikenal akan efektivitasnya dalam lisis sel dan ekstraksi. Dalam fermentasi makanan, sonikator mendisrupsi dinding sel mikroba, melepaskan enzim dan metabolit intraseluler yang dapat lebih lanjut mengatalisis reaksi fermentasi. Disrupsi ini meningkatkan pelepasan senyawa cita rasa, vitamin, dan asam organik dari sel mikroba, sehingga berkontribusi pada kompleksitas cita rasa dan kekayaan nutrisi produk fermentasi. Pada kombucha sea buckthorn yang difermentasi secara ultrasonik, fraksi senyawa fenolik yang secara signifikan lebih tinggi dapat diukur. (bandingkan Dornan et al., 2020)
• Penyiapan Substrat Fermentasi yang Kaya Nutrisi: Ekstraksi ultrasonik membantu menyiapkan substrat fermentasi yang menyediakan banyak nutrisi dalam bentuk yang tersedia untuk dicerna mikroba. Artinya, dalam substrat fermentasi yang diberi perlakuan ultrasonik (misalnya pure buah dan sayuran), senyawa bioaktif seperti pati dan gula dibebaskan dari matriks intraseluler sel tumbuhan. Mikroba dapat dengan mudah memanfaatkan substrat sebagai sumber makanan, sehingga mempercepat dan mempersingkat proses fermentasi. Hal yang sama berlaku untuk polifenol, flavonoid, dan vitamin, yang dilepaskan dari matriks intraseluler dan berkontribusi pada nilai gizi keseluruhan makanan atau minuman fermentasi.
• Peningkatan Aktivitas Enzim: Sonikasi mengaktifkan atau meningkatkan aktivitas enzim tertentu yang terlibat dalam proses fermentasi. Misalnya, sonikasi meningkatkan aktivitas selulase dan amilase, yaitu enzim yang sangat penting untuk memecah karbohidrat kompleks menjadi gula yang lebih sederhana, yang kemudian difermentasi oleh mikroorganisme dalam kultur kombucha.
• Peningkatan Homogenitas: Karena gaya sonikasi selalu menghasilkan pencampuran dan pembauran, perlakuan ultrasonik memastikan homogenisasi campuran fermentasi yang lebih baik, sehingga nutrisi dan mikroorganisme terdistribusi merata di seluruh medium. Keseragaman ini mendukung kinetika fermentasi yang konsisten dan produksi kombucha berkualitas tinggi dengan atribut sensoris yang diinginkan.

Stimulasi ultrasonik terhadap pertumbuhan mikroba paling efektif ketika ultrasonik diterapkan sebelum fermentasi atau pada fase lag dan log.

Studi Kasus: Stimulasi Ultrasonik pada Fermentasi Jus Apel

Penelitian menunjukkan bahwa perlakuan ultrasonik pada fase lag dan logaritmik selama fermentasi jus apel mendorong pertumbuhan mikroba dan mengintensifkan biotransformasi asam malat menjadi asam laktat. Misalnya, setelah sonikasi pada fase lag selama 0,5 h, jumlah mikroba dan kandungan asam laktat pada sampel yang diberi perlakuan ultrasonik pada 58,3 W/L mencapai 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL dan 133,70 ± 7,39 mg/L, yang secara signifikan lebih tinggi daripada pada sampel tanpa sonikasi. Selain itu, ultrasonikasi pada fase lag dan logaritmik memberikan pengaruh kompleks terhadap metabolisme senyawa fenolik apel seperti asam klorogenat, asam kafeat, prosianidin B2, katekin, dan asam galat. Ultrasonik dapat memberikan pengaruh positif terhadap hidrolisis asam klorogenat menjadi asam kafeat, transformasi prosianidin B2, dan dekarboksilasi asam galat. Metabolisme asam organik dan asam amino bebas pada sampel yang disonikasi berkorelasi secara statistik dengan metabolisme fenolik, yang mengisyaratkan bahwa ultrasonik dapat mendukung pembentukan turunan fenolik dengan meningkatkan metabolisme asam organik dan asam amino oleh mikroba. (bandingkan Wang et al., 2021)

Studi Kasus: Fermentasi Susu Kedelai yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

Tim peneliti Ewe et al. (2012) menyelidiki efek ultrasonik terhadap efisiensi metabolisme galur laktobasil (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) selama fermentasi susu kedelai. Teramati bahwa perlakuan ultrasonik meningkatkan permeabilitas membran sel bakteri. Membran sel yang menjadi lebih permeabel meningkatkan masuknya nutrisi ke dalam sel dan selanjutnya meningkatkan pertumbuhan (P ≺ 0,05). Amplitudo yang lebih tinggi dan durasi perlakuan sonikasi yang lebih lama mendorong pertumbuhan laktobasil dalam susu kedelai, dengan jumlah sel hidup melebihi 9 log CFU/mL. Aktivitas spesifik β-glukosidase intraseluler dan ekstraseluler laktobasil juga meningkat (P ≺ 0,05) akibat ultrasonikasi, sehingga meningkatkan biokonversi isoflavon dalam susu kedelai, khususnya genistin dan malonil genistin menjadi genistein. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa perlakuan ultrasonik pada sel laktobasil meningkatkan (P ≺ 0,05) aktivitas β-glukosidase sel sehingga mendukung peningkatan (P ≺ 0,05) biokonversi glukosida isoflavon menjadi aglikon bioaktif dalam susu kedelai. (bandingkan Ewe et al., 2012)

Mikrograf elektron pemindai laktobasil tanpa perlakuan (A) dan laktobasil yang diberi perlakuan ultrasonik pada amplitudo 60% selama 3 min (B). Lingkaran menunjukkan sel yang pecah dan sel dengan pori-pori.
(Penelitian dan gambar: ©Ewe et al., 2012)

Ekstraksi Senyawa Nutrisi dan Cita Rasa dalam Kombucha dan Minuman Fermentasi

Minuman teh, jus, dan sayuran fermentasi, misalnya jus apel atau murbei fermentasi atau kombucha dengan infusi buah, memperoleh manfaat yang signifikan dari perlakuan ultrasonik dalam hal cita rasa dan nutrisi. Gelombang ultrasonik mendisrupsi struktur seluler bahan tumbuhan dan melepaskan senyawa intraseluler seperti senyawa cita rasa, polifenol, antioksidan, dan flavonoid. Pada saat yang sama, homogenisasi ultrasonik menghasilkan minuman yang terdispersi dan teremulsi secara merata, sehingga mencegah pemisahan fase dan memberikan tampilan yang menarik bagi konsumen. Di bawah ini Anda dapat melihat contoh kombucha buah sea buckthorn yang diberi perlakuan ultrasonik tanpa pemisahan fase, dibandingkan dengan versi tanpa perlakuan.
Baca selengkapnya tentang ekstraksi cita rasa dan nutrisi secara ultrasonik!

Studi Kasus: Kombucha yang Diawetkan secara Ultrasonik

Perlakuan ultrasonik dapat memengaruhi mikroba dengan menstimulasi atau menginaktifkannya. Enzim juga dipengaruhi oleh sonikasi: ultrasonik dapat mengubah karakteristik enzim, substrat, dan reaksinya. Efek ultrasonik berfrekuensi rendah ini digunakan dalam pengolahan makanan sebagai alternatif nontermal untuk mempasteurisasi makanan dan minuman. Sonikasi menawarkan keunggulan berupa kontrol presisi atas parameter proses seperti amplitudo, waktu, suhu, dan tekanan, yang memungkinkan inaktivasi mikroorganisme secara terarah. Inaktivasi mikroba dalam kombucha dan minuman fermentasi memungkinkan peningkatan umur simpan dan stabilitas produk. Pengurangan mikroba dan enzim mempermudah distribusi komersial karena umur simpan produk akhir menjadi lebih panjang. Ultrasonikasi merupakan metode pasteurisasi nontermal yang telah digunakan dalam pengolahan makanan komersial seperti pasteurisasi jus. Khususnya pada amplitudo yang lebih tinggi, ultrasonik menginaktifkan bakteri dan khamir dengan merusak dinding sel. Hal ini memperlambat atau menghentikan pertumbuhan mikroba. Sebagai contoh, Kwaw et al. (2018) meneliti ultrasonik sebagai strategi pasteurisasi nontermal untuk jus murbei yang difermentasi dengan asam laktat. Jus murbei fermentasi yang diberi perlakuan ultrasonik memiliki kandungan senyawa fenolik yang lebih tinggi (1700,07 ± 2,44 μg/mL) daripada kontrol, yaitu jus murbei fermentasi tanpa perlakuan. “Di antara perlakuan nontermal individual, ultrasonikasi menyebabkan peningkatan signifikan (p < 0,05) pada sifat fenolik dan antioksidan jus murbei yang difermentasi dengan asam laktat dibandingkan dengan perlakuan cahaya berdenyut.” (Kwaw et al., 2018)
Meskipun kombucha dikenal sebagai minuman dengan kultur hidup, pengurangan mikroba secara terkontrol dapat digunakan untuk memperpanjang umur simpan minuman kombucha yang didistribusikan secara komersial.
Pasteurisasi termal biasa membunuh semua khamir dan bakteri hidup yang biasanya terdapat dalam kombucha dan merupakan salah satu faktor utama di balik efeknya yang mendukung kesehatan. Pasteurisasi ultrasonik merupakan metode pengawetan nontermal yang dapat digunakan untuk mengurangi jumlah mikroba atau menghilangkan mikroorganisme sepenuhnya. Artinya, produsen komersial dapat menerapkan ultrasonik pada amplitudo yang lebih rendah dan dalam waktu yang lebih singkat untuk menurunkan jumlah bakteri dan khamir tanpa menghilangkannya sepenuhnya. Dengan demikian, kultur hidup tetap ada dalam kombucha, meskipun jumlahnya lebih rendah, sehingga umur simpan dan waktu penyimpanan meningkat.

Hasil yang Terbukti secara Ilmiah pada Kombucha yang Diberi Perlakuan Ultrasonik

Dornan et al. (2020) menyelidiki efek ultrasonik berfrekuensi rendah pada kombucha yang dibuat dari buah sea buckthorn menggunakan sonikator UIP500hdT. Tim peneliti dapat menunjukkan berbagai efek menguntungkan ultrasonikasi terhadap penyiapan buah sea buckthorn dan fermentasi kombucha selanjutnya.

Ekstraksi Buah Sea Buckthorn secara Ultrasonik

Untuk sonikasi, buah sea buckthorn segar utuh (juga dikenal sebagai sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) dihaluskan menjadi pure menggunakan blender Vitamix selama 2 min. dH2O dengan volume setara 30% dari volume pure awal ditambahkan dan dicampurkan. Ultrasonik (90 W, 20 kHz, 10 min) diterapkan pada 200 mL pure yang telah diencerkan menggunakan prosesor ultrasonik UIP500hdT (lihat gambar di kiri). Waktu perlakuan dipilih untuk mengoptimalkan nutrisi dan mempertahankan sampel dalam kondisi menyerupai kondisi segar. Hasil ekstraksi ultrasonik menunjukkan peningkatan rendemen ekstraksi yang signifikan (P ≺ 0,05) sebesar 10% dari daging buah (dari 19,04 ± 0,08 menjadi 20,97 ± 0,29%) dan sebesar 7% dari biji (dari 14,81 ± 0,08 menjadi 15,83 ± 0,28%). Peningkatan rendemen minyak ini menegaskan fungsi sonikasi sebagai teknologi yang efektif dan ramah lingkungan untuk memaksimalkan nilai bahan baku. Ekstraksi ultrasonik dari buah sea buckthorn menghasilkan rendemen minyak yang lebih tinggi serta mengurangi waktu pemrosesan dan konsumsi daya, sekaligus menghindari penggunaan pelarut berbahaya.

Studi Kasus: Homogenisasi Ultrasonik Kombucha Buah Sea Buckthorn

Kombucha buah sea buckthorn (sanddorne) yang diberi perlakuan ultrasonik menunjukkan peningkatan stabilitas produk yang signifikan. Hingga hari ke-21 penyimpanan, kombucha buah yang disonikasi tetap homogen. Tidak teramatinya sineresis pada kombucha buah yang disonikasi selama seluruh penelitian (21 hari, lihat gambar di bawah) menunjukkan bahwa ultrasonik saja merupakan teknik emulsifikasi yang efektif untuk menghasilkan stabilitas produk dan mencegah pemisahan fase.

Pure sea buckthorn (P) tanpa dan dengan perlakuan ultrasonik (P+US) pada hari ke-0 dan ke-21.
Penelitian dan gambar:©Dornan et al., 2020.

Ultrasonikasi untuk Menghentikan Fermentasi

Empat sampel kombucha dibuat: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasonik), K+S (kombucha + sukrosa), dan K+S+US (kombucha + sukrosa + ultrasonik). Semua sampel disiapkan menggunakan 200 mL pure sea buckthorn (P) atau P+US dan 12,5 g SCOBY. K terdiri atas P dan SCOBY. K+US terdiri atas P+US dan SCOBY. K+S terdiri atas P, 15,0 g sukrosa, dan SCOBY. K+S+US terdiri atas P+US, 15,0 g sukrosa, dan SCOBY. Semua sampel dibiarkan berfermentasi di tempat gelap pada suhu ruang selama lima hari. Perlakuan sonikasi kedua (90 W, 20 kHz, 10 min) diterapkan pada K+US dan K+S+US untuk menghentikan fermentasi pada hari ke-5.

Efek Pengawetan Ultrasonik pada Kombucha

Pada kombucha sea buckthorn, sonikasi menurunkan beban mikroba awal sebesar 2,6 log CFU/mL, sehingga menghentikan proses fermentasi pada waktu yang dipilih untuk mencegah fermentasi berlebihan. Selain itu, pengurangan mikroba yang terkontrol membantu meningkatkan umur simpan dan stabilitas produk akhir, sehingga mempermudah distribusi komersial kombucha.
Baca selengkapnya tentang ultrasonikasi sebagai metode pasteurisasi jus nontermal!

Hasil Keseluruhan pada Kombucha yang Diberi Perlakuan Ultrasonik

Ultrasonikasi menurunkan beban mikroba awal sebesar 2,6 log CFU/mL, meningkatkan nilai ORAC sebesar 3%, dan meningkatkan indeks kelarutan air (WSI) sebesar 40% (dari 6,64 menjadi 9,29 g/g) tanpa sineresis. Hasil penelitian ini mengindikasikan bahwa penerapan ultrasonikasi dapat meningkatkan fungsionalitas senyawa fenolik selama fermentasi dan mampu mengurangi sineresis, meningkatkan rendemen minyak, menurunkan beban mikroba, dan meningkatkan ORAC dengan kehilangan mutu gizi yang minimal. (bandingkan Dornan et al., 2020)

Peralatan Ultrasonik untuk Pembuatan Kombucha yang Lebih Baik

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan ultrasonikator berkinerja tinggi, bioreaktor ultrasonik, serta aksesori untuk meningkatkan proses fermentasi, ekstraksi, dan pasteurisasi yang digunakan dalam produksi makanan dan minuman. Sistem pengolahan makanan ultrasonik Hielscher digunakan untuk beragam aplikasi sebagai teknologi yang aman, andal, dan hemat biaya untuk menghasilkan makanan dan minuman berkualitas tinggi. Pemasangan dan pengoperasian semua prosesor ultrasonik Hielscher sederhana: perangkat ini hanya membutuhkan sedikit ruang dan dapat dengan mudah dipasang pada fasilitas pengolahan yang sudah ada.
Hielscher Ultrasonics memiliki pengalaman panjang dalam penerapan ultrasonik berdaya tinggi di industri makanan dan minuman serta banyak cabang industri lainnya. Prosesor ultrasonik kami dilengkapi dengan sonotrode dan sel alir (bagian yang bersentuhan dengan cairan) yang mudah dibersihkan (pembersihan di tempat CIP / sterilisasi di tempat SIP). Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam pengoperasian 24/7. Penyesuaian amplitudo yang presisi dan opsi untuk beralih antara amplitudo rendah dan tinggi penting untuk menstimulasi atau menginaktifkan mikroorganisme. Dengan demikian, ultrasonikator yang sama dapat digunakan untuk menstimulasi mikroba guna meningkatkan fermentasi atau untuk menginaktifkan mikroorganisme guna pasteurisasi.
Teknologi mutakhir, kinerja tinggi, dan perangkat lunak canggih menjadikan perangkat Hielscher Ultrasonics andalan dalam proses fermentasi makanan Anda. Dengan kebutuhan ruang yang kecil dan pilihan pemasangan yang fleksibel, ultrasonikator Hielscher dapat dengan mudah diintegrasikan atau dipasang pada lini produksi yang sudah ada.

Standardisasi Proses dengan Hielscher Ultrasonics

Produk bermutu pangan harus diproduksi sesuai dengan Cara Produksi yang Baik (GMP) dan spesifikasi pengolahan yang terstandar. Sistem ekstraksi digital Hielscher Ultrasonics dilengkapi perangkat lunak cerdas yang memudahkan pengaturan dan pengendalian proses sonikasi secara presisi. Perekaman data otomatis mencatat semua parameter proses ultrasonik seperti energi ultrasonik (energi total dan bersih), amplitudo, suhu, dan tekanan (bila sensor suhu dan tekanan terpasang), beserta cap tanggal dan waktu pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda meninjau setiap lot yang diproses secara ultrasonik. Pada saat yang sama, reproduksibilitas dan mutu produk yang selalu tinggi terjamin.
Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam pengoperasian 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan. Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 pada beban kerja berat dan di lingkungan yang menantang.
Silakan hubungi kami sekarang untuk mengetahui lebih lanjut tentang fitur dan kemampuan sistem pasteurisasi ultrasonik kami. Kami akan dengan senang hati mendiskusikan aplikasi Anda bersama Anda!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: