Fermentazione del kombucha migliorata con gli ultrasuoni

La sonicazione favorisce la fermentazione negli alimenti fermentati a ultrasuoni, come il kombucha, il kimchi e altre verdure fermentate, aumentando il trasferimento di massa, disgregando le cellule microbiche, attivando gli enzimi e migliorando l'omogeneità, per accelerare i tassi di fermentazione e produrre un prodotto di qualità superiore. La sonicazione avvia cambiamenti benefici nei composti bioattivi durante la fermentazione lattica, aumentando il contenuto di composti nutrizionali e fitochimici.

Kombucha e bevande fermentate

Il kombucha viene prodotto facendo fermentare il tè zuccherato con una “Coltura simbiotica di batteri e lieviti” (SCOBY), comunemente chiamato anche “madre” o “fungo del tè”. La varietà e il rapporto delle popolazioni microbiche in uno SCOBY possono variare in modo significativo. La componente di lievito 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 (ex Gluconacetobacter xylinus), che fermenta gli alcoli prodotti dai lieviti in acetico 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.
Il trattamento con ultrasuoni può migliorare l'efficienza della fermentazione e le caratteristiche qualitative della bevanda fermentata, tra cui il contenuto di nutrienti e il sapore.

Fermentazione del kombucha intensificata con ultrasuoni

È noto che le onde di ultrasuoni stimolano la crescita di batteri e lieviti. Una leggera sonicazione controllata delle colture di kombucha (SCOBY, noto anche come fungo del tè, fungo del tè o fungo della Manciuria) può quindi promuovere il processo di fermentazione e portare a rese più elevate di kombucha in un tempo di fermentazione accelerato.
La fermentazione stimolata dagli ultrasuoni mostra una maggiore permeabilizzazione delle membrane e quindi un maggiore trasferimento di massa. Il trattamento sonomeccanico con onde ultrasonore perfora le pareti cellulari e le membrane plasmatiche dei microrganismi (un processo chiamato sonoporazione). Alcune cellule possono addirittura rompersi. Queste cellule disgregate rilasciano fattori che favoriscono la crescita, come vitamine, nucleotidi, aminoacidi ed enzimi, che potrebbero stimolare la crescita di batteri intatti o con membrana compromessa.
Il trattamento con ultrasuoni prima della fermentazione e nelle fasi lag e log ha mostrato gli effetti più evidenti sulla stimolazione della crescita batterica.

I benefici della sonicazione sulla fermentazione del Kombucha

In che modo gli ultrasuoni favoriscono il processo di fermentazione e aiutano a produrre kombucha, fermenti vegetali, koji, ecc. migliori? La sonicazione favorisce la fermentazione in diversi modi, che vengono illustrati di seguito nel contesto del kombucha fermentato. Il kombucha è una bevanda fermentata tradizionalmente prodotta con tè zuccherato e una coltura simbiotica di batteri e lieviti (SCOBY). Le puree di frutta diluite forniscono una base ricca di nutrienti e di sapore per la produzione di kombucha. Qui di seguito scoprirete come l'ultrasuonoterapia favorisce la produzione di un

• Aumento del trasferimento di massa: Le onde ultrasoniche creano microscopiche bolle di cavitazione nel liquido, portando alla 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 in modo più efficiente dai microrganismi in fermentazione, accelerando i tassi di fermentazione.
• Interruzione delle cellule: I sonicatori sono noti per la loro efficacia nella lisi e nell'estrazione delle cellule. Nella fermentazione alimentare, i sonicatori distruggono le pareti cellulari microbiche, liberando enzimi e metaboliti intracellulari che possono catalizzare ulteriormente le reazioni di fermentazione. Questa perturbazione aumenta il rilascio di composti aromatici, vitamine e acidi organici dalle cellule microbiche, contribuendo alla complessità del sapore e alla ricchezza di nutrienti del prodotto fermentato. Nel kombucha di olivello spinoso fermentato a ultrasuoni è possibile misurare una frazione significativamente più elevata di composti fenolici. (cfr. Dornan et al., 2020)
• Preparazione di substrati di fermentazione ricchi di nutrienti: L'estrazione a ultrasuoni aiuta a preparare un substrato di fermentazione che fornisce molti nutrienti in forma disponibile per la digestione microbica. Ciò significa che nei substrati di fermentazione trattati con ultrasuoni (ad esempio, puree di frutta e verdura) i composti bioattivi come amidi e zuccheri vengono liberati dalla matrice intracellulare delle cellule vegetali. I microbi possono nutrirsi facilmente del substrato, accelerando e abbreviando il processo di fermentazione. Lo stesso vale per polifenoli, flavonoidi e vitamine, che vengono liberati dalle matrici intracellulari e contribuiscono al valore nutrizionale complessivo degli alimenti o delle bevande fermentate.
• Potenziamento dell'attività enzimatica: La sonicazione attiva o potenzia l'attività di alcuni enzimi coinvolti nei processi di fermentazione. Ad esempio, aumenta l'attività della cellulasi e dell'amilasi, enzimi fondamentali per la scissione dei carboidrati complessi in zuccheri più semplici, che vengono poi fermentati dai microrganismi presenti nella coltura del kombucha.
• Omogeneità migliorata: Poiché le forze di sonicazione provocano sempre una miscelazione e un mescolamento, il trattamento a ultrasuoni garantisce una migliore omogeneizzazione della miscela di fermentazione, con conseguente distribuzione uniforme dei nutrienti e dei microrganismi in tutto il terreno di coltura. Questa uniformità favorisce una cinetica di fermentazione coerente e la produzione di un prodotto kombucha di alta qualità con attributi sensoriali desiderabili.

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

Caso di studio: Stimolazione a ultrasuoni della fermentazione del succo di mela

La ricerca ha dimostrato che il trattamento con ultrasuoni nelle fasi lag e logaritmica durante la fermentazione del succo di mela promuove la crescita microbica e intensifica la biotrasformazione dell'acido malico in acido lattico. Ad esempio, dopo la sonicazione in fase lag per 0,5 ore, 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, significativamente superiori a quelli dei campioni non sottoposti a sonicazione. 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 hanno influenzato 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, il che implica che gli ultrasuoni possono favorire la derivazione fenolica migliorando il metabolismo microbico degli acidi organici e degli aminoacidi. (cfr. Wang et al., 2021)

Caso di studio: Fermentazione del latte di soia migliorata con gli 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. acidophilus BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) durante la fermentazione del latte di soia. È stato osservato che il trattamento a ultrasuoni ha permeabilizzato le membrane cellulari dei batteri. La permeabilizzazione delle membrane cellulari ha determinato una migliore internalizzazione dei nutrienti e un conseguente aumento della crescita (P ≺ 0,05). Ampiezze maggiori e durate più lunghe del trattamento di sonicazione hanno favorito 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) dall'ultrasuono, con conseguente 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 con 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 dei glucosidi isoflavonici in agliconi bioattivi nel latte di soia (cfr. Ewe et al., 2012).

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

Estrazione di composti nutrizionali e aromi nel Kombucha e nelle bevande fermentate

Le bevande a base di tè, succhi e verdure fermentate, ad esempio il succo di mela o di gelso fermentato o i kombucha infusi di frutta, traggono notevoli benefici dal punto di vista del sapore e dei nutrienti dal trattamento a ultrasuoni. Le onde a ultrasuoni distruggono le strutture cellulari dei materiali vegetali e rilasciano composti intracellulari come aromi, polifenoli, antiossidanti e flavonoidi. Allo stesso tempo, l'omogeneizzazione a ultrasuoni consente di ottenere una bevanda uniformemente dispersa ed emulsionata, evitando la separazione delle fasi e offrendo un aspetto attraente per i consumatori. Qui di seguito è possibile vedere un esempio di kombucha alle bacche di olivello spinoso trattato con ultrasuoni senza separazione di fase rispetto a una versione non trattata.
Per saperne di più sull'estrazione ad ultrasuoni di aromi e sostanze nutritive!

Caso di studio: Kombucha conservato a ultrasuoni

Il trattamento con ultrasuoni può influenzare i microbi stimolandoli o 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 sono utilizzati nella lavorazione degli alimenti come alternativa non termica alla pastorizzazione di cibi e bevande. La sonicazione offre il vantaggio di un controllo preciso dei parametri del processo, come ampiezza, tempo, temperatura e pressione, che consente 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. La riduzione dei microbi e degli enzimi facilita la distribuzione commerciale grazie al prolungamento della durata di conservazione del prodotto finale. L'ultrasuonoterapia è un metodo di pastorizzazione non termico, già utilizzato nei processi alimentari commerciali, come la pastorizzazione dei succhi di frutta. Soprattutto ad ampiezze elevate, gli ultrasuoni inattivano i batteri e i lieviti danneggiando le pareti cellulari. Ciò comporta 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 fermentato con acido lattico. Il succo di gelso fermentato trattato con ultrasuoni presentava un contenuto più elevato 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'ultrasuonoterapia 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)
Sebbene il kombucha sia una bevanda nota per le sue colture vitali, è possibile utilizzare una riduzione controllata dei microbi per prolungare la durata di conservazione delle bevande kombucha distribuite in commercio.
La pastorizzazione termica regolare uccide tutti i lieviti e i batteri vivi che sono normalmente presenti nel kombucha e che sono uno dei fattori principali dei suoi effetti salutari. La pastorizzazione a ultrasuoni è un metodo di conservazione non termico, che può essere utilizzato per ridurre la carica microbica o per eliminare completamente i microrganismi. Ciò significa che i produttori commerciali possono applicare gli ultrasuoni a basse ampiezze 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 conservabilità 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 prodotto con bacche di olivello spinoso utilizzando il sonicatore UIP500hdT. Il team di ricerca ha potuto dimostrare molteplici effetti benefici dell'ultrasuono sulla preparazione delle bacche di olivello spinoso e sulla successiva fermentazione del kombucha.

Estrazione a ultrasuoni di bacche di olivello spinoso

Le bacche fresche intere di olivello spinoso (note anche come sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) sono state ridotte in purea con un frullatore Vitamix per 2 minuti. È stato aggiunto un volume di dH2O pari al 30% del volume della purea originale e si è proceduto alla miscelazione. Gli ultrasuoni (90 W, 20 kHz, 10 min) sono stati applicati a 200 mL di purea diluita utilizzando il processore a ultrasuoni UIP500hdT (vedi foto a sinistra). 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 tecnologia efficace e verde per massimizzare il valore della materia prima. L'estrazione a ultrasuoni dalle bacche di olivello spinoso ha permesso di ottenere una maggiore resa in olio e di ridurre i tempi di lavorazione, il consumo di energia e di evitare l'uso di solventi pericolosi.

Caso di studio: Omogeneizzazione a ultrasuoni del Kombucha alle bacche di olivello spinoso

Il kombucha di bacche di olivello spinoso (sanddorne) trattato con ultrasuoni ha mostrato una stabilità del prodotto significativamente migliorata. Al 21° giorno di conservazione, il kombucha di bacche sonicato è rimasto omogeneo. Il fatto che non sia stata osservata alcuna sineresi nel kombucha di bacche sonicato per l'intero studio (21 giorni, vedi foto sotto) dimostra che gli ultrasuoni da soli sono una tecnica di emulsionamento 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 al giorno 21.
Studio e immagine: ©Dornan et al., 2020.

Ultrasuoni per fermare 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 con 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 era composto da P+US e SCOBY. K+S consisteva in 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 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 il quinto giorno.

Effetti della conservazione a ultrasuoni sul 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 evitare una sovrafermentazione. Inoltre, la riduzione microbica controllata contribuisce ad aumentare la conservabilità e la stabilità del prodotto finale, facilitando la distribuzione commerciale del kombucha.
Per saperne di più sugli ultrasuoni come metodo di pastorizzazione non termica dei succhi!

Risultati complessivi del kombucha trattato con ultrasuoni

Gli ultrasuoni hanno ridotto la carica microbica iniziale di 2,6 log CFU/mL, aumentato il valore ORAC del 3% e incrementato 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 potenziare la funzionalità fenolica durante la fermentazione ed è in grado di riducendo la sineresi, aumentando la resa in olio, riducendo la carica microbica e aumentando l'ORAC con una perdita minima di qualità nutrizionale.. (cfr. Dornan et al., 2020)

Apparecchiature a ultrasuoni per una migliore produzione di Kombucha

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuonatori ad alte prestazioni, bioreattori ad ultrasuoni e accessori per migliorare i processi di fermentazione, estrazione e pastorizzazione utilizzati negli alimenti. & produzione di bevande. I sistemi di trattamento alimentare a ultrasuoni Hielscher sono utilizzati per molteplici applicazioni, essendo una tecnologia sicura, affidabile ed economica 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 installati 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 industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. La regolazione precisa dell'ampiezza e la possibilità di passare da un'ampiezza bassa a un'alta sono importanti per stimolare o inattivare i microrganismi. In questo modo, lo stesso ultrasuonatore può essere utilizzato sia per stimolare i microbi per aumentare la fermentazione, sia per inattivare i microrganismi 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 ultrasonici Hielscher possono essere facilmente integrati o adattati alle linee di produzione esistenti.

Standardizzazione dei processi con gli ultrasuoni Hielscher

I prodotti di grado alimentare devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. Hielscher Ultrasonics’ I sistemi di estrazione digitale sono dotati di un software intelligente che facilita l'impostazione e il controllo preciso del processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati scrive tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come l'energia degli ultrasuoni (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 integrata. Ciò consente di rivedere ogni lotto trattato a ultrasuoni. Allo stesso tempo, la riproducibilità e l'alta qualità del prodotto sono garantite.
Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
Contattateci 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 lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: