Ultrasoon verbeterde kombucha fermentatie

Sonificatie bevordert de fermentatie in ultrasoon gefermenteerde voedingsmiddelen zoals kombucha, kimchi en andere gefermenteerde groenten door de massaoverdracht te verbeteren, microbiële cellen te verstoren, enzymen te activeren en de homogeniteit te verbeteren, wat uiteindelijk leidt tot snellere fermentatiesnelheden en de productie van een product van superieure kwaliteit. Sonicatie initieert gunstige veranderingen in bioactieve verbindingen tijdens melkzuurfermentatie, waardoor het gehalte aan voedingsbestanddelen en fytochemicaliën toeneemt.

Kombucha en Gefermenteerde Dranken

Kombucha is produced by fermenting sugared tea using a “Symbiotic Culture Of Bacteria and Yeast” (SCOBY), also commonly called a “mother” of “theepaddenstoel”. De variëteit en verhouding van microbiële populaties in een SCOBY kan behoorlijk variëren. De gistcomponent bestaat over het algemeen uit Saccharomyces cerevisiae, samen met andere soorten Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces en Kluyveromyces; de bacteriële component bevat bijna altijd Komagataeibacter xylinus (voorheen Gluconacetobacter xylinus), die alcoholen geproduceerd door de gisten fermenteert in azijnzuur en andere zuren, waardoor de zuurgraad toeneemt en het ethanolgehalte beperkt wordt.
Op dezelfde manier worden andere gefermenteerde dranken, zoals gefermenteerde fruit- en groentesappen, geënt met bacteriën en gist.
Een behandeling met ultrasoon geluid kan de fermentatie-efficiëntie en de kwaliteitskenmerken van de gefermenteerde drank verbeteren, waaronder het gehalte aan voedingsstoffen en de smaak.

Ultrasoon geïntensiveerde Kombucha fermentatie

Het is bekend dat ultrageluid de groei van bacteriën en gist stimuleert. Een gecontroleerde milde sonicatie van kombuchaculturen (SCOBY, ook bekend als theepaddenstoel, theeschimmel of Manchurian mushroom) kan daarom het fermentatieproces bevorderen en leiden tot een hogere kombucha-opbrengst in een versnelde fermentatietijd.
Ultrasoon gestimuleerde fermentatie laat een verbeterde membraanpermeabilisatie zien en daardoor een verhoogde massaoverdracht. De sonomechanische behandeling met ultrageluidsgolven perforeert de celwanden en plasmamembranen van micro-organismen (een proces dat sonoporatie wordt genoemd). Sommige cellen kunnen zelfs scheuren. Deze beschadigde cellen geven groeibevorderende factoren vrij zoals vitaminen, nucleotiden, aminozuren en enzymen die de groei van zowel intacte als membraanbeschadigde bacteriën kunnen stimuleren.
Ultrasone behandeling vóór de fermentatie en in de lag- en logfase hadden de meest opvallende effecten op de stimulatie van de bacteriële groei.

De voordelen van Sonicatie voor Kombucha fermentatie

Hoe bevordert ultrasoon het fermentatieproces en helpt het bij het produceren van betere kombucha, groentefermenten, koji, enz. Sonificatie bevordert fermentatie op verschillende manieren, die hieronder worden gedemonstreerd in de context van gefermenteerde kombucha. Kombucha is een gefermenteerde drank die traditioneel wordt gemaakt met gezoete thee en een symbiotische cultuur van bacteriën en gist (SCOBY). Verdunde fruitpurees vormen een voedingsrijke, smaakvolle basis voor de productie van kombucha. Hieronder lees je hoe ultrasoonbehandeling de productie van een

• Verhoogde massaoverdracht: Ultrasone golven creëren microscopische cavitatiebelletjes in de vloeistof, wat leidt tot de vorming van microstromen, vloeistofstralen en turbulenties. Deze agitatie verbetert de massaoverdracht door het contact tussen de micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de fermentatie en de voedingsstoffen in het medium te vergroten. Hierdoor worden voedingsstoffen efficiënter opgenomen door de fermenterende micro-organismen, wat leidt tot een snellere fermentatiesnelheid.
• Celverstoring: Sonicatoren staan bekend om hun effectiviteit bij cellyse en extractie. Bij voedselfermentatie verstoren sonicatoren de microbiële celwanden, waardoor intracellulaire enzymen en metabolieten vrijkomen die fermentatiereacties verder kunnen katalyseren. Deze verstoring bevordert het vrijkomen van smaakstoffen, vitaminen en organische zuren uit de microbiële cellen, wat bijdraagt aan de complexiteit van de smaak en de rijkdom aan voedingsstoffen van het gefermenteerde product. In met ultrasoon gefermenteerde duindoornkombucha kan een significant hogere fractie fenolische verbindingen gemeten worden. (cf. Dornan et al., 2020)
• Bereiding van voedingsstofrijke fermentatiesubstraten: Ultrasone extractie helpt bij de bereiding van een fermentatiesubstraat dat veel voedingsstoffen in beschikbare vorm levert voor microbiële vertering. Dit betekent dat in ultrasoon behandelde fermentatiesubstraten (bijv. fruit- en groentepurees) bioactieve verbindingen zoals zetmeel en suikers worden vrijgemaakt uit de intracellulaire matrix van plantencellen. Microben kunnen zich gemakkelijk voeden met het substraat, wat het fermentatieproces versnelt en verkort. Hetzelfde geldt voor polyfenolen, flavonoïden en vitaminen, die vrijkomen uit intracellulaire matrices en bijdragen aan de algemene voedingswaarde van het gefermenteerde voedsel of de gefermenteerde dranken.
• Verbeterde enzymactiviteit: Sonificatie activeert of versterkt de activiteit van bepaalde enzymen die betrokken zijn bij fermentatieprocessen. Het verhoogt bijvoorbeeld de activiteit van cellulase en amylase, enzymen die cruciaal zijn voor het afbreken van complexe koolhydraten tot eenvoudigere suikers, die vervolgens worden gefermenteerd door de micro-organismen in de kombuchacultuur.
• Verbeterde homogeniteit: Omdat sonicatie altijd leidt tot mengen en vermengen, zorgt de ultrasone behandeling voor een betere homogenisatie van het fermentatiemengsel, wat resulteert in een gelijkmatige verdeling van voedingsstoffen en micro-organismen door het medium. Deze uniformiteit bevordert een consistente fermentatiekinetiek en de productie van een hoogwaardig kombuchaproduct met gewenste sensorische eigenschappen.

Ultrasone stimulatie van microbiële groei is het meest effectief wanneer ultrageluid wordt toegepast vóór de fermentatie of in de lag- en logfase.

Casestudie: Ultrasone stimulatie van appelsapfermentatie

Onderzoek toonde aan dat ultrasone behandeling in de lag- en logaritmische fase tijdens de fermentatie van appelsap de microbiële groei bevorderde en de biotransformatie van appelzuur naar melkzuur intensiveerde. Bijvoorbeeld, na sonicatie in de lag-fase gedurende 0,5 uur, bereikten de microbiële telling en het melkzuurgehalte in de ultrasoon behandelde monsters bij 58,3 W/L 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL en 133,70 ± 7,39 mg/L, die significant hoger waren dan die in de niet-gesoneerde monsters. Bovendien had ultrasoonbehandeling in de lag- en logaritmische fase complexe invloeden op het metabolisme van appelfenolen zoals chlorogeenzuur, cafeïnezuur, procyanidine B2, catechine en galluszuur. Ultrasoon geluid kon de hydrolyse van chlorogeenzuur naar cafeïnezuur, de omzetting van procyanidine B2 en de decarboxylering van galluszuur positief beïnvloeden. Het metabolisme van organische zuren en vrije aminozuren in de gesoneerde monsters was statistisch gecorreleerd met het metabolisme van fenolen, wat impliceert dat ultrageluid de afleiding van fenolen kan bevorderen door het microbiële metabolisme van organische zuren en aminozuren te verbeteren. (cf. Wang et al., 2021)

Casestudie: Ultrasoon verbeterde fermentatie van sojamelk

Het onderzoeksteam van Ewe et al. (2012) onderzocht de effecten van ultrageluid op de metabolische efficiëntie van stammen van lactobacillen (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) tijdens de fermentatie van sojamelk. Er werd waargenomen dat de ultrasone behandeling de celmembranen van de bacteriën permeabiliseerde. De gepermeabiliseerde celmembranen resulteerden in een verbeterde internalisatie van voedingsstoffen en daaropvolgende groeibevordering (P ≺ 0,05). Hogere amplitudes en langere duur van de sonicatiebehandeling bevorderden de groei van lactobacillen in sojamelk, met levensvatbare aantallen van meer dan 9 log CFU/mL. De intracellulaire en extracellulaire β-glucosidase specifieke activiteiten van lactobacillen werden ook verbeterd (P ≺ 0,05) door ultrasone behandeling, wat leidde tot een verhoogde bioconversie van isoflavonen in sojamelk, met name genistine en malonylgenistine tot genisteïne. De resultaten van deze studie tonen aan dat ultrasone behandeling van lactobacillencellen de β-glucosidase activiteit van cellen bevordert (P ≺ 0,05) ten gunste van een verhoogde (P ≺ 0,05) bioconversie van isoflavonglucosiden naar bioactieve aglyconen in sojamelk (cf. Ewe et al., 2012).

Scanning electronen microfoto's van lactobacillen zonder behandeling (A) en lactobacillen behandeld met ultrasoon geluid met een amplitude van 60% gedurende 3 minuten (B). Cirkels tonen gescheurde cellen en cellen met poriën.(Studie en afbeeldingen: ©Ewe et al., 2012)

Extractie van voedingsbestanddelen en aroma's in kombucha en gefermenteerde dranken

Gefermenteerde thee-, sap- en groentedranken, bijvoorbeeld gefermenteerd appel- of moerbeiensap of kombuchadranken met een infusie van fruit, hebben veel baat bij een ultrasone behandeling op het gebied van smaak en voedingsstoffen. De ultrasone golven verstoren de celstructuren van plantaardige materialen en maken intracellulaire verbindingen zoals aroma's, polyfenolen, antioxidanten en flavonoïden vrij. Tegelijkertijd zorgt ultrasone homogenisatie voor een gelijkmatig gedispergeerde en geëmulgeerde drank, waardoor fasescheiding wordt voorkomen en de consument een aantrekkelijk uiterlijk krijgt. Hieronder zie je een voorbeeld van een ultrasoon behandelde duindoornbes kombucha zonder fasescheiding in vergelijking met een onbehandelde versie.
Lees meer over ultrasone smaak- en voedingsextractie!

Praktijkstudie: Ultrasonisch geconserveerde Kombucha

Ultrasound treatment can influence microbes by either stimulate or inactivate them. Also enzymes are impacted by sonication: Ultrasound can change characteristics of enzymes, substrates and their reactions. These effects of low-frequency ultrasound are used in food processing as an non-thermal alternative to pasteurize food and beverages. Sonication offers the advantage of precise control over the process parameters such as amplitude, time, temperature, and pressure, which allows for a targeted inactivation of microorganisms. The inactivation of the microbial load in kombucha and fermented beverages allows to increase shelf-life and product stability. A reduction of microbes and enzymes facilitates commercial distribution due to an prolonged shelf-life of the final product. Ultrasonication is a non-thermal pasteurization method, which is used already in commercial food processing such as the pasteurization of juices. Especially at higher amplitudes, ultrasound inactivates bacteria and yeast by damaging the cell walls. This results in a slower or stopped microbial growth. For instance, Kwaw et al. (2018) investigated the ultrasonic as non-thermal pasteurization strategy for lactic acid-fermented mulberry juice. Ultrasonically treated fermented mulberry juice had a higher content of phenolic compounds (1700.07 ± 2.44 μg/mL) than the control, an untreated fermented mulberry juice. “Among the individual non-thermal treatments, ultrasonication caused a significant (p < 0.05) upsurge in the phenolic and antioxidant properties of the lactic acid-fermented mulberry juice compared to the pulsed light treatment.” (Kwaw et al., 2018)
Hoewel kombucha een drank is die bekend staat om zijn levensculturen, kan een gecontroleerde reductie van microben worden gebruikt om de houdbaarheid van commercieel verdeelde kombucha-dranken te verlengen.
Regelmatige thermische pasteurisatie doodt alle levende gisten en bacteriën die normaal aanwezig zijn in kombucha en een van de belangrijkste factoren zijn voor de gezondheidsbevorderende effecten. Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermische conserveringsmethode die kan worden gebruikt om het aantal bacteriën te verminderen of om micro-organismen volledig te elimineren. Dit betekent dat commerciële producenten ultrasoon geluid kunnen toepassen bij lagere amplitudes en gedurende kortere perioden om het aantal bacteriën en gisten te verlagen zonder ze volledig te elimineren. Hierdoor zijn er nog steeds levensculturen aanwezig in de kombucha, zij het in lagere aantallen, zodat de houdbaarheid en bewaartijden worden verbeterd.

Wetenschappelijk bewezen resultaten met ultrasoon behandelde kombucha

Dornan et al. (2020) onderzochten de effecten van laagfrequent ultrageluid op kombucha gemaakt met duindoornbessen met behulp van de sonicator UIP500hdT. Het onderzoeksteam kon meerdere gunstige effecten van ultrasone trillingen op de duindoornbessenbereiding en de daaropvolgende kombucha fermentatie aantonen.

Ultrasone Duindoornbessen extractie

Sonificatie van verse, hele duindoornbessen (ook bekend als sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) werd gedurende 2 minuten gepureerd met een Vitamix-blender. Een volume dH2O gelijk aan 30% van het oorspronkelijke volume van de puree werd toegevoegd en gemengd. Ultrasoon geluid (90 W, 20 kHz, 10 minuten) werd toegepast op 200 ml van de verdunde puree met behulp van de UIP500hdT ultrasone processor (zie afbeelding links). De behandelingstijd werd gekozen om de voedingsstoffen te optimaliseren en het monster vers te houden. De resultaten van de ultrasone extractie laten een significante (P ≺ 0,05) toename zien van 10% in de extractieopbrengst van pulp (van 19,04 ± 0,08 naar 20,97 ± 0,29%) en 7% voor zaad (van 14,81 ± 0,08 naar 15,83 ± 0,28%). Deze toename in olieopbrengst benadrukt de functionaliteit van sonicatie als een efficiënte en groene technologie om de waarde van grondstoffen te maximaliseren. Ultrasone extractie van duindoornbessen resulteerde in een hogere olieopbrengst en een kortere verwerkingstijd, lager energieverbruik en het vermijden van gevaarlijke oplosmiddelen.

Praktijkstudie: Ultrasoon Homogeniseren van Duindoornbes Kombucha

De ultrasoon behandelde duindoorns (sanddorne) bessenkombucha vertoonde een aanzienlijk verbeterde stabiliteit van het product. Op dag 21 van de opslag bleef de gesoniseerde bessenkombucha homogeen. Het feit dat er geen synerese werd waargenomen in de gesoniseerde bessenkombucha gedurende het hele onderzoek (21 dagen, zie onderstaande afbeelding) toont aan dat ultrageluid alleen een effectieve emulgeringstechniek is die in staat is om productstabiliteit te produceren en fasescheiding te voorkomen.

Duindoornpuree (P) zonder en met ultrasone behandeling (P+US) op dag 0 en 21.Studie en foto:©Dornan et al., 2020.

Ultrasoon om gisting te stoppen

Er werden vier kombuchamonsters gemaakt: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrageluid), K+S (kombucha + sacharose), en K+S+US (kombucha + sacharose + ultrageluid). Alle monsters werden bereid met 200 ml duindoornpuree (P) of P+US en 12,5 g SCOBY. K bestond uit P en SCOBY. K+US bestond uit P+US en SCOBY. K+S bestond uit P, 15,0 g sacharose en SCOBY. K+S+US bestond uit P+US, 15,0 g sacharose en SCOBY. Alle monsters werden gedurende vijf dagen in het donker op kamertemperatuur gegist. Een tweede sonicatiebehandeling (90 W, 20 kHz, 10 min) werd toegepast op K+US en K+S+US om de fermentatie op dag 5 te stoppen.

Ultrasone Conserveringseffecten op Kombucha

In duindoornkombucha verminderde sonicatie de initiële microbiële belasting met 2,6 log CFU/mL, waardoor het fermentatieproces op een bepaald moment werd gestopt om overfermentatie te voorkomen. Bovendien helpt de gecontroleerde microbiële reductie om de houdbaarheid en stabiliteit van het eindproduct te vergroten, wat de commerciële distributie van kombucha vergemakkelijkt.
Lees meer over ultrasoon als niet-thermische sappasteurisatiemethode!

Algemene resultaten in ultrasoon behandelde kombucha

Ultrasoon verminderde de initiële microbiële belasting met 2,6 log CFU/mL, verhoogde de ORAC-waarde met 3% en verhoogde de wateroplosbaarheidsindex (WSI) met 40% (van 6,64 naar 9,29 g/g) zonder synerese. De resultaten van dit onderzoek suggereren dat de toepassing van ultrasoonbehandeling de fenolfunctionaliteit tijdens fermentatie kan verbeteren en in staat is om vermindering van synerese, verhoging van olieopbrengst, vermindering van microbiële belasting en verhoging van ORAC met minimaal verlies van voedingskwaliteit. (vgl. Dornan et al., 2020)

Ultrasone apparatuur voor beter kombucha brouwen

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone apparaten, ultrasone bioreactoren en accessoires voor verbeterde fermentatie-, extractie- en pasteurisatieprocessen in de voedingsmiddelenindustrie. & productie van dranken. Hielscher ultrasone voedselverwerkingssystemen worden voor talloze toepassingen gebruikt en zijn een veilige, betrouwbare en kostenefficiënte technologie om voedingsmiddelen en dranken van hoge kwaliteit te produceren. De installatie en bediening van alle Hielscher ultrasoonprocessoren is eenvoudig: Ze nemen weinig ruimte in beslag en kunnen eenvoudig achteraf worden ingebouwd in bestaande verwerkingsfaciliteiten.
Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring in de toepassing van ultrageluid in de voedingsmiddelenindustrie. & drankenindustrie en vele andere industriële branches. Onze ultrasoonprocessoren zijn uitgerust met eenvoudig te reinigen (clean-in-place CIP? sterilize-in-place SIP) sonotrodes en flowcellen (de natte delen). Hielscher ultrasoontechniek’ Industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. De nauwkeurige instelling van amplitudes en de mogelijkheid om te schakelen tussen lage en hoge amplitudes zijn belangrijk om micro-organismen te stimuleren of te inactiveren. Daardoor kan dezelfde ultrasoonator worden gebruikt om micro-organismen te stimuleren voor toenemende fermentatie of om micro-organismen te inactiveren voor pasteurisatie.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken Hielscher Ultrasonics’ betrouwbare werkpaarden in uw voedselfermentatieproces. Met een kleine voetafdruk en veelzijdige installatieopties kunnen Hielscher ultrasone apparaten eenvoudig worden geïntegreerd of achteraf worden ingebouwd in bestaande productielijnen.

Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics

Voor levensmiddelen geschikte producten moeten worden geproduceerd in overeenstemming met goede productiepraktijken en volgens gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. Hielscher Ultrasoon’ Digitale afzuigsystemen worden geleverd met intelligente software, waardoor het eenvoudig is om het sonicatieproces nauwkeurig in te stellen en te regelen. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters zoals ultrasone energie (totale en netto energie), amplitude, temperatuur, druk (wanneer temperatuur- en druksensoren zijn gemonteerd) met datum- en tijdstempel op de ingebouwde SD-kaart. Hiermee kunt u elke ultrasoon bewerkte partij herzien. Tegelijkertijd zijn de reproduceerbaarheid en een continu hoge productkwaliteit gegarandeerd.
Hielscher Ultrasonics’ Industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200μm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7 gebruik mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
Neem contact met ons op voor meer informatie over de functies en mogelijkheden van onze ultrasone pasteurisatiesystemen. We bespreken graag uw toepassing met u!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: