Fermentazione del kombucha migliorata mediante ultrasuoni

La sonicazione favorisce la fermentazione negli alimenti fermentati mediante ultrasuoni, come kombucha, kimchi e altre verdure fermentate, migliorando il trasferimento di massa, disgregando le cellule microbiche, attivando gli enzimi e migliorando l’omogeneità, con conseguente accelerazione della fermentazione e produzione di un prodotto di qualità superiore. La sonicazione induce cambiamenti benefici nei composti bioattivi durante la fermentazione lattica, aumentando il contenuto di composti nutritivi e fitochimici.

Kombucha e bevande fermentate

Il kombucha viene prodotto facendo fermentare tè zuccherato con una “coltura simbiotica di batteri e lieviti” (SCOBY), comunemente chiamata anche “madre” o “fungo del tè”. La varietà e le proporzioni delle popolazioni microbiche in uno SCOBY possono variare notevolmente. La componente dei lieviti comprende 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 comprende quasi sempre Komagataeibacter xylinus (precedentemente Gluconacetobacter xylinus), che fermenta gli alcoli prodotti dai lieviti trasformandoli in acido acetico e altri acidi, aumentando l’acidità e limitando il contenuto di etanolo.
Analogamente, altre bevande fermentate, come i succhi di frutta e verdura fermentati, vengono inoculate con batteri e lieviti.
Un trattamento con ultrasuoni può migliorare l’efficienza della fermentazione e le caratteristiche qualitative della bevanda fermentata, inclusi il contenuto di nutrienti e il sapore.

Fermentazione del kombucha intensificata mediante ultrasuoni

È noto che le onde ultrasoniche stimolano la crescita di batteri e lieviti. Una sonicazione delicata e controllata delle colture di kombucha (SCOBY, noto anche come fungo del tè o fungo della Manciuria) può quindi favorire il processo di fermentazione e aumentare la resa del kombucha riducendo i tempi di fermentazione.
La fermentazione stimolata mediante ultrasuoni presenta una maggiore permeabilizzazione delle membrane e, di conseguenza, un maggiore trasferimento di massa. Il trattamento sonomeccanico mediante onde ultrasoniche perfora le pareti cellulari e le membrane plasmatiche dei microrganismi (un processo chiamato sonoporazione). Alcune cellule possono persino rompersi. Queste cellule disgregate rilasciano fattori che favoriscono la crescita, come vitamine, nucleotidi, amminoacidi ed enzimi, che potrebbero stimolare la crescita sia dei batteri con cellule integre sia di quelli con membrane compromesse.
Il trattamento con ultrasuoni prima della fermentazione e durante le fasi di latenza e di crescita logaritmica ha mostrato gli effetti più marcati sulla stimolazione della crescita batterica.

I benefici della sonicazione sulla fermentazione del kombucha

In che modo gli ultrasuoni favoriscono il processo di fermentazione e contribuiscono a produrre kombucha, verdure fermentate, koji ecc. di qualità migliore? La sonicazione intensifica la fermentazione in diversi modi, illustrati di seguito nel contesto del kombucha fermentato. Il kombucha è una bevanda fermentata tradizionalmente preparata con tè zuccherato e una coltura simbiotica di batteri e lieviti (SCOBY). Le puree di frutta diluite forniscono una base ricca di nutrienti e saporita per la produzione del kombucha. Di seguito scoprirete come la sonicazione favorisce la produzione di un

• Maggiore trasferimento di massa: Le onde ultrasoniche creano microscopiche bolle di cavitazione nel liquido, provocando la formazione di microflussi, getti di liquido e turbolenze. Questa agitazione migliora il trasferimento di massa aumentando il contatto tra i microrganismi responsabili della fermentazione e i nutrienti presenti nel mezzo. Di conseguenza, i nutrienti vengono assorbiti più efficacemente dai microrganismi fermentanti, accelerando la fermentazione.
• Disgregazione cellulare: I sonicatori sono noti per la loro efficacia nella lisi cellulare e nell’estrazione. Nella fermentazione alimentare, i sonicatori disgregano le pareti cellulari microbiche, rilasciando enzimi intracellulari e metaboliti che possono catalizzare ulteriormente le reazioni di fermentazione. Questa disgregazione favorisce il rilascio di composti aromatici, vitamine e acidi organici dalle cellule microbiche, contribuendo alla complessità del sapore e alla ricchezza nutrizionale del prodotto fermentato. Nel kombucha di olivello spinoso fermentato mediante ultrasuoni si può misurare una frazione significativamente maggiore di composti fenolici. (cfr. Dornan et al., 2020)
• Preparazione di substrati di fermentazione ricchi di nutrienti: L’estrazione a ultrasuoni contribuisce a preparare un substrato di fermentazione che fornisce numerosi nutrienti in una forma disponibile per la digestione microbica. Ciò significa che, nei substrati di fermentazione trattati con ultrasuoni (ad es. puree di frutta e verdura), i composti bioattivi come amidi e zuccheri vengono liberati dalla matrice intracellulare delle cellule vegetali. I microrganismi possono nutrirsi facilmente del substrato, accelerando e abbreviando il processo di fermentazione. Lo stesso vale per polifenoli, flavonoidi e vitamine, che vengono rilasciati dalle matrici intracellulari e contribuiscono al valore nutrizionale complessivo degli alimenti o delle bevande fermentati.
• Maggiore attività enzimatica: La sonicazione attiva o aumenta l’attività di alcuni enzimi coinvolti nei processi di fermentazione. Ad esempio, aumenta l’attività della cellulasi e dell’amilasi, enzimi fondamentali per scomporre i carboidrati complessi in zuccheri più semplici, che vengono poi fermentati dai microrganismi presenti nella coltura di kombucha.
• Maggiore omogeneità: Poiché le forze generate dalla sonicazione producono sempre mescolamento e miscelazione, il trattamento con ultrasuoni garantisce una migliore omogeneizzazione della miscela di fermentazione, determinando una distribuzione uniforme di nutrienti e microrganismi in tutto il mezzo. Questa uniformità favorisce una cinetica di fermentazione costante e la produzione di un kombucha di alta qualità con caratteristiche sensoriali desiderabili.

La stimolazione della crescita microbica mediante ultrasuoni è più efficace quando gli ultrasuoni vengono applicati prima della fermentazione o durante le fasi di latenza e di crescita logaritmica.

Caso di studio: stimolazione mediante ultrasuoni della fermentazione del succo di mela

La ricerca ha dimostrato che il trattamento con ultrasuoni durante le fasi di latenza e di crescita logaritmica della fermentazione del succo di mela favoriva la crescita microbica e intensificava la biotrasformazione dell’acido malico in acido lattico. Ad esempio, dopo una sonicazione nella fase di latenza 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 rispettivamente 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL e 133,70 ± 7,39 mg/L, valori significativamente superiori a quelli dei campioni non sonicati. Inoltre, la sonicazione durante le fasi di latenza e di crescita logaritmica ha avuto effetti complessi sul metabolismo dei composti fenolici della mela, come acido clorogenico, acido caffeico, procianidina B2, catechina e 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 amminoacidi liberi nei campioni sonicati era statisticamente correlato al metabolismo fenolico, suggerendo che gli ultrasuoni possono favorire la formazione di derivati fenolici migliorando il metabolismo microbico degli acidi organici e degli amminoacidi. (cfr. Wang et al., 2021)

Caso di studio: fermentazione del latte di soia migliorata mediante ultrasuoni

Il gruppo di ricerca di Ewe et al. (2012) ha studiato gli effetti degli ultrasuoni sull’efficienza metabolica di 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 con ultrasuoni permeabilizzava le membrane cellulari dei batteri. Le membrane cellulari permeabilizzate determinavano un migliore assorbimento intracellulare dei nutrienti e un conseguente aumento della crescita (P ≺ 0,05). Ampiezze maggiori e durate più lunghe del trattamento di sonicazione favorivano la crescita dei lattobacilli nel latte di soia, con conte di cellule vitali superiori a 9 log CFU/mL. Anche le attività specifiche intracellulari ed extracellulari della β-glucosidasi dei lattobacilli aumentavano (P ≺ 0,05) grazie alla sonicazione, determinando una maggiore bioconversione degli isoflavoni nel latte di soia, in particolare della genistina e della malonil genistina in genisteina. I risultati di questo studio mostrano che il trattamento con ultrasuoni delle cellule di lattobacilli favorisce (P ≺ 0,05) l’attività della β-glucosidasi cellulare, migliorando (P ≺ 0,05) la bioconversione dei glucosidi isoflavonici in agliconi bioattivi nel latte di soia. (cfr. Ewe et al., 2012)

Micrografie elettroniche a scansione di lattobacilli non trattati (A) e di lattobacilli trattati con ultrasuoni al 60% di ampiezza per 3 min (B). I cerchi indicano cellule rotte e cellule con pori.
(Studio e immagini: ©Ewe et al., 2012)

Estrazione di composti nutritivi e aromi nel kombucha e nelle bevande fermentate

Le bevande fermentate a base di tè, succhi e verdure, ad esempio succo di mela o di gelso fermentato oppure kombucha con frutta in infusione, traggono notevoli benefici dal trattamento con ultrasuoni in termini di sapore e nutrienti. Le onde ultrasoniche disgregano le strutture cellulari dei materiali vegetali e rilasciano composti intracellulari come aromi, polifenoli, antiossidanti e flavonoidi. Allo stesso tempo, l’omogeneizzazione a ultrasuoni produce una bevanda uniformemente dispersa ed emulsionata, prevenendo la separazione di fase e offrendo un aspetto gradevole ai consumatori. Di seguito è possibile vedere un esempio di kombucha di bacche di olivello spinoso trattato con ultrasuoni, privo di separazione di fase, confrontato con una versione non trattata.
Scoprite di più sull’estrazione di aromi e nutrienti mediante ultrasuoni!

Caso di studio: conservazione del kombucha mediante ultrasuoni

Il trattamento con ultrasuoni può influenzare i microrganismi stimolandoli oppure inattivandoli. Anche gli enzimi sono influenzati dalla sonicazione: gli ultrasuoni possono modificare le caratteristiche degli enzimi, dei substrati e delle loro reazioni. Questi effetti degli ultrasuoni a bassa frequenza vengono utilizzati nella lavorazione alimentare come alternativa non termica per pastorizzare alimenti e bevande. La sonicazione offre il vantaggio di un controllo preciso dei parametri di processo, come ampiezza, tempo, temperatura e pressione, consentendo un’inattivazione mirata dei microrganismi. L’inattivazione della carica microbica nel kombucha e nelle bevande fermentate consente di aumentare la durata di conservazione e la stabilità del prodotto. Una riduzione dei microrganismi e degli enzimi facilita la distribuzione commerciale grazie alla maggiore durata di conservazione del prodotto finale. La sonicazione è un metodo di pastorizzazione non termica già utilizzato nella lavorazione alimentare commerciale, ad esempio per la pastorizzazione dei succhi. Soprattutto ad ampiezze maggiori, gli ultrasuoni inattivano batteri e lieviti danneggiandone le pareti cellulari. Ciò determina un rallentamento o un arresto della crescita microbica. Ad esempio, Kwaw et al. (2018) hanno studiato gli ultrasuoni come strategia di pastorizzazione non termica per il succo di gelso sottoposto a fermentazione lattica. Il succo di gelso fermentato trattato con ultrasuoni presentava un contenuto di composti fenolici maggiore (1700,07 ± 2,44 μg/mL) rispetto al controllo, un succo di gelso fermentato non trattato. “Tra i singoli trattamenti non termici, la sonicazione ha provocato un aumento significativo (p < 0,05) delle proprietà fenoliche e antiossidanti del succo di gelso sottoposto a fermentazione lattica rispetto al trattamento con luce pulsata.” (Kwaw et al., 2018)
Sebbene il kombucha sia una bevanda nota per le sue colture vive, una riduzione controllata dei microrganismi può essere utilizzata per prolungare la durata di conservazione delle bevande a base di kombucha distribuite commercialmente.
La normale pastorizzazione termica uccide tutti i lieviti e i batteri vivi normalmente presenti nel kombucha, che sono uno dei principali fattori responsabili dei suoi effetti benefici per la salute. La pastorizzazione a ultrasuoni è un metodo di conservazione non termico che può essere utilizzato sia per ridurre le conte microbiche sia per eliminare completamente i microrganismi. Ciò significa che i produttori commerciali possono applicare gli ultrasuoni ad ampiezze inferiori e per periodi più brevi per ridurre il numero di batteri e lieviti senza eliminarli completamente. In questo modo, nel kombucha sono ancora presenti colture vive, seppure in quantità inferiori, migliorando la durata di conservazione e i tempi di stoccaggio.

Risultati scientificamente dimostrati nel kombucha trattato con ultrasuoni

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

Estrazione mediante ultrasuoni dalle bacche di olivello spinoso

Per la sonicazione, le bacche fresche e intere di olivello spinoso (noto anche come sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) sono state ridotte in purea utilizzando un frullatore Vitamix per 2 min. È stato aggiunto un volume di dH2O pari al 30% del volume originale della purea e la miscela è stata frullata. Gli ultrasuoni (90 W, 20 kHz, 10 min) sono stati applicati a 200 mL della purea diluita utilizzando il processore a ultrasuoni UIP500hdT (vedere l’immagine a sinistra). Il tempo di trattamento è stato scelto per ottimizzare i nutrienti e mantenere il campione in uno stato simile a quello fresco. I risultati dell’estrazione a ultrasuoni dimostrano un aumento significativo (P ≺ 0,05) della resa di estrazione del 10% per la 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 tecnologia efficace ed ecologica per massimizzare il valore della materia prima. L’estrazione mediante ultrasuoni dalle bacche di olivello spinoso ha determinato una maggiore resa in olio, una riduzione dei tempi di lavorazione e del consumo energetico e l’eliminazione dell’impiego di solventi pericolosi.

Caso di studio: omogeneizzazione a ultrasuoni del kombucha di bacche di olivello spinoso

Il kombucha di bacche di olivello spinoso (sanddorne) trattato con ultrasuoni ha mostrato una stabilità del prodotto significativamente migliore. Al giorno 21 di conservazione, il kombucha di bacche sonicato era ancora omogeneo. Il fatto che non sia stata osservata sineresi nel kombucha di bacche sonicato per tutta la durata dello studio (21 giorni, vedere l’immagine seguente) dimostra che gli ultrasuoni da soli costituiscono una tecnica di emulsificazione efficace, in grado di conferire stabilità al prodotto e prevenire la separazione di fase.

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

Sonicazione per arrestare la fermentazione

Sono stati preparati 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 era composto da P e SCOBY. K+US era composto da P+US e SCOBY. K+S era composto da P, 15,0 g di saccarosio e SCOBY. K+S+US era composto da P+US, 15,0 g di saccarosio e SCOBY. Tutti i campioni sono stati lasciati 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 arrestare la fermentazione al giorno 5.

Effetti degli ultrasuoni sulla conservazione del kombucha

Nel kombucha di olivello spinoso, la sonicazione ha ridotto la carica microbica iniziale di 2,6 log CFU/mL, arrestando così il processo di fermentazione in un momento prestabilito per prevenire una fermentazione eccessiva. Inoltre, la riduzione controllata dei microrganismi contribuisce ad aumentare la durata di conservazione e la stabilità del prodotto finale, facilitando la distribuzione commerciale del kombucha.
Scoprite di più sulla sonicazione come metodo di pastorizzazione non termica dei succhi!

Risultati complessivi nel kombucha trattato con ultrasuoni

La sonicazione ha ridotto la carica microbica iniziale di 2,6 log CFU/mL, aumentato il valore ORAC del 3% e 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 della sonicazione può migliorare la funzionalità dei composti fenolici durante la fermentazione ed è in grado di ridurre la sineresi, aumentare la resa in olio, ridurre la carica microbica e aumentare l’ORAC con una perdita minima di qualità nutrizionale. (cfr. Dornan et al., 2020)

Apparecchiature a ultrasuoni per migliorare la produzione del kombucha

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce sonicatori ad alte prestazioni, bioreattori a ultrasuoni e accessori per migliorare i processi di fermentazione, estrazione e pastorizzazione utilizzati nella produzione di alimenti e bevande. I sistemi Hielscher per la lavorazione alimentare mediante ultrasuoni vengono utilizzati in molteplici applicazioni e costituiscono una tecnologia sicura, affidabile ed economicamente efficiente per produrre alimenti e bevande di alta qualità. L’installazione e il funzionamento di tutti i processori a ultrasuoni Hielscher sono semplici: richiedono poco spazio e possono essere facilmente integrati negli impianti di lavorazione esistenti.
Hielscher Ultrasonics vanta una lunga esperienza nell’applicazione degli ultrasuoni di potenza nell’industria alimentare e delle bevande, oltre che in molti altri settori industriali. I nostri processori a ultrasuoni sono dotati di sonotrodi e celle di flusso (le parti a contatto con il prodotto) facili da pulire (pulizia in loco CIP / sterilizzazione in loco SIP). I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. La regolazione precisa delle ampiezze e la possibilità di passare da ampiezze basse ad alte sono importanti per stimolare o inattivare i microrganismi. Pertanto, lo stesso sonicatore può essere utilizzato sia per stimolare i microrganismi intensificando la fermentazione sia per inattivarli ai fini della pastorizzazione.
Tecnologia all’avanguardia, prestazioni elevate e software sofisticato rendono le apparecchiature di Hielscher Ultrasonics strumenti di lavoro affidabili per il vostro processo di fermentazione alimentare. Grazie all’ingombro ridotto e alle versatili opzioni di installazione, i sonicatori Hielscher possono essere facilmente integrati nelle linee di produzione esistenti.

Standardizzazione del processo con Hielscher Ultrasonics

I prodotti per uso alimentare dovrebbero essere realizzati secondo le buone pratiche di fabbricazione (GMP) e specifiche di lavorazione standardizzate. I sistemi digitali di estrazione di Hielscher Ultrasonics sono dotati di software intelligente che consente di impostare e controllare con precisione il processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati memorizza sulla scheda SD integrata tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come energia ultrasonica (energia totale e netta), ampiezza, temperatura e pressione (quando sono installati i sensori di temperatura e pressione), con data e ora. Ciò consente di riesaminare ogni lotto trattato con ultrasuoni. Allo stesso tempo, vengono garantite la riproducibilità e una qualità del prodotto costantemente elevata.
I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 con carichi di lavoro elevati e in ambienti impegnativi.
Contattateci subito per saperne di più sulle caratteristiche e sulle 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 trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: