超音波によるコンブチャ発酵の改善

ソニケーションは、物質移動の促進、微生物細胞の破壊、酵素の活性化、均質性の向上により、コンブチャ、キムチ、その他の発酵野菜などの超音波発酵食品の発酵を促進し、最終的に発酵速度の促進と優れた品質の製品の生産につながります。ソニケーションは、乳酸発酵中の生物活性化合物に有益な変化をもたらし、栄養化合物や植物化学物質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、紅茶を発酵させて作られる。 “細菌と酵母の共生培養” (SCOBY）とも呼ばれる。 “母親” または “茶茸”.SCOBYに含まれる微生物集団の種類と比率は、かなり大きく変化する可能性がある。酵母成分には、一般的にサッカロマイセス・セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）をはじめ、ジゴサッカロマイセス（Zygosaccharomyces）、キャンディダ（Candida）、クロエケラ（Kloeckera）／ハンセニアスポラ（Hanseniaspora）、トルラスポラ（Torulaspora）、ピキア（Pichia）、ブレタノマイセス（Brettanomyces）／デッケラ（Dekkera）、サッカロマイセス（Saccharomyces）、ラチャンセア（Lachancea）、サッカロマイコイデス（Saccharomycoides）、シゾサッカロマイセス（Schizosaccharomyces）、クルイベロマイセス（Kluyveromyces）が含まれる；細菌成分には、ほとんどの場合、コマガタエイバクター・キシリヌス（旧グルコナセトバクター・キシリヌス）が含まれ、酵母が生成したアルコールを酢酸やその他の酸に発酵させ、酸度を高めてエタノール含有量を制限する。
同様に、発酵フルーツジュースや野菜ジュースのような他の発酵飲料にもバクテリアや酵母が接種される。
超音波処理は、発酵効率と、栄養分や風味を含む発酵飲料の品質特徴を改善することができる。

超音波によるコンブチャ発酵の強化

超音波はバクテリアや酵母の成長を刺激することがよく知られている。コンブチャ培養物（SCOBY、紅茶キノコ、紅茶菌、または満州キノコとしても知られている）の制御された穏やかな超音波処理は、したがって、発酵プロセスを促進し、加速された発酵時間でより高いコンブチャ収率につながることができます。
超音波で刺激された発酵では、膜の透過が促進され、それによって物質移動が増加する。超音波によるソノメカニカル処理は、微生物の細胞壁や細胞膜を穿孔する（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る。これらの破壊された細胞は、ビタミン、ヌクレオチド、アミノ酸、酵素のような増殖促進因子を放出し、細胞無傷の細菌だけでなく、膜が破壊された細菌の増殖も刺激する可能性がある。
発酵前の超音波処理、ラグフェーズとログフェーズでの超音波処理は、細菌増殖刺激に最も顕著な効果を示した。

コンブチャ発酵における超音波の効果

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、野菜発酵物、麹などを生産するのに役立つのでしょうか？超音波はいくつかの方法で発酵を促進し、発酵コンブチャの文脈で以下に示す。コンブチャは、伝統的に加糖茶とバクテリアと酵母の共生培養物（SCOBY）で作られる発酵飲料である。希釈したフルーツピューレは、栄養豊富で風味豊かなコンブチャ製造のベースとなる。以下では、コンブチャの生産を促進する超音波処理について説明する。

• 質量移動の増加： 超音波は液体中に微細なキャビテーション気泡を発生させ、マイクロストリーミング、液体ジェット、乱流の形成につながる。この攪拌により、発酵を担う微生物と培地中の栄養素との接触が増加し、物質移動が促進される。その結果、栄養素は発酵微生物により効率的に吸収され、発酵速度が加速される。
• 細胞の破壊： ソニケーターは、細胞溶解と抽出の効果でよく知られています。食品発酵では、ソニケーターが微生物の細胞壁を破壊し、発酵反応をさらに触媒する細胞内酵素と代謝物を放出します。この破壊により、微生物細胞からの風味化合物、ビタミン、有機酸の放出が促進され、発酵製品の風味の複雑さと栄養の豊富さに寄与する。超音波発酵させたシーバックソーンコンブチャでは、かなり高い割合のフェノール化合物が測定できる。(Dornan et al.）
• 栄養豊富な発酵基質の調製： 超音波抽出は、微生物の消化に利用可能な形で多くの栄養素を供給する発酵基質の調製に役立つ。つまり、超音波処理された発酵基質（果物や野菜のピューレなど）では、デンプンや糖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遊離する。微生物はこの基質を容易に捕食することができ、発酵プロセスが促進・短縮される。ポリフェノール、フラボノイド、ビタミンも同様で、細胞内マトリックスから放出され、発酵食品・飲料全体の栄養価に貢献する。
• 酵素活性の向上： ソニケーションは、発酵プロセスに関与する特定の酵素の活性を活性化または増強する。例えば、複雑な炭水化物をより単純な糖に分解するのに重要な酵素であるセルラーゼやアミラーゼの活性を高め、コンブチャの培養液に含まれる微生物によって発酵させる。
• 均質性の向上： 超音波処理により、常に混合とブレンドが行われるため、発酵混合物の均質化が促進され、培地全体に栄養素と微生物が均一に分布します。この均一性は、一貫した発酵動力学と、望ましい官能特性を持つ高品質のコンブチャ製品の生産を促進する。

超音波による微生物増殖の刺激は、発酵前、あるいはラグ期や対数期に超音波を照射するのが最も効果的である。

ケーススタディアップルジュース発酵の超音波刺激

研究によると、リンゴジュースの発酵中のラグ相および対数相で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体内変換が促進された。例えば、ラグ相で0.5時間超音波処理を行った後、58.3 W/Lの超音波処理サンプルの微生物数は7.91±0.01 Log CFU/mL、乳酸含量は133.70±7.39 mg/Lに達し、非音波処理サンプルよりも有意に高かった。さらに、ラグ期および対数期の超音波処理は、クロロゲン酸、カフェ酸、プロシアニジンB2、カテキン、没食子酸などのリンゴフェノール類の代謝に複雑な影響を与えた。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プラスの影響を与えた。超音波処理したサンプルの有機酸と遊離アミノ酸の代謝は、フェノールの代謝と統計的に相関しており、超音波が有機酸とアミノ酸の微生物代謝を改善することにより、フェノール誘導体に有益であることを示唆している。(Wangら、2021参照）。

ケーススタディ超音波による豆乳発酵の改善

Eweら（2012）の研究チームは、豆乳発酵中の乳酸菌株（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た。超音波処理により、菌の細胞膜が透過化することが観察された。細胞膜が透過化された結果、栄養の内部化が改善され、その後の増殖が促進された（P ≺ 0.05）。超音波処理の振幅が大きく、持続時間が長いほど、豆乳中の乳酸菌の増殖が促進され、生菌数は9 log CFU/mLを超えた。乳酸菌の細胞内および細胞外のβ-グルコシダーゼ特異的活性も超音波処理によって増強され（P ↪Sm_0.05A） 、豆乳中のイソフラボン、特にゲニスティンとマロニルゲニスティンのゲニステインへのバイオコンバージョンが促進された。本研究の結果から、乳酸菌細胞に超音波処理を施すと、細胞のβ-グルコシダーゼ活性が促進され（P ≺ 0.05）、豆乳中のイソフラボングルコシドから生理活性アグリコンへのバイオコンバージョンが促進される（cf. Ewe et al.

無処理の乳酸菌（A）と60％の振幅で3分間超音波処理した乳酸菌（B）の走査型電子顕微鏡写真。円は破裂した細胞と孔のある細胞を示す。
(研究および画像：©Ewe et al.）

コンブチャと発酵飲料中の栄養成分とフレーバーの抽出

発酵茶、発酵ジュース、発酵野菜飲料、例えば発酵リンゴジュースや発酵桑ジュース、果実入りコンブチャなどは、超音波処理によって風味的にも栄養的にも大きな恩恵を受ける。超音波は植物素材の細胞構造を破壊し、フレーバー、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する。同時に、超音波ホモジナイゼーションは、相分離を防ぎ、消費者に魅力的な外観を提供する、均一に分散・乳化された飲料を提供します。超音波処理されたシーバックソーンベリーコンブチャと未処理のコンブチャを比較した例をご覧ください。
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ケーススタディ超音波保存コンブチャ

超音波処理は、微生物を刺激したり不活性化したりすることによって、微生物に影響を与えることができる。また、酵素も超音波処理によって影響を受ける：超音波は、酵素、基質およびそれらの反応の特性を変えることができる。低周波超音波のこのような効果は、食品や飲料を低温殺菌する非加熱の代替手段として食品加工に利用されています。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正確に制御できるという利点があり、これにより微生物の標的不活化が可能になる。コンブチャや発酵飲料の微生物負荷を不活性化することで、保存期間と製品の安定性を高めることができる。微生物と酵素の減少により、最終製品の保存期間が延びるため、商業的流通が容易になる。超音波処理は非加熱殺菌法であり、ジュースの低温殺菌のような商業的食品加工ですでに使用されている。 特に高振幅の場合、超音波は細胞壁を傷つけることでバクテリアや酵母を不活性化する。その結果、微生物の増殖が遅くなったり、止まったりする。例えば、Kwawら（2018）は、乳酸発酵桑ジュースの非加熱低温殺菌戦略としての超音波を調査した。超音波処理した発酵桑ジュースは、対照である未処理の発酵桑ジュースよりもフェノール化合物の含有量が高かった（1700.07±2.44μg/mL）。 “個々の非加熱治療の中で、超音波治療は有意な（p < 00.05）パルスライト処理と比較して、乳酸発酵桑ジュースのフェノールおよび抗酸化特性が急増した。” (クワウら、2018)
コンブチャはその生命培養で知られる飲料であるが、市販されているコンブチャ飲料の賞味期限を延ばすために、微生物の制御された減少を利用することができる。
通常の加熱殺菌は、コンブチャに通常存在し、その健康増進効果の主な要因の一つである生きた酵母や細菌をすべて死滅させる。超音波殺菌は非加熱保存法で、微生物数を減らすか、微生物を完全に除去するために使用できる。つまり、商業的な生産者は、完全に除去することなく細菌や酵母の数を減らすために、低い振幅と短い時間で超音波を適用することができる。これにより、コンブチャの中には、数は少ないものの生命培養物が存在することになり、保存期間と貯蔵時間が改善される。

科学的に証明された超音波処理コンブチャの成果

Dornanら(2020)は、ソニケーターUIP500hdTを用いて、シーバックソーンの実で作ったコンブチャに対する低周波超音波の効果を調査した。研究チームは、シーバックソーン・ベリーの調製とその後のコンブチャ発酵に対する超音波処理の複数の有益な効果を実証することができた。

超音波シーバックソーンベリー抽出

新鮮なシーバックソーン（別名サンドーン；H. rhamnoides cv. Sunny）の実全体を、Vitamixブレンダーで2分間ピューレ状にした。元のピューレ量の30%に相当する量のdH2Oを加えて混ぜ合わせた。UIP500hdT超音波プロセッサー（左写真参照）を用いて、希釈したピューレ200mLに超音波（90W、20kHz、10分間）を照射した。処理時間は、栄養素の最適化とサンプルの新鮮な状態を維持するために選択された。超音波抽出の結果、果肉（19.04±0.08％から20.97±0.29％へ）は10％、種子（14.81±0.08％から15.83±0.28％へ）は7％の有意な（P ȧ 0.05）抽出収率の増加が見られた。このオイル収量の増加は、原料の価値を最大化する効果的でグリーンな技術としての超音波抽出の機能性を強調するものである。海クロウメモドキの実から超音波抽出を行った結果、オイル収量が増加し、処理時間、消費電力が削減され、危険な溶媒を使用せずに済むようになった。

ケーススタディシーバックソーンベリーコンブチャの超音波ホモジナイゼーション

超音波処理したシーバックソーン（砂角）ベリーコンブチャは、製品の安定性が著しく向上した。保存21日目まで、超音波処理したベリーコンブチャは均質なままであった。超音波処理したベリーコンブチャには、試験期間中（21日間、下の写真参照）、シネレシスが観察されなかったことから、超音波のみが製品の安定性をもたらし、相分離を防ぐことができる効果的な乳化技術であることがわかる。

シーバックソーンピューレ（P）を0日目と21日目に超音波処理なし（P+US）と超音波処理あり（P+US）で摂取。
研究と写真：©Dornan et al, 2020.

超音波による発酵停止

コンブチャのサンプルは4種類作られた：K（コンブチャ）、K+US（コンブチャ＋超音波）、K+S（コンブチャ＋ショ糖）、K+S+US（コンブチャ＋ショ糖＋超音波）。すべてのサンプルは、200mLのシーバックソーンピューレ（P）またはP+USと12.5gのSCOBYを用いて調製した。KはPとSCOBYから成る。K+USはP+USとSCOBYから成る。K+Sは、P、15.0gのスクロース、SCOBYから成る。K+S+USはP+US、15.0gのスクロースとSCOBYから成る。すべてのサンプルは、室温の暗所で5日間発酵させた。5日目にK+USとK+S+USに2回目の超音波処理（90 W、20 kHz、10分間）を行い、発酵を停止させた。

コンブチャの超音波保存効果

シーバックソーンコンブチャでは、超音波処理によって初期微生物負荷が2.6 log CFU/mL減少し、それによって過発酵を防ぐために発酵プロセスを選択した時間で停止させた。さらに、制御された微生物の減少により、最終製品の保存期間と安定性が向上し、コンブチャの商業的流通が容易になった。
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超音波処理コンブチャの総合結果

超音波処理により、初期微生物負荷は2.6 log CFU/mL減少し、ORAC値は3%増加し、水溶性指数（WSI）は40%増加した（6.64から9.29 g/gへ）。本研究の結果から、超音波処理を行うことで発酵中のフェノール機能性を高めることができ、以下のことが可能であることが示唆された。 低シネレシス、高オイル収率、微生物負荷の低減、ORACの増加。.(Dornan et al., 2020参照）。

コンブチャ醸造を向上させる超音波装置

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：