Ultrasoon verbeterde kombuchafermentatie

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

Kombucha en gefermenteerde dranken

Kombucha wordt geproduceerd door gesuikerde thee te fermenteren met een “symbiotische cultuur van bacteriën en gist” (SCOBY), die ook vaak een “moeder” of “theezwam” wordt genoemd. De diversiteit en verhouding van microbiële populaties in een SCOBY kunnen vrij sterk variëren. De gistcomponent omvat doorgaans Saccharomyces cerevisiae, samen met andere soorten van Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces en Kluyveromyces; de bacteriële component omvat vrijwel altijd Komagataeibacter xylinus (voorheen Gluconacetobacter xylinus), die door de gisten geproduceerde alcoholen fermenteert tot azijnzuur en andere zuren, waardoor de zuurgraad stijgt en het ethanolgehalte wordt beperkt.
Op vergelijkbare wijze worden andere gefermenteerde dranken, zoals gefermenteerde fruit- en groentesappen, geënt met bacteriën en gist.
Een behandeling met ultrageluid kan de fermentatie-efficiëntie en kwaliteitskenmerken van de gefermenteerde drank verbeteren, waaronder het gehalte aan voedingsstoffen en de smaak.

Ultrasoon geïntensiveerde kombuchafermentatie

Het is algemeen bekend dat ultrasone golven de groei van bacteriën en gist stimuleren. Een gecontroleerde, milde sonicatie van kombuchaculturen (SCOBY, ook bekend als theezwam, theeschimmel of Mantsjoerijse paddenstoel) kan daarom het fermentatieproces bevorderen en leiden tot hogere kombuchaopbrengsten binnen een kortere fermentatietijd.
Ultrasoon gestimuleerde fermentatie vertoont een verhoogde membraanpermeabilisatie en daardoor een verhoogde massaoverdracht. De sonomechanische behandeling met ultrasone golven perforeert de celwanden en plasmamembranen van micro-organismen (een proces dat sonoporatie wordt genoemd). Sommige cellen kunnen zelfs worden opengescheurd. Deze ontsloten cellen geven groeibevorderende factoren vrij, zoals vitaminen, nucleotiden, aminozuren en enzymen, die de groei van zowel bacteriën met intacte cellen als bacteriën met beschadigde membranen zouden kunnen stimuleren.
Ultrasone behandeling vóór de fermentatie en tijdens de lag- en logfase vertoonde de meest uitgesproken effecten op de stimulatie van bacteriegroei.

De voordelen van sonicatie voor kombuchafermentatie

Hoe bevordert ultrageluid het fermentatieproces en helpt het om betere kombucha, gefermenteerde groenten, koji enz. te produceren? Sonicatie intensiveert de fermentatie op verschillende manieren, die hieronder worden toegelicht aan de hand 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 leest u hoe ultrasone behandeling de productie bevordert van een

• Verhoogde massaoverdracht: Ultrasone golven creëren microscopische cavitatiebellen in de vloeistof, wat leidt tot de vorming van microstromingen, vloeistofstralen en turbulentie. Deze beweging 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 hogere fermentatiesnelheden.
• Celontsluiting: Sonicatoren staan bekend om hun doeltreffendheid bij cellyse en extractie. Bij voedselfermentatie ontsluiten sonicatoren microbiële celwanden, waardoor intracellulaire enzymen en metabolieten vrijkomen die fermentatiereacties verder kunnen katalyseren. Deze ontsluiting bevordert het vrijkomen van smaakstoffen, vitaminen en organische zuren uit de microbiële cellen, wat bijdraagt aan de smaakcomplexiteit en voedingsrijkdom van het gefermenteerde product. In ultrasoon gefermenteerde duindoornkombucha kan een significant hogere fractie fenolische verbindingen worden gemeten. (vgl. Dornan et al., 2020)
• Bereiding van voedingsrijke fermentatiesubstraten: Ultrasone extractie helpt bij de bereiding van een fermentatiesubstraat dat veel voedingsstoffen in een voor microbiële vertering beschikbare vorm levert. Dit betekent dat in ultrasoon behandelde fermentatiesubstraten (bijv. fruit- en groentepurees) bioactieve verbindingen zoals zetmeel en suikers uit de intracellulaire matrix van plantencellen worden vrijgemaakt. Micro-organismen kunnen zich gemakkelijk met het substraat voeden, wat het fermentatieproces versnelt en verkort. Hetzelfde geldt voor polyfenolen, flavonoïden en vitaminen, die uit intracellulaire matrices vrijkomen en bijdragen aan de totale voedingswaarde van de gefermenteerde voedingsmiddelen of dranken.
• Verhoogde enzymactiviteit: Sonicatie activeert of verhoogt de activiteit van bepaalde enzymen die betrokken zijn bij fermentatieprocessen. Zo verhoogt sonicatie de activiteit van cellulase en amylase, enzymen die essentieel zijn voor de afbraak van complexe koolhydraten tot eenvoudigere suikers, die vervolgens worden gefermenteerd door de micro-organismen in de kombuchacultuur.
• Verbeterde homogeniteit: Aangezien de krachten die bij sonicatie optreden altijd tot mengen leiden, zorgt de ultrasone behandeling voor een betere homogenisatie van het fermentatiemengsel, wat resulteert in een gelijkmatige verdeling van voedingsstoffen en micro-organismen door het gehele medium. Deze gelijkmatigheid bevordert een consistente fermentatiekinetiek en de productie van een hoogwaardig kombuchaproduct met gewenste sensorische eigenschappen.

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

Casestudy: ultrasone stimulatie van appelsapfermentatie

Onderzoek toonde aan dat ultrasone behandeling tijdens de lag- en logaritmische fase van de fermentatie van appelsap de microbiële groei bevorderde en de biotransformatie van appelzuur tot melkzuur intensiveerde. Na sonicatie tijdens de lagfase gedurende 0,5 h bereikten het microbiële kiemgetal en het melkzuurgehalte in de met ultrageluid behandelde monsters bij 58,3 W/L bijvoorbeeld 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL en 133,70 ± 7,39 mg/L, wat significant hoger was dan in de niet-gesoniceerde monsters. Bovendien had ultrasone behandeling tijdens de lag- en logaritmische fase complexe invloeden op het metabolisme van fenolische verbindingen uit appels, zoals chlorogeenzuur, cafeïnezuur, procyanidine B2, catechine en galluszuur. Ultrageluid zou de hydrolyse van chlorogeenzuur tot cafeïnezuur, de omzetting van procyanidine B2 en de decarboxylering van galluszuur positief kunnen beïnvloeden. Het metabolisme van organische zuren en vrije aminozuren in de gesoniceerde monsters was statistisch gecorreleerd met het metabolisme van fenolische verbindingen, wat erop wijst dat ultrageluid de vorming van fenolische derivaten mogelijk kan bevorderen door het microbiële metabolisme van organische zuren en aminozuren te verbeteren. (vgl. Wang et al., 2021)

Casestudy: ultrasoon verbeterde sojamelkfermentatie

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

Rasterelektronenmicroscopische opnamen van lactobacillen zonder behandeling (A) en lactobacillen die gedurende 3 min met ultrageluid bij 60% amplitude zijn behandeld (B). De cirkels geven opengescheurde cellen en cellen met poriën aan.
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Ewe et al., 2012)

Extractie van voedingsstoffen en smaakstoffen in kombucha en gefermenteerde dranken

Gefermenteerde thee-, sap- en groentedranken, bijv. gefermenteerd appel- of moerbeisap of kombucha met toegevoegd fruit, profiteren qua smaak en voedingsstoffen aanzienlijk van een ultrasone behandeling. De ultrasone golven ontsluiten celstructuren van plantaardige materialen en maken intracellulaire verbindingen vrij, zoals smaakstoffen, polyfenolen, antioxidanten en flavonoïden. Tegelijkertijd zorgt ultrasone homogenisatie voor een gelijkmatig gedispergeerde en geëmulgeerde drank, waardoor fasescheiding wordt voorkomen en de drank er aantrekkelijk uitziet voor consumenten. Hieronder ziet u een voorbeeld van ultrasoon behandelde kombucha van duindoornbessen zonder fasescheiding, vergeleken met een onbehandelde variant.
Lees meer over ultrasone extractie van smaakstoffen en voedingsstoffen!

Casestudy: ultrasoon geconserveerde kombucha

Ultrasone behandeling kan micro-organismen beïnvloeden door ze te stimuleren of te inactiveren. Ook enzymen worden door sonicatie beïnvloed: ultrageluid kan de eigenschappen van enzymen, substraten en hun reacties veranderen. Deze effecten van laagfrequent ultrageluid worden in de voedselverwerking gebruikt als een niet-thermisch alternatief voor het pasteuriseren van voedingsmiddelen en dranken. Sonicatie biedt het voordeel van nauwkeurige controle over de procesparameters, zoals amplitude, tijd, temperatuur en druk, waardoor gerichte inactivering van micro-organismen mogelijk is. Door de microbiële belasting in kombucha en gefermenteerde dranken te inactiveren, kunnen de houdbaarheid en productstabiliteit worden verhoogd. Een vermindering van micro-organismen en enzymen vergemakkelijkt de commerciële distributie dankzij een langere houdbaarheid van het eindproduct. Ultrasone behandeling is een niet-thermische pasteurisatiemethode die al in de commerciële voedselverwerking wordt gebruikt, bijvoorbeeld voor de pasteurisatie van sappen. Vooral bij hogere amplitudes inactiveert ultrageluid bacteriën en gist door de celwanden te beschadigen. Dit resulteert in een tragere of gestopte microbiële groei. Kwaw et al. (2018) onderzochten bijvoorbeeld ultrasone behandeling als niet-thermische pasteurisatiestrategie voor melkzuurgefermenteerd moerbeisap. Ultrasoon behandeld gefermenteerd moerbeisap had een hoger gehalte aan fenolische verbindingen (1700,07 ± 2,44 μg/mL) dan de controle, een onbehandeld gefermenteerd moerbeisap. “Van de afzonderlijke niet-thermische behandelingen veroorzaakte ultrasone behandeling een significante (p < 0,05) toename van de fenolische en antioxidatieve eigenschappen van het melkzuurgefermenteerde moerbeisap ten opzichte van de behandeling met gepulseerd licht.” (Kwaw et al., 2018)
Hoewel kombucha een drank is die bekendstaat om zijn levende culturen, kan een gecontroleerde vermindering van micro-organismen worden gebruikt om de houdbaarheid van commercieel gedistribueerde kombuchadranken te verlengen.
Reguliere thermische pasteurisatie doodt alle levende gisten en bacteriën die normaal gesproken in kombucha aanwezig zijn en een van de belangrijkste factoren voor de gezondheidsbevorderende effecten ervan vormen. Ultrasone pasteurisatie is een niet-thermische conserveringsmethode die kan worden gebruikt om het microbiële kiemgetal te verlagen of micro-organismen volledig te elimineren. Dit betekent dat commerciële producenten ultrageluid bij lagere amplitudes en gedurende kortere perioden kunnen toepassen om het aantal bacteriën en gisten te verlagen zonder ze volledig te elimineren. Daardoor zijn er nog steeds levende culturen in de kombucha aanwezig, zij het in lagere aantallen, waardoor de houdbaarheid en bewaartijden worden verbeterd.

Wetenschappelijk bewezen resultaten in 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 behandeling op de bereiding van duindoornbessen en de daaropvolgende kombuchafermentatie aantonen.

Ultrasone extractie van duindoornbessen

Voor de sonicatie werden verse, hele duindoornbessen (ook bekend als sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) gedurende 2 min gepureerd met een Vitamix-blender. Een volume dH2O gelijk aan 30% van het oorspronkelijke pureevolume werd toegevoegd en gemengd. Ultrageluid (90 W, 20 kHz, 10 min) werd met de ultrasone processor UIP500hdT toegepast op 200 mL van de verdunde puree (zie afbeelding links). De behandeltijd werd gekozen om de voedingsstoffen te optimaliseren en het monster in een toestand te houden die vergelijkbaar is met vers materiaal. De resultaten van ultrasone extractie tonen een significante (P ≺ 0,05) toename van de extractieopbrengst uit vruchtvlees met 10% (van 19,04 ± 0,08 tot 20,97 ± 0,29%) en uit zaden met 7% (van 14,81 ± 0,08 tot 15,83 ± 0,28%). Deze toename van de olieopbrengst benadrukt de functionaliteit van sonicatie als een doeltreffende en groene technologie om de waarde van grondstoffen te maximaliseren. Ultrasone extractie uit duindoornbessen resulteerde in een hogere olieopbrengst, een kortere verwerkingstijd, een lager energieverbruik en het vermijden van gevaarlijke oplosmiddelen.

Casestudy: ultrasone homogenisatie van kombucha van duindoornbessen

De ultrasoon behandelde kombucha van duindoornbessen (sanddorne) vertoonde een significant verbeterde productstabiliteit. Op dag 21 van de bewaring was de gesoniceerde bessenkombucha nog steeds homogeen. Het feit dat gedurende het gehele onderzoek (21 dagen, zie afbeelding hieronder) geen synerese in de gesoniceerde bessenkombucha werd waargenomen, toont aan dat ultrageluid op zichzelf een effectieve emulgeertechniek is die productstabiliteit kan bewerkstelligen en fasescheiding kan voorkomen.

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

Ultrasone behandeling om de fermentatie te stoppen

Er werden vier kombuchamonsters gemaakt: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrageluid), K+S (kombucha + sucrose) en K+S+US (kombucha + sucrose + 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 sucrose en SCOBY. K+S+US bestond uit P+US, 15,0 g sucrose en SCOBY. Alle monsters werden vijf dagen op een donkere plaats bij kamertemperatuur gefermenteerd. 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.

Effecten van ultrasone conservering op kombucha

In duindoornkombucha verminderde sonicatie de aanvankelijke microbiële belasting met 2,6 log CFU/mL, waardoor het fermentatieproces op een gekozen tijdstip werd gestopt om overfermentatie te voorkomen. Bovendien helpt de gecontroleerde microbiële reductie de houdbaarheid en stabiliteit van het eindproduct te verhogen, wat de commerciële distributie van kombucha vergemakkelijkt.
Lees meer over ultrasone behandeling als niet-thermische methode voor sappasteurisatie!

Algemene resultaten in ultrasoon behandelde kombucha

Ultrasone behandeling verminderde de aanvankelijke microbiële belasting met 2,6 log CFU/mL, verhoogde de ORAC-waarde met 3% en verhoogde de wateroplosbaarheidsindex (WSI) met 40% (van 6,64 tot 9,29 g/g), zonder synerese. De resultaten van dit onderzoek suggereren dat de toepassing van ultrasone behandeling de functionaliteit van fenolische verbindingen tijdens de fermentatie kan verbeteren en het volgende kan bewerkstelligen: vermindering van synerese, verhoging van de olieopbrengst, vermindering van de microbiële belasting en verhoging van ORAC met minimaal verlies van voedingskwaliteit. (vgl. Dornan et al., 2020)

Ultrasone apparatuur voor een verbeterde bereiding van kombucha

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert sonicatoren met hoge prestaties, ultrasone bioreactoren en accessoires voor verbeterde fermentatie-, extractie- en pasteurisatieprocessen die worden gebruikt bij de productie van voedingsmiddelen en dranken. De ultrasone voedselverwerkingssystemen van Hielscher worden voor uiteenlopende toepassingen gebruikt en vormen een veilige, betrouwbare en kostenefficiënte technologie voor de productie van hoogwaardige voedingsmiddelen en dranken. De installatie en bediening van alle ultrasone processors van Hielscher zijn eenvoudig: ze hebben slechts weinig ruimte nodig en kunnen gemakkelijk achteraf in bestaande verwerkingsinstallaties worden ingebouwd.
Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring met de toepassing van ultrageluid met hoog vermogen in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie en in vele andere industriële sectoren. Onze ultrasone processors zijn uitgerust met gemakkelijk te reinigen (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotrodes en doorstroomcellen (de onderdelen die met het product in contact komen). De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. De nauwkeurige afstemming van amplitudes en de mogelijkheid om tussen lage en hoge amplitudes te schakelen zijn belangrijk om micro-organismen te stimuleren of te inactiveren. Daardoor kan dezelfde sonicator worden gebruikt om micro-organismen te stimuleren en zo de fermentatie te bevorderen, of om micro-organismen te inactiveren voor pasteurisatie.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en verfijnde software maken de apparatuur van Hielscher Ultrasonics tot betrouwbare werkpaarden in uw voedselfermentatieproces. Dankzij hun geringe ruimtebeslag en veelzijdige installatiemogelijkheden kunnen de sonicatoren van Hielscher gemakkelijk in bestaande productielijnen worden geïntegreerd of achteraf worden ingebouwd.

Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics

Producten die geschikt zijn voor consumptie moeten worden geproduceerd volgens goede productiepraktijken (GMP) en gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. De digitale extractiesystemen van Hielscher Ultrasonics worden geleverd met intelligente software, waarmee het sonicatieproces gemakkelijk nauwkeurig kan worden ingesteld en geregeld. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters, zoals ultrasone energie (totale en netto-energie), amplitude, temperatuur en druk (wanneer temperatuur- en druksensoren zijn gemonteerd), met datum- en tijdstempel naar de ingebouwde SD-kaart. Zo kunt u elke ultrasoon verwerkte partij controleren. Tegelijkertijd zijn reproduceerbaarheid en een voortdurend hoge productkwaliteit gewaarborgd.
De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 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-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over de kenmerken en mogelijkheden van onze ultrasone pasteurisatiesystemen. Wij bespreken uw toepassing graag met u!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: