超音波によるコンブチャ発酵の改善

超音波処理は、物質移動の促進、微生物細胞の破砕、酵素の活性化、均質性の向上を通じて、コンブチャ、キムチ、その他の発酵野菜など、超音波を利用した発酵食品の発酵を促進し、最終的に発酵速度の向上と、より優れた品質の製品の製造につながります。超音波処理は乳酸発酵中に生理活性化合物に有益な変化をもたらし、栄養成分やフィトケミカルの含有量を増加させます。

コンブチャと発酵飲料

コンブチャは、一般に「マザー」または「紅茶キノコ」とも呼ばれる「細菌と酵母の共生培養物」（SCOBY）を用いて、砂糖を加えた茶を発酵させることで製造されます。SCOBY内の微生物集団の種類と比率は、かなり大きく異なる場合があります。酵母成分には通常、Saccharomyces cerevisiaeに加え、Zygosaccharomyces、Candida、Kloeckera/Hanseniaspora、Torulaspora、Pichia、Brettanomyces/Dekkera、Saccharomyces、Lachancea、Saccharomycoides、Schizosaccharomyces、Kluyveromycesの他の種が含まれます。細菌成分にはほぼ常にKomagataeibacter xylinus（旧称Gluconacetobacter xylinus）が含まれ、この細菌は酵母が生成したアルコール類を酢酸やその他の酸へと発酵させ、酸度を高めるとともにエタノール含有量を抑制します。
同様に、発酵果汁や発酵野菜ジュースなど、その他の発酵飲料にも細菌と酵母を接種します。
超音波処理は、発酵効率や、栄養成分含有量と風味を含む発酵飲料の品質特性を改善できます。

超音波によるコンブチャ発酵の強化

超音波が細菌と酵母の増殖を刺激することは、よく知られています。そのため、コンブチャの培養物（SCOBY、紅茶キノコ、茶菌、満州キノコとも呼ばれます）に対する制御された穏やかな超音波処理は、発酵プロセスを促進し、発酵時間を短縮しながらコンブチャの収量を増加させることができます。
超音波で刺激した発酵では、膜の透過性が高まり、それによって物質移動が増加します。超音波による機械的処理は、微生物の細胞壁と細胞膜に孔を形成します（ソノポレーションと呼ばれるプロセス）。一部の細胞は破裂することさえあります。これらの破砕された細胞は、ビタミン、ヌクレオチド、アミノ酸、酵素などの増殖促進因子を放出します。これらは、細胞が損傷していない細菌だけでなく、膜が損傷した細菌の増殖も刺激する可能性があります。
発酵前、および誘導期と対数増殖期に行う超音波処理は、細菌の増殖刺激に最も顕著な効果を示しました。

コンブチャ発酵における超音波処理の利点

超音波はどのように発酵プロセスを促進し、より良いコンブチャ、発酵野菜、麹などの製造に役立つのでしょうか？超音波処理はさまざまな方法で発酵を強化します。以下では、発酵コンブチャを例にそれらを説明します。コンブチャは、伝統的に砂糖を加えた茶と、細菌と酵母の共生培養物（SCOBY）から作られる発酵飲料です。希釈した果実ピューレは、コンブチャの製造に栄養豊富で風味の良いベースを提供します。以下では、超音波処理がどのように製造を促進するかについて、

• 物質移動の増加： 超音波は液体中に微小なキャビテーション気泡を発生させ、微小流、液体ジェット、乱流を形成します。この撹拌作用は、発酵を担う微生物と培地中の栄養素との接触を増やすことで、物質移動を促進します。その結果、発酵微生物が栄養素をより効率的に吸収し、発酵速度が向上します。
• 細胞破砕： 超音波処理装置は、細胞溶解と抽出における有効性でよく知られています。食品の発酵では、超音波処理装置が微生物の細胞壁を破砕し、発酵反応をさらに触媒できる細胞内酵素や代謝物を放出します。この破砕は、微生物細胞からの風味成分、ビタミン、有機酸の放出を促進し、発酵製品の複雑な風味と豊富な栄養に寄与します。超音波を利用して発酵させたシーバックソーンのコンブチャでは、フェノール性化合物の画分が有意に多いことを測定できます。（参照：Dornan et al., 2020）
• 栄養豊富な発酵基質の調製： 超音波抽出は、微生物が消化できる形で多くの栄養素を供給する発酵基質の調製に役立ちます。つまり、超音波処理した発酵基質（例：果実や野菜のピューレ）では、デンプンや糖類などの生理活性化合物が植物細胞の細胞内マトリックスから放出されます。微生物はこの基質を容易に利用できるため、発酵プロセスが促進され、短縮されます。同じことがポリフェノール、フラボノイド、ビタミンにも当てはまります。これらは細胞内マトリックスから放出され、発酵食品や発酵飲料の総合的な栄養価に寄与します。
• 酵素活性の向上： 超音波処理は、発酵プロセスに関与する特定の酵素を活性化するか、その活性を高めます。例えば、複雑な炭水化物をより単純な糖に分解するために不可欠な酵素であるセルラーゼとアミラーゼの活性を高めます。その後、これらの糖はコンブチャの培養物中に存在する微生物によって発酵されます。
• 均質性の向上： 超音波処理による力は常に混合と混和をもたらすため、超音波処理によって発酵混合物の均質化が向上し、栄養素と微生物が培地全体に均一に分布します。この均一性は、一貫した発酵動態と、望ましい官能特性を備えた高品質のコンブチャ製品の製造を促進します。

微生物の増殖に対する超音波刺激は、発酵前、または誘導期と対数増殖期に超音波を適用した場合に最も効果的です。

事例研究：リンゴジュース発酵の超音波刺激

研究により、リンゴジュースの発酵中の誘導期と対数増殖期に超音波処理を行うと、微生物の増殖が促進され、リンゴ酸から乳酸への生物変換が強化されることが示されました。例えば、誘導期に0.5 hの超音波処理を行った後、58.3 W/Lで超音波処理したサンプルの微生物数と乳酸含有量は、それぞれ7.91 ± 0.01 Log CFU/mLと133.70 ± 7.39 mg/Lに達し、超音波処理していないサンプルよりも有意に高くなりました。さらに、誘導期と対数増殖期の超音波処理は、クロロゲン酸、カフェ酸、プロシアニジンB2、カテキン、没食子酸など、リンゴに含まれるフェノール性化合物の代謝に複雑な影響を及ぼしました。超音波は、クロロゲン酸のカフェ酸への加水分解、プロシアニジンB2の変換、没食子酸の脱炭酸に良い影響を与える可能性があります。超音波処理したサンプル中の有機酸と遊離アミノ酸の代謝は、フェノール性化合物の代謝と統計的に相関していました。このことは、超音波が微生物による有機酸とアミノ酸の代謝を改善することで、フェノール性化合物の誘導体形成に有益に働く可能性を示唆しています。（参照：Wang et al., 2021）

事例研究：超音波による豆乳発酵の改善

Ewe et al. (2012)の研究チームは、豆乳発酵中の乳酸桿菌の菌株（Lactobacillus acidophilus BT 1088、L. fermentum BT 8219、L. acidophilus FTDC 8633、L. gasseri FTDC 8131）の代謝効率に対する超音波の影響を調査しました。超音波処理により、細菌の細胞膜の透過性が高まることが観察されました。細胞膜の透過性が高まった結果、栄養素の細胞内取り込みが改善され、その後の増殖が促進されました（P ≺ 0.05）。超音波処理の振幅を高くし、処理時間を長くすると、豆乳中の乳酸桿菌の増殖が促進され、生菌数は9 log CFU/mLを超えました。超音波処理によって、乳酸桿菌の細胞内および細胞外のβ-グルコシダーゼ比活性も向上し（P ≺ 0.05）、豆乳中のイソフラボン、特にゲニスチンおよびマロニルゲニスチンからゲニステインへの生物変換が増加しました。この研究結果は、乳酸桿菌細胞への超音波処理が細胞のβ-グルコシダーゼ活性を促進し（P ≺ 0.05）、豆乳中のイソフラボン配糖体から生理活性アグリコンへの生物変換の向上（P ≺ 0.05）に役立つことを示しています。（参照：Ewe et al., 2012）

未処理の乳酸桿菌（A）と、振幅60%で3 minの超音波処理を行った乳酸桿菌（B）の走査電子顕微鏡画像。円は、破裂した細胞と孔のある細胞を示しています。
（研究および画像：©Ewe et al., 2012）

コンブチャと発酵飲料における栄養成分と風味の抽出

発酵茶、発酵果汁、発酵野菜飲料、例えば発酵リンゴジュースや発酵桑の実ジュース、果実を浸漬したコンブチャは、超音波処理によって風味と栄養の両面で大きな恩恵を受けます。超音波は植物材料の細胞構造を破砕し、風味成分、ポリフェノール、抗酸化物質、フラボノイドなどの細胞内化合物を放出します。同時に、超音波による均質化は、均一に分散・乳化した飲料を形成し、相分離を防ぐとともに、消費者にとって魅力的な外観をもたらします。以下では、超音波処理によって相分離を起こしていないシーバックソーン果実のコンブチャと、未処理のものを比較した例をご覧いただけます。
超音波による風味成分と栄養成分の抽出について、詳しくはこちら！

事例研究：超音波によるコンブチャの保存

超音波処理は、微生物を刺激するか不活化することで、微生物に影響を与えることができます。酵素も超音波処理の影響を受けます。超音波は、酵素や基質、およびそれらの反応の特性を変えることができます。低周波超音波のこれらの作用は、食品加工において、食品や飲料を低温殺菌するための非加熱の代替手段として利用されています。超音波処理には、振幅、時間、温度、圧力などのプロセスパラメーターを精密に制御できるという利点があり、これによって微生物を狙いどおりに不活化できます。コンブチャや発酵飲料中の微生物を不活化することで、保存期間と製品の安定性を向上させることができます。微生物と酵素の減少は、最終製品の保存期間を延長するため、商業流通を容易にします。超音波処理は非加熱の低温殺菌法であり、ジュースの低温殺菌など、商業的な食品加工ですでに使用されています。特に高い振幅では、超音波が細胞壁を損傷することで細菌と酵母を不活化します。その結果、微生物の増殖が遅くなるか、停止します。例えば、Kwaw et al. (2018)は、乳酸発酵させた桑の実ジュースの非加熱低温殺菌手法として超音波を調査しました。超音波処理した発酵桑の実ジュースは、対照である未処理の発酵桑の実ジュースよりもフェノール性化合物の含有量が高くなりました（1700.07 ± 2.44 μg/mL）。「個々の非加熱処理のうち、超音波処理は、パルス光処理と比較して、乳酸発酵させた桑の実ジュースのフェノール性成分に関する特性および抗酸化特性を有意に（p < 0.05）増大させました。」（Kwaw et al., 2018）
コンブチャは生きた培養微生物を含む飲料として知られていますが、商業流通するコンブチャ飲料の保存期間を延長するために、微生物を制御しながら減少させることができます。
通常の加熱低温殺菌は、コンブチャに通常存在し、その健康増進効果の主要な要因の一つである生きた酵母と細菌をすべて死滅させます。超音波による低温殺菌は非加熱の保存法であり、微生物数を減らすためにも、微生物を完全に除去するためにも使用できます。つまり、商業生産者は、振幅を低くし、処理時間を短くして超音波を適用することで、細菌と酵母を完全には除去せずに、その数を減らすことができます。その結果、コンブチャには生きた培養微生物が引き続き存在しますが、その数が少なくなるため、保存期間と保管可能期間が改善されます。

超音波処理したコンブチャで科学的に実証された結果

Dornan et al. (2020)は、超音波処理装置UIP500hdTを使用して、シーバックソーン果実から作ったコンブチャに対する低周波超音波の影響を調査しました。この研究チームは、シーバックソーン果実の調製と、それに続くコンブチャの発酵に対する超音波処理の複数の有益な効果を示すことができました。

シーバックソーン果実の超音波抽出

超音波処理に用いる新鮮なシーバックソーンの果実全体（sanddorneとも呼ばれます；H. rhamnoides cv. Sunny）を、Vitamixブレンダーで2 min処理してピューレにしました。元のピューレの体積の30%に相当する量のdH2Oを加え、混合しました。UIP500hdT超音波処理装置（左の写真を参照）を用いて、希釈したピューレ200 mLに超音波（90 W、20 kHz、10 min）を適用しました。処理時間は、栄養成分を最適化し、サンプルを新鮮な状態に近い状態に保つために選択されました。超音波抽出の結果は、果肉からの抽出収率が10%（19.04 ± 0.08から20.97 ± 0.29%へ）、種子からの抽出収率が7%（14.81 ± 0.08から15.83 ± 0.28%へ）有意に（P ≺ 0.05）増加したことを示しています。この油収率の増加は、原材料の価値を最大化するための効果的で環境に配慮した技術として、超音波処理が機能することを示しています。シーバックソーン果実からの超音波抽出は、油収率の向上、処理時間と消費電力の削減、および有害な溶媒の使用回避をもたらしました。

事例研究：シーバックソーン果実のコンブチャの超音波均質化

超音波処理したシーバックソーン（sanddorne）果実のコンブチャは、製品の安定性が有意に向上しました。超音波処理した果実のコンブチャは、保存21日目まで均質な状態を維持しました。研究期間全体（21日間、下の写真を参照）を通じて、超音波処理した果実のコンブチャで離水が観察されなかったという事実は、超音波だけで製品の安定性をもたらし、相分離を防止できる効果的な乳化技術であることを示しています。

0日目と21日目の、超音波処理なしのシーバックソーンピューレ（P）と超音波処理ありのシーバックソーンピューレ（P+US）。
研究および写真：©Dornan et al., 2020.

発酵を停止させる超音波処理

コンブチャのサンプルを四種類作製しました：K（コンブチャ）、K+US（コンブチャ + 超音波）、K+S（コンブチャ + スクロース）、K+S+US（コンブチャ + スクロース + 超音波）。すべてのサンプルは、シーバックソーンピューレ（P）またはP+USを200 mLと、SCOBYを12.5 g使用して調製しました。KはPとSCOBYで構成されました。K+USはP+USとSCOBYで構成されました。K+SはP、15.0 gのスクロース、SCOBYで構成されました。K+S+USはP+US、15.0 gのスクロース、SCOBYで構成されました。すべてのサンプルを室温の暗所に五日間置いて発酵させました。5日目に発酵を停止させるため、K+USとK+S+USに再度、超音波処理（90 W、20 kHz、10 min）を適用しました。

コンブチャに対する超音波の保存効果

シーバックソーンのコンブチャでは、超音波処理によって初期微生物数が2.6 log CFU/mL減少し、過発酵を防ぐために選択した時点で発酵プロセスを停止させました。さらに、微生物を制御しながら減少させることは、最終製品の保存期間と安定性の向上に役立ち、コンブチャの商業流通を容易にします。
ジュースの非加熱低温殺菌法としての超音波処理について、詳しくはこちら！

超音波処理したコンブチャの総合的な結果

超音波処理は、離水を起こすことなく、初期微生物数を2.6 log CFU/mL減少させ、ORAC値を3%増加させ、水溶性指数（WSI）を40%増加させました（6.64から9.29 g/gへ）。この研究結果は、超音波処理の適用によって発酵中のフェノール性化合物の機能性を高めることができ、さらに次の効果を得られることを示唆しています： 栄養面の品質の損失を最小限に抑えながら、離水を減らし、油収率を高め、微生物数を減らし、ORACを増加させること。（参照：Dornan et al., 2020）

コンブチャの醸造を改善する超音波装置

Hielscher Ultrasonicsは、食品・飲料製造で用いられる発酵、抽出、低温殺菌のプロセスを改善するために、高性能の超音波処理装置、超音波バイオリアクター、付属品を設計、製造、販売しています。Hielscherの超音波食品加工システムは、高品質の食品や飲料を製造するための安全で信頼性が高く、費用効率の良い技術として、多様な用途に使用されています。Hielscherのすべての超音波処理装置は、設置と操作が簡単です。必要なスペースはわずかで、既存の加工設備に容易に後付けできます。
Hielscher Ultrasonicsは、食品・飲料業界をはじめとする多くの産業分野で、強力超音波の応用に長年の経験を有しています。当社の超音波処理装置には、洗浄しやすい（定置洗浄CIP / 定置滅菌SIP）ソノトロードとフローセル（接液部）が装備されています。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行うことができます。振幅の精密な調整と、低振幅と高振幅を切り替える機能は、微生物を刺激する場合にも不活化する場合にも重要です。これにより、同じ超音波処理装置を、微生物を刺激して発酵を促進するためにも、低温殺菌のために微生物を不活化するためにも使用できます。
最先端の技術、高い性能、洗練されたソフトウェアによって、Hielscher Ultrasonicsの装置は食品発酵プロセスで頼れる主力装置となります。設置面積が小さく、設置方法の選択肢が豊富なため、Hielscherの超音波処理装置は既存の生産ラインに容易に組み込んだり、後付けしたりできます。

Hielscher Ultrasonicsによるプロセスの標準化

食品グレードの製品は、適正製造規範（GMP）に従い、標準化された加工仕様の下で製造する必要があります。Hielscher Ultrasonicsのデジタル抽出システムにはインテリジェントなソフトウェアが搭載されており、超音波処理プロセスの精密な設定と制御が容易です。自動データ記録機能は、超音波エネルギー（総エネルギーと正味エネルギー）、振幅、温度、圧力（温度センサーと圧力センサーが取り付けられている場合）など、すべての超音波プロセスパラメーターを、日付と時刻のタイムスタンプとともに内蔵SDカードに書き込みます。これにより、超音波処理した各ロットを確認できます。同時に、再現性と継続的に高い製品品質が確保されます。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行うことができます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や厳しい環境でも24/7の運転が可能です。
当社の超音波低温殺菌システムの特長と能力について詳しく知るには、今すぐお問い合わせください。お客様の用途について、喜んでご相談を承ります！

下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています：