Fermentacja kombuchy usprawniona ultradźwiękami

Sonikacja wspomaga fermentację żywności fermentowanej z wykorzystaniem ultradźwięków, takiej jak kombucha, kimchi i inne fermentowane warzywa, poprzez zwiększanie transportu masy, rozbijanie komórek drobnoustrojów, aktywację enzymów i poprawę jednorodności, co ostatecznie prowadzi do przyspieszenia fermentacji i wytworzenia produktu o doskonałej jakości. Sonikacja inicjuje korzystne zmiany w związkach bioaktywnych podczas fermentacji mlekowej, zwiększając zawartość składników odżywczych i związków fitochemicznych.

Kombucha i napoje fermentowane

Kombuchę wytwarza się poprzez fermentację posłodzonej herbaty z użyciem „symbiotycznej kultury bakterii i drożdży” (SCOBY), powszechnie nazywanej również „matką” lub „grzybem herbacianym”. Różnorodność i proporcje populacji drobnoustrojów w SCOBY mogą się znacznie różnić. Składnik drożdżowy zazwyczaj obejmuje Saccharomyces cerevisiae oraz inne gatunki z rodzajów Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces i Kluyveromyces; składnik bakteryjny niemal zawsze obejmuje Komagataeibacter xylinus (dawniej Gluconacetobacter xylinus), który przekształca w procesie fermentacji alkohole wytwarzane przez drożdże w kwas octowy i inne kwasy, zwiększając kwasowość i ograniczając zawartość etanolu.
Podobnie inne napoje fermentowane, takie jak fermentowane soki owocowe i warzywne, zaszczepia się bakteriami i drożdżami.
Obróbka ultradźwiękami może poprawić wydajność fermentacji oraz cechy jakościowe fermentowanego napoju, w tym zawartość składników odżywczych i smak.

Fermentacja kombuchy intensyfikowana ultradźwiękami

Fale ultradźwiękowe są dobrze znane ze stymulowania wzrostu bakterii i drożdży. Kontrolowana, łagodna sonikacja kultur kombuchy (SCOBY, znanych również jako grzyb herbaciany lub grzyb mandżurski) może zatem wspomagać proces fermentacji i prowadzić do większej wydajności produkcji kombuchy przy skróconym czasie fermentacji.
Fermentacja stymulowana ultradźwiękami wykazuje zwiększoną permeabilizację błon, a tym samym większy transport masy. Obróbka sonomechaniczna falami ultradźwiękowymi perforuje ściany komórkowe i błony komórkowe drobnoustrojów (proces zwany sonoporacją). Niektóre komórki mogą nawet ulec rozerwaniu. Te rozbite komórki uwalniają czynniki wspomagające wzrost, takie jak witaminy, nukleotydy, aminokwasy i enzymy, które mogą stymulować wzrost zarówno bakterii o nienaruszonych komórkach, jak i bakterii z uszkodzonymi błonami.
Obróbka ultradźwiękami przed fermentacją oraz w fazie adaptacji i fazie wzrostu logarytmicznego wykazała najbardziej wyraźny wpływ na stymulację wzrostu bakterii.

Korzyści sonikacji w fermentacji kombuchy

Jak ultradźwięki wspomagają proces fermentacji i pomagają wytwarzać lepszą kombuchę, fermentowane warzywa, koji itp.? Sonikacja intensyfikuje fermentację na kilka sposobów, które przedstawiono poniżej w kontekście fermentacji kombuchy. Kombucha to napój fermentowany tradycyjnie wytwarzany z posłodzonej herbaty oraz symbiotycznej kultury bakterii i drożdży (SCOBY). Rozcieńczone przeciery owocowe stanowią bogatą w składniki odżywcze, pełną smaku bazę do produkcji kombuchy. Poniżej dowiesz się, jak sonikacja wspomaga produkcję

• Zwiększony transport masy: Fale ultradźwiękowe wytwarzają w cieczy mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne, prowadząc do powstawania mikroprzepływów, strug cieczy i turbulencji. Ten ruch zwiększa transport masy poprzez zwiększenie kontaktu między drobnoustrojami odpowiedzialnymi za fermentację a składnikami odżywczymi w podłożu. W rezultacie składniki odżywcze są wydajniej pobierane przez drobnoustroje prowadzące fermentację, co przyspiesza jej przebieg.
• Rozbijanie komórek: Sonikatory są dobrze znane ze swojej skuteczności w lizie komórek i ekstrakcji. Podczas fermentacji żywności sonikatory rozbijają ściany komórkowe drobnoustrojów, uwalniając wewnątrzkomórkowe enzymy i metabolity, które mogą dodatkowo katalizować reakcje fermentacyjne. Rozbijanie to zwiększa uwalnianie związków smakowo-zapachowych, witamin i kwasów organicznych z komórek drobnoustrojów, przyczyniając się do złożoności smaku i bogactwa składników odżywczych fermentowanego produktu. W napoju kombucha z rokitnika, fermentowanym z wykorzystaniem ultradźwięków, można zmierzyć istotnie większy udział związków fenolowych. (por. Dornan et al., 2020)
• Przygotowanie substratów fermentacyjnych bogatych w składniki odżywcze: Ekstrakcja ultradźwiękowa pomaga przygotować substrat fermentacyjny dostarczający wielu składników odżywczych w postaci dostępnej do trawienia przez drobnoustroje. Oznacza to, że w substratach fermentacyjnych poddanych obróbce ultradźwiękami (np. przecierach owocowych i warzywnych) związki bioaktywne, takie jak skrobie i cukry, są uwalniane z wewnątrzkomórkowej matrycy komórek roślinnych. Drobnoustroje mogą łatwo korzystać z substratu jako źródła pożywienia, co przyspiesza i skraca proces fermentacji. To samo dotyczy polifenoli, flawonoidów i witamin, które są uwalniane z matryc wewnątrzkomórkowych i przyczyniają się do ogólnej wartości odżywczej fermentowanej żywności lub napojów.
• Zwiększona aktywność enzymów: Sonikacja aktywuje lub zwiększa aktywność niektórych enzymów uczestniczących w procesach fermentacji. Na przykład zwiększa aktywność celulazy i amylazy, enzymów kluczowych dla rozkładu węglowodanów złożonych do prostszych cukrów, które są następnie fermentowane przez drobnoustroje obecne w kulturze kombuchy.
• Lepsza jednorodność: Ponieważ siły wywoływane przez sonikację zawsze powodują mieszanie, obróbka ultradźwiękami zapewnia lepszą homogenizację mieszaniny fermentacyjnej, prowadząc do równomiernego rozmieszczenia składników odżywczych i drobnoustrojów w całym podłożu. Ta jednorodność sprzyja spójnej kinetyce fermentacji i wytwarzaniu wysokiej jakości kombuchy o pożądanych cechach sensorycznych.

Ultradźwiękowa stymulacja wzrostu drobnoustrojów jest najskuteczniejsza, gdy ultradźwięki stosuje się przed fermentacją lub w fazie adaptacji i fazie wzrostu logarytmicznego.

Studium przypadku: ultradźwiękowa stymulacja fermentacji soku jabłkowego

Badania wykazały, że obróbka ultradźwiękami w fazie adaptacji i fazie wzrostu logarytmicznego podczas fermentacji soku jabłkowego wspomagała wzrost drobnoustrojów i intensyfikowała biotransformację kwasu jabłkowego do kwasu mlekowego. Na przykład po sonikacji przez 0,5 h w fazie adaptacji liczba drobnoustrojów i zawartość kwasu mlekowego w próbkach poddanych obróbce ultradźwiękami przy 58,3 W/L osiągnęły odpowiednio 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL i 133,70 ± 7,39 mg/L, czyli wartości istotnie wyższe niż w próbkach niepoddanych sonikacji. Ponadto sonikacja w fazie adaptacji i fazie wzrostu logarytmicznego miała złożony wpływ na metabolizm związków fenolowych jabłek, takich jak kwas chlorogenowy, kwas kawowy, procyjanidyna B2, katechina i kwas galusowy. Ultradźwięki mogły korzystnie wpływać na hydrolizę kwasu chlorogenowego do kwasu kawowego, przemianę procyjanidyny B2 i dekarboksylację kwasu galusowego. Metabolizm kwasów organicznych i wolnych aminokwasów w próbkach poddanych sonikacji był statystycznie skorelowany z metabolizmem związków fenolowych, co sugeruje, że ultradźwięki mogą sprzyjać tworzeniu pochodnych fenolowych poprzez usprawnienie metabolizmu kwasów organicznych i aminokwasów przez drobnoustroje. (por. Wang et al., 2021)

Studium przypadku: fermentacja mleka sojowego usprawniona ultradźwiękami

Zespół badawczy Ewe et al. (2012) zbadał wpływ ultradźwięków na wydajność metaboliczną szczepów pałeczek kwasu mlekowego (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) podczas fermentacji mleka sojowego. Zaobserwowano, że obróbka ultradźwiękami zwiększała przepuszczalność błon komórkowych bakterii. Zwiększona przepuszczalność błon komórkowych skutkowała lepszym pobieraniem składników odżywczych do wnętrza komórek, a następnie nasileniem wzrostu (P ≺ 0,05). Wyższe amplitudy i dłuższy czas sonikacji wspomagały wzrost pałeczek kwasu mlekowego w mleku sojowym, przy czym liczba żywych komórek przekraczała 9 log CFU/mL. Sonikacja zwiększała również wewnątrzkomórkową i zewnątrzkomórkową aktywność właściwą β-glukozydazy pałeczek kwasu mlekowego (P ≺ 0,05), prowadząc do zwiększonej biokonwersji izoflawonów w mleku sojowym, w szczególności genistyny i malonylogenistyny do genisteiny. Wyniki tego badania pokazują, że obróbka ultradźwiękami komórek pałeczek kwasu mlekowego zwiększa (P ≺ 0,05) aktywność β-glukozydazy w komórkach, sprzyjając zwiększonej (P ≺ 0,05) biokonwersji glukozydów izoflawonowych do bioaktywnych aglikonów w mleku sojowym. (por. Ewe et al., 2012)

Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawiające pałeczki kwasu mlekowego bez obróbki (A) oraz pałeczki kwasu mlekowego poddane obróbce ultradźwiękami przy amplitudzie 60% przez 3 min (B). Okręgi wskazują rozerwane komórki i komórki z porami.
(Badanie i zdjęcia: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcja składników odżywczych i związków smakowo-zapachowych w napoju kombucha i napojach fermentowanych

Fermentowane napoje herbaciane, sokowe i warzywne, np. fermentowany sok jabłkowy lub morwowy albo kombucha z dodatkiem owoców, odnoszą znaczne korzyści z obróbki ultradźwiękami pod względem smaku i zawartości składników odżywczych. Fale ultradźwiękowe rozbijają struktury komórkowe materiałów roślinnych i uwalniają związki wewnątrzkomórkowe, takie jak związki smakowo-zapachowe, polifenole, przeciwutleniacze i flawonoidy. Jednocześnie homogenizacja ultradźwiękowa zapewnia równomierne zdyspergowanie i zemulgowanie napoju, zapobiegając rozdzielaniu faz i nadając mu atrakcyjny dla konsumentów wygląd. Poniżej można zobaczyć przykład kombuchy z owoców rokitnika poddanej obróbce ultradźwiękami, bez rozdzielenia faz, w porównaniu z wersją niepoddaną takiej obróbce.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej ekstrakcji związków smakowo-zapachowych i składników odżywczych!

Studium przypadku: kombucha utrwalana ultradźwiękami

Obróbka ultradźwiękami może oddziaływać na drobnoustroje, stymulując je lub inaktywując. Sonikacja oddziałuje również na enzymy: ultradźwięki mogą zmieniać właściwości enzymów, substratów i ich reakcji. Te efekty ultradźwięków o niskiej częstotliwości wykorzystuje się w przetwórstwie żywności jako nietermiczną alternatywę do pasteryzacji żywności i napojów. Zaletą sonikacji jest precyzyjna kontrola parametrów procesu, takich jak amplituda, czas, temperatura i ciśnienie, co umożliwia ukierunkowaną inaktywację drobnoustrojów. Inaktywacja drobnoustrojów obecnych w napoju kombucha i napojach fermentowanych pozwala wydłużyć okres przydatności do spożycia i zwiększyć stabilność produktu. Redukcja drobnoustrojów i enzymów ułatwia dystrybucję komercyjną dzięki wydłużeniu okresu przydatności produktu końcowego do spożycia. Sonikacja jest nietermiczną metodą pasteryzacji stosowaną już w komercyjnym przetwórstwie żywności, na przykład do pasteryzacji soków. Zwłaszcza przy wyższych amplitudach ultradźwięki inaktywują bakterie i drożdże poprzez uszkadzanie ścian komórkowych. Powoduje to spowolnienie lub zatrzymanie wzrostu drobnoustrojów. Na przykład Kwaw et al. (2018) zbadali ultradźwięki jako strategię nietermicznej pasteryzacji soku morwowego poddanego fermentacji mlekowej. Fermentowany sok morwowy poddany obróbce ultradźwiękami miał wyższą zawartość związków fenolowych (1700,07 ± 2,44 μg/mL) niż próba kontrolna, czyli fermentowany sok morwowy niepoddany obróbce. „Spośród poszczególnych metod obróbki nietermicznej sonikacja spowodowała istotny (p < 0,05) wzrost właściwości fenolowych i przeciwutleniających soku morwowego poddanego fermentacji mlekowej w porównaniu z obróbką światłem pulsacyjnym”. (Kwaw et al., 2018)
Chociaż kombucha jest napojem znanym z zawartości żywych kultur, kontrolowaną redukcję drobnoustrojów można wykorzystać do wydłużenia okresu przydatności do spożycia napojów kombucha dystrybuowanych komercyjnie.
Zwykła pasteryzacja termiczna zabija wszystkie żywe drożdże i bakterie, które normalnie występują w napoju kombucha i są jednym z głównych czynników odpowiadających za jego działanie prozdrowotne. Pasteryzacja ultradźwiękowa jest nietermiczną metodą utrwalania, którą można stosować zarówno do zmniejszania liczby drobnoustrojów, jak i do ich całkowitej eliminacji. Oznacza to, że producenci komercyjni mogą stosować ultradźwięki o niższych amplitudach i przez krótszy czas, aby zmniejszyć liczbę bakterii i drożdży bez ich całkowitej eliminacji. Dzięki temu żywe kultury nadal występują w napoju kombucha, choć w mniejszej liczbie, co wydłuża okres przydatności do spożycia i czas przechowywania.

Naukowo potwierdzone wyniki w napoju kombucha poddanym obróbce ultradźwiękami

Dornan et al. (2020) zbadali wpływ ultradźwięków o niskiej częstotliwości na kombuchę wytwarzaną z owoców rokitnika, wykorzystując sonikator UIP500hdT. Zespół badawczy wykazał wiele korzystnych efektów sonikacji w przygotowaniu owoców rokitnika i późniejszej fermentacji kombuchy.

Ultradźwiękowa ekstrakcja z owoców rokitnika

Do sonikacji świeże, całe owoce rokitnika (znanego również jako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) rozdrobniono na przecier przy użyciu blendera Vitamix przez 2 min. Dodano dH2O w objętości równej 30% początkowej objętości przecieru i zmiksowano. Ultradźwięki (90 W, 20 kHz, 10 min) zastosowano do 200 mL rozcieńczonego przecieru przy użyciu procesora ultradźwiękowego UIP500hdT (zob. zdjęcie po lewej). Czas obróbki dobrano w celu optymalizacji składników odżywczych i utrzymania próbki w stanie zbliżonym do świeżego. Wyniki ekstrakcji ultradźwiękowej wykazują istotny (P ≺ 0,05) wzrost wydajności ekstrakcji z miąższu o 10% (z 19,04 ± 0,08 do 20,97 ± 0,29%) oraz z nasion o 7% (z 14,81 ± 0,08 do 15,83 ± 0,28%). Ten wzrost wydajności pozyskiwania oleju podkreśla przydatność sonikacji jako skutecznej i ekologicznej technologii maksymalizacji wartości surowca. Ekstrakcja ultradźwiękowa z owoców rokitnika skutkowała wyższą wydajnością pozyskiwania oleju, krótszym czasem przetwarzania, mniejszym zużyciem energii oraz uniknięciem stosowania niebezpiecznych rozpuszczalników.

Studium przypadku: ultradźwiękowa homogenizacja kombuchy z owoców rokitnika

Kombucha z owoców rokitnika (sanddorne) poddana obróbce ultradźwiękami wykazała istotnie lepszą stabilność produktu. Do 21. dnia przechowywania kombucha owocowa poddana sonikacji pozostawała jednorodna. Fakt, że przez cały okres badania (21 dni, zob. zdjęcie poniżej) nie zaobserwowano synerezy w owocowym napoju kombucha poddanym sonikacji, pokazuje, że same ultradźwięki są skuteczną techniką emulgowania, zdolną zapewnić stabilność produktu i zapobiegać rozdzielaniu faz.

Przecier z rokitnika (P) bez obróbki ultradźwiękami i po takiej obróbce (P+US) w dniu 0 i 21.
Badanie i zdjęcie:©Dornan et al., 2020.

Sonikacja w celu zatrzymania fermentacji

Przygotowano cztery próbki kombuchy: K (kombucha), K+US (kombucha + ultradźwięki), K+S (kombucha + sacharoza) oraz K+S+US (kombucha + sacharoza + ultradźwięki). Wszystkie próbki przygotowano z użyciem 200 mL przecieru z rokitnika (P) lub P+US oraz 12,5 g SCOBY. K składała się z P i SCOBY. K+US składała się z P+US i SCOBY. K+S składała się z P, 15,0 g sacharozy i SCOBY. K+S+US składała się z P+US, 15,0 g sacharozy i SCOBY. Wszystkie próbki pozostawiono do fermentacji w ciemnym miejscu w temperaturze pokojowej przez pięć dni. Drugą sonikację (90 W, 20 kHz, 10 min) zastosowano do K+US i K+S+US w celu zatrzymania fermentacji w dniu 5.

Wpływ utrwalania ultradźwiękami na kombuchę

W napoju kombucha z rokitnika sonikacja zmniejszyła początkową liczbę drobnoustrojów o 2,6 log CFU/mL, zatrzymując tym samym proces fermentacji w wybranym momencie, aby zapobiec nadmiernej fermentacji. Ponadto kontrolowana redukcja drobnoustrojów pomaga wydłużyć okres przydatności do spożycia i zwiększyć stabilność produktu końcowego, co ułatwia komercyjną dystrybucję kombuchy.
Dowiedz się więcej o sonikacji jako nietermicznej metodzie pasteryzacji soków!

Ogólne wyniki w napoju kombucha poddanym obróbce ultradźwiękami

Sonikacja zmniejszyła początkową liczbę drobnoustrojów o 2,6 log CFU/mL, zwiększyła wartość ORAC o 3% i zwiększyła wskaźnik rozpuszczalności w wodzie (WSI) o 40% (z 6,64 do 9,29 g/g) bez synerezy. Wyniki tego badania sugerują, że zastosowanie sonikacji może poprawić funkcjonalność związków fenolowych podczas fermentacji i umożliwia zmniejszenie synerezy, zwiększenie wydajności pozyskiwania oleju, zmniejszenie liczby drobnoustrojów i zwiększenie ORAC przy minimalnej utracie jakości odżywczej. (por. Dornan et al., 2020)

Urządzenia ultradźwiękowe do usprawnionej produkcji kombuchy

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne sonikatory, bioreaktory ultradźwiękowe i akcesoria do usprawniania procesów fermentacji, ekstrakcji i pasteryzacji stosowanych w produkcji żywności i napojów. Systemy Hielscher do ultradźwiękowego przetwarzania żywności są wykorzystywane w licznych zastosowaniach jako bezpieczna, niezawodna i ekonomiczna technologia wytwarzania wysokiej jakości żywności i napojów. Instalacja i obsługa wszystkich procesorów ultradźwiękowych Hielscher są proste: wymagają one jedynie niewielkiej przestrzeni i można je łatwo zamontować w istniejących zakładach przetwórczych.
Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie doświadczenie w stosowaniu ultradźwięków dużej mocy w przemyśle spożywczym i napojowym oraz w wielu innych gałęziach przemysłu. Nasze procesory ultradźwiękowe są wyposażone w łatwe do czyszczenia (mycie na miejscu CIP / sterylizacja na miejscu SIP) sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z cieczą). Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Precyzyjne dostrajanie amplitud oraz możliwość przełączania między niskimi i wysokimi amplitudami są ważne dla stymulacji lub inaktywacji drobnoustrojów. Dzięki temu ten sam sonikator można wykorzystać do stymulacji drobnoustrojów, nasilając fermentację, lub do ich inaktywacji w celu pasteryzacji.
Najnowocześniejsza technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że urządzenia Hielscher Ultrasonics są niezawodnymi narzędziami w procesie fermentacji żywności. Dzięki niewielkim wymiarom i wszechstronnym możliwościom instalacji sonikatory Hielscher można łatwo zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi lub zamontować w nich w ramach modernizacji.

Standaryzacja procesu z Hielscher Ultrasonics

Produkty spożywcze należy wytwarzać zgodnie z Dobrą Praktyką Produkcyjną (GMP) i ustandaryzowanymi specyfikacjami przetwarzania. Cyfrowe systemy ekstrakcji Hielscher Ultrasonics są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które ułatwia precyzyjne ustawianie i kontrolowanie procesu sonikacji. Automatyczna rejestracja danych zapisuje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak energia ultradźwiękowa (energia całkowita i netto), amplituda, temperatura, ciśnienie (gdy zamontowane są czujniki temperatury i ciśnienia), wraz ze znacznikiem daty i czasu na wbudowanej karcie SD. Umożliwia to przegląd danych każdej partii poddanej obróbce ultradźwiękami. Jednocześnie zapewnione są powtarzalność i stale wysoka jakość produktu.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach i możliwościach naszych systemów pasteryzacji ultradźwiękowej. Chętnie omówimy z Tobą Twoje zastosowanie!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: