Fermentazione del Kombucha migliorata con gli ultrasuoni

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.

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Bioreattore a ultrasuoni con sonda a ultrasuoni da 2000 watt per migliorare i processi di fermentazione, ad esempio per la produzione di kombucha e altre bevande fermentate.

Bioreattore a ultrasuoni per la stimolazione della crescita di batteri e lieviti. La stimolazione a ultrasuoni dei microrganismi si traduce in un miglioramento dei processi di fermentazione.

Come gli ultrasuoni migliorano la fermentazione del Kombucha?

  • Fermentazione più efficiente
  • Estrazione di composti nutrizionali (per esempio, polifenoli, flavonoidi ecc.)
  • Estrazione di composti aromatici
  • Conservazione, stabilizzazione microbica

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.

Il trattamento a ultrasuoni dei microrganismi può stimolare la loro crescita, migliorando così i successivi processi di fermentazione. (grafico adattato da Michal Komoniczak)

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

Sonda ad ultrasuoni per l'estrazione e la fermentazione di succhi di frutta e verdura.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)

Gli ultrasuoni perforano le membrane cellulari dei lattobacilli, il che ha promosso l'assorbimento dei nutrienti e la crescita dei lattobacilli nel latte di soia. Questo ha portato a un aumento delle attività dell'enzima b-glucosidasi durante la fermentazione.

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!

Gli ultrasuoni ad alta intensità sono introdotti nei reattori biochimici per migliorare i processi di fermentazione.

Bioreattore a ultrasuoni con 4x UIP4000hdT per migliorare i processi di fermentazione

Ultrasuoni per la conservazione del Kombucha

Omogeneizzatore in linea a ultrasuoni per la pastorizzazione di succhi, latticini e uova liquideIl 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.

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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.

L'ultrasuonazione migliora la stabilità del kombucha di bacche di olivello spinoso.

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

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuoni ad alte prestazioni, bioreattori ad ultrasuoni e accessori per migliorare i processi di fermentazione, estrazione e pastorizzazione utilizzati nel settore alimentare. & produzione di bevande. I sistemi ad ultrasuoni Hielscher per la lavorazione degli alimenti sono utilizzati per molteplici applicazioni essendo una tecnologia sicura, affidabile e conveniente per produrre cibi e bevande di alta qualità. L'installazione e il funzionamento di tutti i processori a ultrasuoni Hielscher è semplice: Richiedono solo poco spazio e possono essere facilmente adattati in impianti di lavorazione esistenti.
Hielscher Ultrasonics ha una lunga esperienza nell'applicazione degli ultrasuoni di potenza nel settore alimentare & l'industria delle bevande e molti altri settori industriali. I nostri processori a ultrasuoni sono dotati di sonotrodi e celle di flusso (le parti umide) facili da pulire (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente eseguite in modo continuo in un funzionamento 24/7. La regolazione precisa delle ampiezze e l'opzione di passare tra ampiezze basse e alte sono importanti per stimolare o inattivare i microrganismi. In questo modo, lo stesso ultrasuonatore può essere utilizzato sia per stimolare i microbi che aumentano la fermentazione, sia per inattivare i microorganismi per la pastorizzazione.
Tecnologia all'avanguardia, alte prestazioni e software sofisticato fanno di Hielscher Ultrasonics’ cavalli di battaglia affidabili nel vostro processo di fermentazione alimentare. Con un ingombro ridotto e opzioni di installazione versatili, gli ultrasuoni Hielscher possono essere facilmente integrati o adattati a linee di produzione esistenti.

Standardizzazione dei processi con Hielscher Ultrasonics

Gli ultrasuonatori Hielscher possono essere controllati a distanza tramite un controllo via browser. I parametri di sonicazione possono essere monitorati e regolati con precisione in base ai requisiti del processo.I prodotti di qualità alimentare devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. I sistemi di estrazione digitale di Hielscher Ultrasonics sono dotati di un software intelligente, che rende facile impostare e controllare con precisione il processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati scrive tutti i parametri di processo ad ultrasuoni come l'energia ultrasonica (energia totale e netta), l'ampiezza, la temperatura, la pressione (quando sono montati i sensori di temperatura e pressione) con data e ora sulla scheda SD incorporata. Questo permette di rivedere ogni lotto elaborato ad ultrasuoni. Allo stesso tempo, sono garantite la riproducibilità e la qualità del prodotto costantemente elevata.
Ultrasuoni Hielscher’ i processori ad ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
Contattateci per saperne di più sulle caratteristiche e la capacità dei nostri sistemi di pastorizzazione a ultrasuoni. Saremo lieti di discutere con voi della vostra applicazione!

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

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze

Particolarità / Cose da sapere

Fermentazione del Kombucha

Il termine “kombucha” così come il processo di produzione del kombucha non è regolato legalmente. Questo significa che molte bevande fermentate sono vendute come bevanda kombucha, ma nel senso tradizionale “kombucha” è una bevanda a base di tè fermentato. Il kombucha è fatto aggiungendo la cultura del kombucha in un brodo di tè zuccherato. Lo zucchero serve come nutriente per lo SCOBY che permette ai batteri e al lievito di crescere nel liquido zuccherato. I batteri dell'acido acetico nel kombucha sono aerobici, il che significa che richiedono ossigeno per la loro crescita e attività. Durante la fermentazione, avviene una conversione biochimica che converte il saccarosio in fruttosio e glucosio. Il fruttosio e il glucosio sono successivamente convertiti in acido gluconico e acido acetico. Inoltre, il kombucha contiene enzimi e aminoacidi, polifenoli e vari altri acidi organici che variano tra le preparazioni. Altri componenti specifici includono etanolo, acido glucuronico, glicerolo, acido lattico, acido usnico, vitamine del gruppo B e vitamina C. Il contenuto di alcol del kombucha è solitamente inferiore allo 0,5% poiché il ceppo di batteri Komagataeibacter xylinus converte l'etanolo in acidi (come l'acido acetico). Tuttavia, una fermentazione prolungata aumenta il contenuto di alcol. La fermentazione eccessiva genera quantità elevate di acidi simili all'aceto. Le bevande Kombucha hanno tipicamente un valore di pH di circa 3,5.


Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.