Il kombucha è una bevanda fermentata che contiene tè, zucchero, batteri, lievito e spesso una piccola quantità di succo, frutta o spezie come aroma. Il kombucha, così come i succhi di frutta e di verdura fermentati, sono noti per avere effetti positivi sulla salute, rafforzando il microbiota e il sistema immunitario. L'ultrasuonazione controllata migliora la produzione di kombucha e di altre bevande fermentate in vari modi: Gli ultrasuoni possono stimolare la crescita di lieviti e batteri durante la fermentazione; estrarre polifenoli, flavonoidi e aromi da frutta, verdura ed erbe; e anche applicato come metodo di pastorizzazione non termica per la riduzione microbica prima del confezionamento. Gli ultrasuonatori Hielscher sono controllabili con precisione e possono fornire l'intensità ultrasonica più adatta per ogni fase di trattamento nella produzione di bevande fermentate.

Kombucha e bevande fermentate

Il kombucha è prodotto dalla fermentazione del tè zuccherato utilizzando una "cultura simbiotica di batteri e lieviti" (SCOBY), comunemente chiamata anche "madre” o "fungo del tè”. La varietà e il rapporto delle popolazioni microbiche in uno SCOBY può variare abbastanza significativamente. La componente di lievito include generalmente Saccharomyces cerevisiae, insieme ad altre specie di Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces, e Kluyveromyces; la componente batterica include quasi sempre Komagataeibacter xylinus (ex Gluconacetobacter xylinus), che fermenta gli alcoli prodotti dai lieviti in acidi acetici e altri acidi, aumentando l'acidità e limitando il contenuto di etanolo.
Allo stesso modo, altre bevande fermentate come i succhi di frutta e verdura fermentati sono inoculate con batteri e lieviti.
Un trattamento con ultrasuoni può migliorare l'efficienza della fermentazione e le caratteristiche qualitative della bevanda fermentata, compresi il contenuto di nutrienti e il sapore.

Fermentazione Kombucha intensificata ad ultrasuoni

Le onde ultrasoniche sono ben note per stimolare la crescita di batteri e lieviti. Una sonicazione leggera e controllata delle colture di kombucha (SCOBY, noto anche come fungo del tè, fungo del tè o fungo manciuriano) può quindi promuovere il processo di fermentazione e portare a rese di kombucha più elevate in un tempo di fermentazione accelerato.
La fermentazione stimolata dagli ultrasuoni mostra una maggiore permeabilizzazione della membrana e quindi un maggiore trasferimento di massa. Il trattamento sonomeccanico con onde ultrasoniche perfora le pareti cellulari e le membrane plasmatiche dei microrganismi (un processo chiamato sonoporazione). Alcune cellule potrebbero addirittura rompersi. Queste cellule distrutte rilasciano fattori di promozione della crescita come vitamine, nucleotidi, aminoacidi ed enzimi che potrebbero stimolare la crescita di batteri sia intatti a livello cellulare che compromessi a livello di membrana.
Il trattamento ultrasonico prima della fermentazione e nelle fasi lag e log ha mostrato gli effetti più importanti sulla stimolazione della crescita batterica.

La stimolazione ultrasonica della crescita microbica è più efficace quando gli ultrasuoni vengono applicati prima della fermentazione o nelle fasi lag e log.

Stimolazione ultrasonica della fermentazione del succo di mela

La ricerca ha dimostrato che il trattamento a ultrasuoni nelle fasi lag e logaritmica durante la fermentazione del succo di mela ha promosso la crescita microbica e intensificato la biotrasformazione dell'acido malico in acido lattico. Per esempio, dopo la sonicazione in fase lag per 0,5 h, la conta microbica e il contenuto di acido lattico nei campioni trattati con ultrasuoni a 58,3 W/L hanno raggiunto 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL e 133,70 ± 7,39 mg/L, che erano significativamente superiori a quelli dei campioni non sonicati. Inoltre, gli ultrasuoni nelle fasi lag e logaritmica hanno avuto influenze complesse sul metabolismo dei fenoli della mela come l'acido clorogenico, l'acido caffeico, la procianidina B2, la catechina e l'acido gallico. Gli ultrasuoni potevano influenzare positivamente l'idrolisi dell'acido clorogenico in acido caffeico, la trasformazione della procianidina B2 e la decarbossilazione dell'acido gallico. Il metabolismo degli acidi organici e degli aminoacidi liberi nei campioni sonicati era statisticamente correlato al metabolismo fenolico, implicando che gli ultrasuoni possono beneficiare della derivazione fenolica migliorando il metabolismo microbico degli acidi organici e degli aminoacidi. (cfr. Wang et al., 2021)

Fermentazione del latte di soia migliorata con gli ultrasuoni

Il team di ricerca di Ewe et al. (2012) ha studiato gli effetti degli ultrasuoni sull'efficienza metabolica dei ceppi di lattobacilli (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) durante la fermentazione del latte di soia. È stato osservato che il trattamento ultrasonico ha permeabilizzato le membrane cellulari dei batteri. Le membrane cellulari permeabilizzate hanno portato a una migliore internalizzazione dei nutrienti e a un successivo aumento della crescita (P ≺ 0,05). Ampiezze più elevate e durate più lunghe del trattamento di sonicazione hanno promosso la crescita dei lattobacilli nel latte di soia, con conteggi vitali superiori a 9 log CFU/mL. Anche le attività intracellulari ed extracellulari della β-glucosidasi specifica dei lattobacilli sono state potenziate (P ≺ 0,05) dalla sonicazione, portando ad un aumento della bioconversione degli isoflavoni nel latte di soia, in particolare della genistina e della malonil genistina in genisteina. I risultati di questo studio dimostrano che il trattamento ad ultrasuoni sulle cellule di lattobacilli promuove (P ≺ 0,05) l'attività della β-glucosidasi delle cellule a vantaggio di una maggiore (P ≺ 0,05) bioconversione degli isoflavoni glucosidi in agliconi bioattivi nel latte di soia. (cfr. Ewe et al., 2012)

Micrografie elettroniche a scansione di lattobacilli senza trattamento (A) e lattobacilli trattati con ultrasuoni al 60% di ampiezza per 3 min (B). Cerchi che mostrano cellule rotte e cellule con pori.
(Studio e immagini: ©Ewe et al., 2012)

Estrazione di composti nutrizionali e aromi in Kombucha e bevande fermentate

Tè, succhi e bevande vegetali fermentati, ad esempio succo di mela o di gelso fermentati o kombuchas infusi con frutta, traggono un beneficio significativo dal punto di vista del sapore e delle sostanze nutritive da un trattamento a ultrasuoni. Le onde ultrasoniche distruggono le strutture cellulari dei materiali vegetali e rilasciano composti intracellulari come aromi, polifenoli, antiossidanti e flavonoidi. Allo stesso tempo, l'omogeneizzazione a ultrasuoni fornisce una bevanda uniformemente dispersa ed emulsionata, impedendo la separazione di fase e offrendo un aspetto attraente per i consumatori. Potete vedere un esempio di un kombucha alle bacche di olivello spinoso trattato con gli ultrasuoni senza separazione di fase rispetto a una versione non trattata qui sotto.
Leggi di più sull'estrazione ultrasonica del sapore e dei nutrienti!

Ultrasuoni per la conservazione del Kombucha

Il trattamento a ultrasuoni può influenzare i microbi stimolandoli o inattivandoli. Anche gli enzimi sono influenzati dalla sonicazione: Gli ultrasuoni possono cambiare le caratteristiche degli enzimi, dei substrati e delle loro reazioni. Questi effetti degli ultrasuoni a bassa frequenza sono utilizzati nella lavorazione degli alimenti come alternativa non termica per pastorizzare il cibo e le bevande. La sonicazione offre il vantaggio di un controllo preciso dei parametri di processo come ampiezza, tempo, temperatura e pressione, che permette un'inattivazione mirata dei microrganismi. L'inattivazione della carica microbica nel kombucha e nelle bevande fermentate permette di aumentare la durata di conservazione e la stabilità del prodotto. Una riduzione dei microbi e degli enzimi facilita la distribuzione commerciale grazie a una durata di conservazione prolungata del prodotto finale. L'ultrasuonazione è un metodo di pastorizzazione non termico, che viene già utilizzato nella lavorazione commerciale degli alimenti come la pastorizzazione dei succhi di frutta. Specialmente ad ampiezze elevate, gli ultrasuoni inattivano i batteri e i lieviti danneggiando le pareti cellulari. Questo si traduce in una crescita microbica più lenta o arrestata. Per esempio, Kwaw et al. (2018) hanno studiato gli ultrasuoni come strategia di pastorizzazione non termica per il succo di gelso fermentato con acido lattico. Il succo di gelso fermentato trattato con gli ultrasuoni aveva un contenuto maggiore di composti fenolici (1700,07 ± 2,44 μg/mL) rispetto al controllo, un succo di gelso fermentato non trattato. "Tra i singoli trattamenti non termici, l'ultrasuonazione ha causato un significativo (p < 0.05) aumento delle proprietà fenoliche e antiossidanti del succo di gelso fermentato con acido lattico rispetto al trattamento con luce pulsata." (Kwaw et al., 2018) Mentre il kombucha è una bevanda nota per le sue culture di vita, una riduzione controllata dei microbi può essere utilizzata per prolungare la durata di conservazione delle bevande kombucha distribuite commercialmente. La pastorizzazione termica regolare uccide tutti i lieviti e i batteri vivi che sono normalmente presenti nel kombucha e sono uno dei principali fattori dei suoi effetti salutari. La pastorizzazione a ultrasuoni è un metodo di conservazione non termico, che può essere utilizzato per ridurre il numero di microbi o per eliminare completamente i microrganismi. Ciò significa che i produttori commerciali possono applicare gli ultrasuoni ad ampiezze inferiori e per periodi più brevi, al fine di ridurre il numero di batteri e lieviti senza eliminarli completamente. In questo modo, le colture vitali sono ancora presenti nel kombucha, anche se in numero inferiore, in modo da migliorare la durata di conservazione e i tempi di stoccaggio.

Risultati scientificamente provati nel Kombucha trattato con ultrasuoni

Dornan et al. (2020) hanno studiato gli effetti degli ultrasuoni a bassa frequenza sul kombucha fatto con bacche di olivello spinoso utilizzando il processore a ultrasuoni UIP500hdT. Il team di ricerca ha potuto dimostrare molteplici effetti benefici degli ultrasuoni sulla preparazione delle bacche di olivello spinoso e sulla successiva fermentazione del kombucha.

Estrazione ultrasonica delle bacche di olivello spinoso

Le bacche intere fresche di olivello spinoso (note anche come sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) sono state frullate con un frullatore Vitamix per 2 minuti. Un volume di dH2O pari al 30% del volume originale della purea è stato aggiunto e miscelato. Gli ultrasuoni (90 W, 20 kHz, 10 min) sono stati applicati a 200 mL della purea diluita usando un Processore a ultrasuoni UIP500hdT (Hielscher Ultrasonics, Germania). Il tempo di trattamento è stato scelto per ottimizzare i nutrienti e mantenere il campione allo stato fresco. I risultati dell'estrazione a ultrasuoni dimostrano un aumento significativo (P ≺ 0,05) del 10% della resa di estrazione dalla polpa (da 19,04 ± 0,08 a 20,97 ± 0,29%) e del 7% per i semi (da 14,81 ± 0,08 a 15,83 ± 0,28%). Questo aumento della resa in olio evidenzia la funzionalità della sonicazione come una tecnologia efficace e verde per massimizzare il valore della materia prima. L'estrazione a ultrasuoni dalle bacche di olivello spinoso ha portato a una maggiore resa in olio e a una riduzione dei tempi di lavorazione, del consumo di energia e dell'uso di solventi pericolosi.

Omogeneizzazione a ultrasuoni del Kombucha di bacche di olivello spinoso

Il kombucha di bacche di olivello spinoso (sanddorne) trattato con gli ultrasuoni ha mostrato una stabilità significativamente migliorata del prodotto. Al 21° giorno di conservazione, il kombucha di bacche sonicato è rimasto omogeneo. Il fatto che nessuna sineresi è stata osservata nel kombucha di bacche sonicato per tutto lo studio (21 giorni, vedi foto sotto) dimostra che gli ultrasuoni da soli sono una tecnica di emulsificazione efficace in grado di produrre stabilità del prodotto e di prevenire la separazione di fase.

Purea di olivello spinoso (P) senza e con trattamento a ultrasuoni (P+US) al giorno 0 e 21.
Studio e immagine:©Dornan et al., 2020.

Ultrasuoni per fermare la fermentazione

Sono stati fatti quattro campioni di kombucha: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasuoni), K+S (kombucha + saccarosio), e K+S+US (kombucha + saccarosio + ultrasuoni). Tutti i campioni sono stati preparati utilizzando 200 mL di purea di olivello spinoso (P) o P+US e 12,5 g di SCOBY. K consisteva in P e SCOBY. K+US consisteva di P+US e SCOBY. K+S consisteva di P, 15.0 g di saccarosio e SCOBY. K+S+US consisteva in P+US, 15.0 g di saccarosio e SCOBY. Tutti i campioni sono stati lasciati a fermentare in un luogo buio a temperatura ambiente per cinque giorni. Un secondo trattamento di sonicazione (90 W, 20 kHz, 10 min) è stato applicato a K+US e K+S+US per fermare la fermentazione il giorno 5.

Effetti della conservazione a ultrasuoni sul Kombucha

Nel kombucha di olivello spinoso, la sonicazione ha diminuito la carica microbica iniziale di 2,6 log CFU/mL, arrestando così il processo di fermentazione in un momento selezionato per evitare una fermentazione eccessiva. Inoltre, la riduzione microbica controllata aiuta ad aumentare la durata di conservazione e la stabilità del prodotto finale, il che facilita la distribuzione commerciale del kombucha.
Leggi di più sull'ultrasuonazione come metodo non termico di pastorizzazione del succo!

Risultati complessivi nel Kombucha trattato con ultrasuoni

Gli ultrasuoni hanno diminuito la carica microbica iniziale di 2,6 log CFU/mL, hanno aumentato il valore ORAC del 3% e hanno aumentato l'indice di solubilità in acqua (WSI) del 40% (da 6,64 a 9,29 g/g) senza sineresi. I risultati di questo studio suggeriscono che l'applicazione degli ultrasuoni può migliorare la funzionalità fenolica durante la fermentazione ed è in grado di diminuendo la sineresi, aumentando la resa dell'olio, diminuendo la carica microbica e aumentando l'ORAC con una minima perdita di qualità nutrizionale. (cfr. Dornan et al., 2020)

Attrezzatura a ultrasuoni per una migliore produzione di Kombucha

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: