초음파로 개선된 콤부차 발효

초음파 처리는 물질 전달을 향상시키고, 미생물 세포를 파쇄하며, 효소를 활성화하고, 균질성을 개선하여 콤부차, 김치 및 기타 발효 채소와 같은 초음파 발효 식품의 발효를 촉진하며, 궁극적으로 발효 속도를 높이고 품질이 뛰어난 제품을 생산하도록 합니다. 초음파 처리는 젖산 발효 중 생리활성 화합물에 유익한 변화를 일으켜 영양 성분과 식물화학물질의 함량을 높입니다.

콤부차 및 발효 음료

콤부차는 흔히 “모균” 또는 “홍차버섯”이라고도 불리는 “세균과 효모의 공생 배양체”(SCOBY)를 사용하여 설탕을 첨가한 차를 발효시켜 만듭니다. SCOBY 내 미생물 군집의 종류와 비율은 상당히 크게 달라질 수 있습니다. 효모 구성원에는 일반적으로 Saccharomyces cerevisiae와 함께 Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces 및 Kluyveromyces에 속하는 다른 종들이 포함됩니다. 세균 구성원에는 거의 항상 Komagataeibacter xylinus(이전 명칭 Gluconacetobacter xylinus)가 포함되며, 이 세균은 효모가 생성한 알코올을 아세트산 및 기타 산으로 발효시켜 산도를 높이고 에탄올 함량을 제한합니다.
이와 마찬가지로 발효 과일 주스 및 채소 주스와 같은 다른 발효 음료에도 세균과 효모를 접종합니다.
초음파 처리는 발효 효율과 영양소 함량 및 풍미를 비롯한 발효 음료의 품질 특성을 개선할 수 있습니다.

초음파로 강화된 콤부차 발효

초음파는 세균과 효모의 생장을 촉진하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 따라서 콤부차 배양체(SCOBY, 홍차버섯, 차 균체 또는 만주 버섯이라고도 함)에 제어된 저강도 초음파 처리를 적용하면 발효 공정을 촉진하고 발효 시간을 단축하면서 콤부차 수율을 높일 수 있습니다.
초음파로 자극한 발효에서는 막 투과성이 향상되어 물질 전달이 증가합니다. 초음파에 의한 음향 기계적 처리는 미생물의 세포벽과 원형질막에 구멍을 형성합니다(초음파 천공이라고 하는 과정). 일부 세포는 파열될 수도 있습니다. 이렇게 파쇄된 세포는 비타민, 뉴클레오타이드, 아미노산 및 효소와 같은 생장 촉진 인자를 방출하며, 이러한 인자는 세포가 온전한 세균뿐만 아니라 막이 손상된 세균의 생장도 촉진할 수 있습니다.
발효 전과 유도기 및 대수기에 적용한 초음파 처리가 세균 생장 촉진에 가장 두드러진 효과를 보였습니다.

콤부차 발효에서 초음파 처리의 이점

초음파는 발효 공정을 어떻게 촉진하고 더 나은 콤부차, 채소 발효 식품, 코지 등을 만드는 데 어떻게 도움이 될까요? 초음파 처리는 여러 방식으로 발효를 강화하며, 아래에서는 콤부차 발효를 예로 들어 이러한 방식을 설명합니다. 콤부차는 전통적으로 설탕을 첨가한 차와 세균 및 효모의 공생 배양체(SCOBY)로 만드는 발효 음료입니다. 희석한 과일 퓌레는 콤부차 생산을 위한 영양이 풍부하고 풍미가 좋은 베이스를 제공합니다. 아래에서는 초음파 처리가 생산을 어떻게 촉진하는지 알아보겠습니다.

• 물질 전달 증가: 초음파는 액체 내에 미세한 캐비테이션 기포를 생성하여 미세 유동, 액체 제트 및 난류를 형성합니다. 이러한 교반은 발효를 담당하는 미생물과 배지 내 영양소 사이의 접촉을 늘려 물질 전달을 향상시킵니다. 그 결과, 발효 미생물이 영양소를 더 효율적으로 흡수하여 발효 속도가 높아집니다.
• 세포 파쇄: 초음파 처리기는 세포 용해와 추출에 효과적인 것으로 잘 알려져 있습니다. 식품 발효에서 초음파 처리기는 미생물의 세포벽을 파쇄하여 발효 반응을 추가로 촉진할 수 있는 세포 내 효소와 대사산물을 방출합니다. 이러한 파쇄는 미생물 세포에서 풍미 성분, 비타민 및 유기산의 방출을 증진하여 발효 제품의 풍미를 다채롭게 하고 영양을 풍부하게 합니다. 초음파로 발효한 산자나무 열매 콤부차에서는 유의하게 더 높은 페놀성 화합물 비율이 측정될 수 있습니다. (참조: Dornan et al., 2020)
• 영양이 풍부한 발효 기질의 준비: 초음파 추출은 미생물이 소화할 수 있는 형태로 다양한 영양소를 제공하는 발효 기질을 준비하는 데 도움이 됩니다. 이는 초음파 처리한 발효 기질(예: 과일 및 채소 퓌레)에서 전분과 당류 같은 생리활성 화합물이 식물 세포의 세포 내 기질로부터 유리된다는 의미입니다. 미생물은 이러한 발효 기질을 쉽게 이용할 수 있어 발효 과정이 가속되고 발효 시간이 단축됩니다. 폴리페놀, 플라보노이드 및 비타민도 마찬가지로 세포 내 기질에서 방출되어 발효 식품이나 음료의 전반적인 영양 가치에 기여합니다.
• 효소 활성 증진: 초음파 처리는 발효 과정에 관여하는 특정 효소를 활성화하거나 그 활성을 증진합니다. 예를 들어, 복합 탄수화물을 더 단순한 당으로 분해하는 데 필수적인 효소인 셀룰라아제와 아밀라아제의 활성을 높이며, 이렇게 생성된 당은 이후 콤부차 배양물에 존재하는 미생물에 의해 발효됩니다.
• 균질성 향상: 초음파 처리로 발생하는 힘은 항상 혼합과 배합으로 이어지므로, 초음파 처리는 발효 혼합물을 더 잘 균질화하여 영양소와 미생물이 배지 전체에 고르게 분포하도록 합니다. 이러한 균일성은 일관된 발효 반응 속도와 바람직한 관능적 특성을 지닌 고품질 콤부차 제품의 생산을 촉진합니다.

미생물 생장의 초음파 자극은 발효 전이나 유도기 및 대수기에 초음파를 적용할 때 가장 효과적입니다.

사례 연구: 사과 주스 발효의 초음파 자극

연구에 따르면 사과 주스 발효 중 유도기와 대수기에 초음파 처리를 하면 미생물 생장이 촉진되고 사과산의 젖산으로의 생물전환이 강화되었습니다. 예를 들어, 유도기에 0.5 h 동안 초음파 처리한 후, 58.3 W/L로 초음파 처리한 시료의 미생물 수와 젖산 함량은 각각 7.91 ± 0.01 Log CFU/mL와 133.70 ± 7.39 mg/L에 도달했으며, 이는 초음파 처리하지 않은 시료보다 유의하게 높았습니다. 또한 유도기와 대수기의 초음파 처리는 클로로겐산, 카페산, 프로시아니딘 B2, 카테킨 및 갈산과 같은 사과의 페놀성 화합물 대사에 복합적인 영향을 미쳤습니다. 초음파는 클로로겐산이 카페산으로 가수분해되는 반응, 프로시아니딘 B2의 전환 및 갈산의 탈탄산 반응에 긍정적인 영향을 미칠 수 있었습니다. 초음파 처리한 시료에서 유기산과 유리 아미노산의 대사는 페놀성 화합물 대사와 통계적 상관관계를 보였으며, 이는 초음파가 미생물의 유기산 및 아미노산 대사를 개선하여 페놀성 유도체 생성에 도움이 될 수 있음을 시사합니다. (참조: Wang et al., 2021)

사례 연구: 초음파로 개선한 두유 발효

Ewe et al. (2012)의 연구팀은 두유 발효 중 락토바실루스 균주(Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131)의 대사 효율에 초음파가 미치는 영향을 조사했습니다. 초음파 처리가 이들 세균의 세포막 투과성을 높이는 것으로 관찰되었습니다. 세포막 투과성이 높아지면서 영양소의 세포 내 유입이 개선되었고, 이에 따라 생장이 촉진되었습니다(P ≺ 0.05). 초음파 처리의 진폭이 높고 처리 시간이 길수록 두유 내 락토바실루스의 생장이 촉진되었으며, 생균수는 9 log CFU/mL를 초과했습니다. 초음파 처리는 락토바실루스의 세포 내 및 세포 외 β-글루코시다아제 비활성도 높였으며(P ≺ 0.05), 이에 따라 두유 내 이소플라본의 생물전환, 특히 제니스틴과 말로닐 제니스틴이 제니스테인으로 전환되는 반응이 증가했습니다. 이 연구 결과는 락토바실루스 세포에 대한 초음파 처리가 세포의 β-글루코시다아제 활성을 촉진하여(P ≺ 0.05), 두유 내 이소플라본 글루코사이드가 생리활성 아글리콘으로 생물전환되는 정도를 높이는 데(P ≺ 0.05) 도움이 됨을 보여줍니다. (참조: Ewe et al., 2012)

처리하지 않은 락토바실루스(A)와 60% 진폭으로 3 min 동안 초음파 처리한 락토바실루스(B)의 주사전자현미경 사진. 원은 파열된 세포와 기공이 형성된 세포를 나타냅니다.
(연구 및 이미지: ©Ewe et al., 2012)

콤부차 및 발효 음료의 영양 성분과 향미 성분 추출

발효 사과 주스나 오디 주스, 과일을 우려 넣은 콤부차 등 발효 차, 주스 및 채소 음료는 초음파 처리를 통해 향미와 영양 측면에서 상당한 이점을 얻습니다. 초음파는 식물 원료의 세포 구조를 파쇄하여 향미 성분, 폴리페놀, 항산화 물질 및 플라보노이드와 같은 세포 내 성분을 방출합니다. 동시에 초음파 균질화는 음료를 균일하게 분산 및 유화하여 상분리를 방지하고 소비자에게 매력적인 외관을 제공합니다. 아래에서 상분리가 없는 초음파 처리 산자나무 열매 콤부차의 예를 무처리 제품과 비교하여 확인할 수 있습니다.
초음파를 이용한 향미 및 영양 성분 추출에 대해 자세히 알아보세요!

사례 연구: 초음파로 보존 처리한 콤부차

초음파 처리는 미생물을 자극하거나 불활성화하여 미생물에 영향을 미칠 수 있습니다. 효소도 초음파 처리의 영향을 받습니다. 초음파는 효소와 기질의 특성 및 이들의 반응을 변화시킬 수 있습니다. 저주파 초음파의 이러한 효과는 식품 가공에서 식품과 음료를 저온살균하기 위한 비열적 대안으로 활용됩니다. 초음파 처리는 진폭, 시간, 온도, 압력과 같은 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있으며, 이를 통해 미생물을 표적 불활성화할 수 있습니다. 콤부차와 발효 음료의 미생물 부하를 불활성화하면 저장 수명과 제품 안정성을 높일 수 있습니다. 미생물과 효소를 줄이면 최종 제품의 저장 수명이 연장되어 상업적 유통이 용이해집니다. 초음파 처리는 주스의 저온살균과 같은 상업적 식품 가공에 이미 사용되고 있는 비열적 저온살균 방법입니다. 특히 진폭이 높을 때 초음파는 세포벽을 손상시켜 세균과 효모를 불활성화합니다. 그 결과 미생물의 생장이 느려지거나 멈춥니다. 예를 들어, Kwaw et al. (2018)은 젖산 발효 오디 주스의 비열적 저온살균 전략으로 초음파를 조사했습니다. 초음파 처리한 발효 오디 주스는 무처리 발효 오디 주스인 대조군보다 페놀성 화합물 함량(1700.07 ± 2.44 μg/mL)이 높았습니다. “개별 비열 처리 중 초음파 처리는 펄스광 처리에 비해 젖산 발효 오디 주스의 페놀성 특성과 항산화 특성을 유의하게(p < 0.05) 크게 높였습니다.” (Kwaw et al., 2018)
콤부차는 살아 있는 배양 미생물로 알려진 음료이지만, 미생물 수를 제어하여 줄이는 방법을 사용하면 상업적으로 유통되는 콤부차 음료의 보존 기간을 연장할 수 있습니다.
일반적인 가열 저온살균은 콤부차에 통상 존재하며 건강 증진 효과를 내는 주요 요인 중 하나인 살아 있는 효모와 세균을 모두 사멸시킵니다. 초음파 저온살균은 미생물 수를 줄이거나 미생물을 완전히 제거하는 데 사용할 수 있는 비열 보존 방법입니다. 이는 상업 생산자가 미생물을 완전히 제거하지 않으면서 세균과 효모의 수를 줄이기 위해 더 낮은 진폭으로 더 짧은 시간 동안 초음파를 적용할 수 있음을 의미합니다. 따라서 콤부차에는 살아 있는 배양 미생물이 여전히 존재하지만 그 수가 줄어들어 보존 기간과 저장 기간이 개선됩니다.

초음파 처리한 콤부차에서 과학적으로 입증된 결과

Dornan et al. (2020)은 초음파 처리기 UIP500hdT를 사용하여 산자나무 열매로 만든 콤부차에 저주파 초음파가 미치는 영향을 조사했습니다. 연구팀은 산자나무 열매의 전처리와 이후 콤부차 발효에 초음파 처리가 미치는 여러 유익한 효과를 입증할 수 있었습니다.

초음파를 이용한 산자나무 열매 추출

신선한 산자나무 통열매(sanddorne으로도 알려짐; H. rhamnoides cv. Sunny)의 초음파 처리에서는 Vitamix 블렌더를 사용하여 열매를 2 min 동안 퓌레로 만들었습니다. 원래 퓌레 부피의 30%에 해당하는 부피의 dH2O를 첨가하고 혼합했습니다. UIP500hdT 초음파 처리기를 사용하여 희석한 퓌레 200 mL에 초음파(90 W, 20 kHz, 10 min)를 적용했습니다(왼쪽 사진 참조). 처리 시간은 영양 성분을 최적화하고 시료를 신선한 상태에 가깝게 유지하도록 선정했습니다. 초음파 추출 결과, 과육의 추출 수율은 10%(19.04 ± 0.08에서 20.97 ± 0.29%로), 씨앗의 추출 수율은 7%(14.81 ± 0.08에서 15.83 ± 0.28%로) 유의하게(P ≺ 0.05) 증가했습니다. 이러한 오일 수율 증가는 원료의 가치를 극대화하는 효과적이고 친환경적인 기술로서 초음파 처리의 기능성을 보여줍니다. 산자나무 열매의 초음파 추출은 오일 수율을 높이고 처리 시간과 전력 소비를 줄였으며 유해 용매의 사용을 피할 수 있게 했습니다.

사례 연구: 산자나무 열매 콤부차의 초음파 균질화

초음파 처리한 산자나무(sanddorne) 열매 콤부차는 제품 안정성이 유의하게 개선되었습니다. 초음파 처리한 열매 콤부차는 저장 21일째까지 균질한 상태를 유지했습니다. 전체 연구 기간(21일, 아래 사진 참조) 동안 초음파 처리한 열매 콤부차에서 이수 현상이 관찰되지 않았다는 사실은 초음파만으로도 제품 안정성을 확보하고 상분리를 방지할 수 있는 효과적인 유화 기술임을 보여줍니다.

0일째와 21일째의 초음파 무처리 산자나무 퓌레(P)와 초음파 처리 산자나무 퓌레(P+US).
연구 및 사진:©Dornan et al., 2020.

발효를 중단하기 위한 초음파 처리

콤부차 시료 네 가지를 만들었습니다: K(콤부차), K+US(콤부차 + 초음파), K+S(콤부차 + 자당), K+S+US(콤부차 + 자당 + 초음파). 모든 시료는 산자나무 퓌레(P) 또는 P+US 200 mL와 SCOBY 12.5 g을 사용하여 준비했습니다. K는 P와 SCOBY로 구성되었습니다. K+US는 P+US와 SCOBY로 구성되었습니다. K+S는 P, 자당 15.0 g 및 SCOBY로 구성되었습니다. K+S+US는 P+US, 자당 15.0 g 및 SCOBY로 구성되었습니다. 모든 시료는 실온의 어두운 곳에서 닷새 동안 발효되도록 두었습니다. 5일째에 발효를 중단하기 위해 K+US와 K+S+US에 두 번째 초음파 처리(90 W, 20 kHz, 10 min)를 적용했습니다.

초음파가 콤부차 보존에 미치는 효과

산자나무 콤부차에서 초음파 처리는 초기 미생물 부하를 2.6 log CFU/mL만큼 감소시켜 과발효를 방지하도록 선택한 시점에 발효 과정을 중단시켰습니다. 또한 미생물 수를 제어하여 줄이면 최종 제품의 보존 기간과 안정성을 높이는 데 도움이 되어 콤부차의 상업적 유통이 용이해집니다.
비열 주스 저온살균 방법으로 활용되는 초음파 처리에 대해 자세히 알아보세요!

초음파 처리한 콤부차의 종합 결과

초음파 처리는 이수 현상 없이 초기 미생물 부하를 2.6 log CFU/mL만큼 감소시키고, ORAC 값을 3% 증가시키며, 수용성 지수(WSI)를 40% 증가시켰습니다(6.64에서 9.29 g/g으로). 이 연구 결과는 초음파 처리를 적용하면 발효 중 페놀성 성분의 기능성을 향상시킬 수 있으며 영양 품질의 손실을 최소화하면서 이수 현상을 줄이고, 오일 수율을 높이며, 미생물 부하를 줄이고, ORAC를 증가시킬 수 있음을 시사합니다. (Dornan et al., 2020 참조)

콤부차 양조 개선을 위한 초음파 장비

Hielscher Ultrasonics는 식품 및 음료 제조에 사용되는 발효, 추출 및 저온살균 공정을 개선하기 위한 고성능 초음파 처리기, 초음파 생물반응기 및 액세서리를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher 초음파 식품 가공 시스템은 고품질 식품과 음료를 생산하는 안전하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 기술로서 다양한 용도에 사용됩니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 설치와 작동이 간단합니다. 공간을 적게 차지하며 기존 가공 시설에 쉽게 추가 설치할 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics는 식품 및 음료 산업뿐 아니라 여러 산업 분야에서 고출력 초음파를 적용해 온 오랜 경험을 보유하고 있습니다. 당사의 초음파 처리기에는 세척이 쉬운 소노트로드와 플로우 셀(접액부)이 장착되어 있습니다(제자리 세정 CIP / 제자리 멸균 SIP). Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전이 용이합니다. 진폭을 정밀하게 조정하고 낮은 진폭과 높은 진폭 사이를 전환할 수 있는 기능은 미생물을 자극하거나 불활성화하는 데 중요합니다. 따라서 동일한 초음파 처리기를 사용하여 미생물을 자극해 발효를 촉진하거나 저온살균을 위해 미생물을 불활성화할 수 있습니다.
최첨단 기술, 고성능 및 정교한 소프트웨어를 갖춘 Hielscher Ultrasonics 장비는 식품 발효 공정에서 신뢰할 수 있는 핵심 장비로 활약합니다. 설치 면적이 작고 설치 방식이 다양하여 Hielscher 초음파 처리기를 기존 생산 라인에 쉽게 통합하거나 추가 설치할 수 있습니다.

Hielscher Ultrasonics를 통한 공정 표준화

식품 등급 제품은 우수 제조 관리 기준(GMP)과 표준화된 공정 규격에 따라 생산해야 합니다. Hielscher Ultrasonics의 디지털 추출 시스템에는 초음파 처리 공정을 쉽게 정밀하게 설정하고 제어할 수 있는 지능형 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 자동 데이터 기록 기능은 초음파 에너지(총에너지 및 순에너지), 진폭, 온도, 압력(온도 및 압력 센서가 장착된 경우) 등 모든 초음파 공정 매개변수를 날짜 및 시간 정보와 함께 내장 SD 카드에 기록합니다. 이를 통해 초음파 처리한 각 로트를 검토할 수 있습니다. 동시에 재현성과 지속적으로 높은 제품 품질이 보장됩니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전이 용이합니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비는 견고하여 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다.
당사 초음파 저온살균 시스템의 기능과 성능에 대해 자세히 알아보려면 지금 문의하세요. 귀하의 응용 분야에 대해 기꺼이 상담해 드리겠습니다!

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: