Ulepszona ultradźwiękowo fermentacja kombuchy

Kombucha to fermentowany napój zawierający herbatę, cukier, bakterie, drożdże i często niewielką ilość soku, owoców lub przypraw jako aromat. Kombucha, jak również sfermentowane soki i soki warzywne są znane z pozytywnego wpływu na zdrowie, wzmacniając mikrobiotę i system odpornościowy. Kontrolowane ultradźwięki poprawiają produkcję kombuchy i innych napojów fermentowanych na różne sposoby: Ultradźwięki mogą stymulować wzrost drożdży i bakterii podczas fermentacji; ekstrahować polifenole, flawonoidy i aromaty z owoców, warzyw i ziół; a także stosowane jako nietermiczna metoda pasteryzacji w celu redukcji drobnoustrojów przed pakowaniem. Ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher są precyzyjnie sterowane i mogą dostarczyć najbardziej odpowiednie natężenie ultradźwięków dla każdego etapu obróbki w produkcji napojów fermentowanych.

Kombucha i napoje fermentowane

Kombucha jest produkowana poprzez fermentację słodzonej herbaty przy użyciu "Symbiotycznej Kultury Bakterii i Drożdży" (SCOBY), zwanej również "matką".” lub "grzybek herbaciany”. Różnorodność i proporcje populacji mikroorganizmów w SCOBY mogą się dość znacznie różnić. Składnik drożdżowy generalnie obejmuje Saccharomyces cerevisiae, wraz z innymi gatunkami Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces i Kluyveromyces; składnik bakteryjny prawie zawsze zawiera Komagataeibacter xylinus (dawniej Gluconacetobacter xylinus), który fermentuje alkohole produkowane przez drożdże do kwasu octowego i innych kwasów, zwiększając kwasowość i ograniczając zawartość etanolu.
Podobnie, inne napoje fermentowane, takie jak fermentowane soki owocowe i warzywne są zaszczepiane bakteriami i drożdżami.
Obróbka ultradźwiękami może poprawić wydajność fermentacji i cechy jakościowe napoju fermentowanego, w tym zawartość składników odżywczych i smak.

Ultradźwiękowa intensyfikacja fermentacji kombuchy

Fale ultradźwiękowe są dobrze znane z tego, że stymulują wzrost bakterii i drożdży. Kontrolowana, łagodna sonikacja kultur kombuchy (SCOBY, znany również jako grzyb herbaciany, grzyb herbaciany lub grzyb mandżurski) może zatem promować proces fermentacji i prowadzić do wyższej wydajności kombuchy w przyspieszonym czasie fermentacji.
Fermentacja stymulowana ultradźwiękami wykazuje zwiększoną permeabilizację membran, a tym samym zwiększony transfer masy. Obróbka sonomechaniczna za pomocą fal ultradźwiękowych powoduje perforację ścian komórkowych i błon plazmatycznych mikroorganizmów (proces zwany sonoporacją). Niektóre komórki mogą nawet zostać rozerwane. Te uszkodzone komórki uwalniają czynniki promujące wzrost, takie jak witaminy, nukleotydy, aminokwasy i enzymy, które mogą stymulować wzrost zarówno nienaruszonych komórkowo, jak i uszkodzonych membranowo bakterii.
Najsilniejszy wpływ na stymulację wzrostu bakterii miały zabiegi ultradźwiękowe przed fermentacją oraz w fazie lag i log.

Ultradźwiękowa stymulacja wzrostu mikroorganizmów jest najbardziej efektywna, gdy ultradźwięki są stosowane przed fermentacją lub w fazach lag i log.

Ultradźwiękowa stymulacja fermentacji soku jabłkowego

Badania wykazały, że traktowanie ultradźwiękami w fazie lag i logarytmicznej podczas fermentacji soku jabłkowego promowało wzrost mikroorganizmów i intensyfikowało biotransformację kwasu jabłkowego do kwasu mlekowego. Na przykład, po sonikacji w fazie lagowej przez 0,5 h, liczba drobnoustrojów i zawartość kwasu mlekowego w próbkach poddanych działaniu ultradźwięków przy 58,3 W/L osiągnęła 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL i 133,70 ± 7,39 mg/L, które były znacząco wyższe niż w próbkach nie poddanych sonikacji. Ponadto, ultradźwięki w fazie lag i logarytmicznej miały złożony wpływ na metabolizm fenoli jabłkowych, takich jak kwas chlorogenowy, kwas kofeinowy, procyjanidyna B2, katechina i kwas galusowy. Ultradźwięki mogły pozytywnie wpływać na hydrolizę kwasu chlorogenowego do kwasu kofeinowego, przemiany procyjanidyny B2 i dekarboksylację kwasu galusowego. Metabolizm kwasów organicznych i wolnych aminokwasów w próbkach poddanych sonikacji był statystycznie skorelowany z metabolizmem fenoli, co sugeruje, że ultradźwięki mogą korzystnie wpływać na pozyskiwanie fenoli poprzez poprawę mikrobiologicznego metabolizmu kwasów organicznych i aminokwasów. (por. Wang et al., 2021)

Ulepszona ultradźwiękowo fermentacja mleka sojowego

Zespół badawczy Ewe i wsp. (2012) badał wpływ ultradźwięków na efektywność metaboliczną szczepów bakterii z rodzaju Lactobacillus (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) podczas fermentacji mleka sojowego. Stwierdzono, że obróbka ultradźwiękowa spowodowała permeabilizację błon komórkowych bakterii. Permeabilizowane błony komórkowe spowodowały lepszą internalizację składników odżywczych, a następnie wzmocnienie wzrostu (P ≺ 0,05). Wyższe amplitudy i dłuższe czasy trwania sonikacji sprzyjały wzrostowi lactobacillus w mleku sojowym, z liczbą bakterii zdolnych do przeżycia przekraczającą 9 log CFU/mL. Wewnątrzkomórkowa i zewnątrzkomórkowa aktywność β-glukozydazy specyficznej dla lactobacillus była również zwiększona (P ≺ 0.05) przez ultradźwięki, co prowadziło do zwiększonej biokonwersji izoflawonów w mleku sojowym, szczególnie genistyny i malonyl genistyny do genisteiny. Wyniki tego badania wskazują, że traktowanie komórek bakterii Lactobacillus ultradźwiękami sprzyja (P ≺ 0,05) aktywności β-glukozydazy w komórkach na korzyść zwiększonej (P ≺ 0,05) biokonwersji glukozydów izoflawonów do bioaktywnych aglikonów w mleku sojowym. (por. Ewe i in., 2012)

Skaningowe mikrografy elektronowe lactobacillusów bez leczenia (A) i lactobacillusów poddanych działaniu ultradźwięków o amplitudzie 60% przez 3 min (B). Okręgi przedstawiają pęknięte komórki i komórki z porami.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcja składników odżywczych i aromatów w Kombucha i napojach fermentowanych

Fermentowana herbata, soki i napoje warzywne, np. fermentowany sok jabłkowy lub morwowy lub kombuchy z dodatkiem owoców, odnoszą znaczące korzyści smakowe i odżywcze z obróbki ultradźwiękami. Fale ultradźwiękowe rozbijają struktury komórkowe materiałów roślinnych i uwalniają wewnątrzkomórkowe związki, takie jak aromaty, polifenole, przeciwutleniacze i flawonoidy. Jednocześnie homogenizacja ultradźwiękowa zapewnia równomiernie rozproszony i zemulgowany napój, co zapobiega rozdzielaniu faz i zapewnia atrakcyjny wygląd dla konsumentów. Poniżej można zobaczyć przykład kombuchy z jagodami rokitnika poddanej działaniu ultradźwięków bez separacji faz w porównaniu z wersją nie poddaną działaniu ultradźwięków.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej ekstrakcji smaku i składników odżywczych!

Ultradźwięki do konserwacji kombuchy

Leczenie ultradźwiękami może wpływać na mikroorganizmy poprzez ich stymulację lub inaktywację. Sonikacja ma również wpływ na enzymy: Ultradźwięki mogą zmieniać właściwości enzymów, substratów i ich reakcji. Te efekty ultradźwięków o niskiej częstotliwości są wykorzystywane w przetwórstwie żywności jako nietermiczna alternatywa dla pasteryzacji żywności i napojów. Sonikacja ma tę zaletę, że umożliwia precyzyjną kontrolę parametrów procesu, takich jak amplituda, czas, temperatura i ciśnienie, co pozwala na ukierunkowaną inaktywację mikroorganizmów. Inaktywacja mikrobów w kombuchach i napojach fermentowanych pozwala na wydłużenie okresu przydatności do spożycia i zwiększenie stabilności produktu. Redukcja mikroorganizmów i enzymów ułatwia dystrybucję handlową ze względu na wydłużony okres przydatności do spożycia produktu końcowego. Ultradźwięki to nietermiczna metoda pasteryzacji, która jest już stosowana w komercyjnym przetwórstwie żywności, np. do pasteryzacji soków. Szczególnie przy wyższych amplitudach, ultradźwięki inaktywują bakterie i drożdże poprzez uszkodzenie ścian komórkowych. Skutkuje to spowolnieniem lub zatrzymaniem wzrostu mikroorganizmów. Na przykład, Kwaw i wsp. (2018) badali ultradźwięki jako strategię nietermicznej pasteryzacji dla soku z morwy fermentowanego kwasem mlekowym. Ultradźwiękowo traktowany fermentowany sok z morwy charakteryzował się wyższą zawartością związków fenolowych (1700,07 ± 2,44 μg/mL) niż kontrola, czyli nietraktowany fermentowany sok z morwy. "Wśród poszczególnych zabiegów nietermicznych, ultradźwięki spowodowały istotny (p < 0.05) wzrost właściwości fenolowych i antyoksydacyjnych soku z morwy poddanego fermentacji kwasem mlekowym w porównaniu do leczenia światłem pulsacyjnym." (Kwaw et al., 2018) Podczas gdy kombucha jest napojem znanym ze swoich kultur życia, kontrolowana redukcja mikrobów może być stosowana w celu przedłużenia okresu przydatności do spożycia komercyjnie dystrybuowanych napojów kombucha. Regularna pasteryzacja termiczna zabija wszystkie żywe drożdże i bakterie, które są normalnie obecne w kombucha i są jednym z głównych czynników jej prozdrowotnego działania. Pasteryzacja ultradźwiękowa jest nietermiczną metodą konserwacji, która może być używana do redukcji liczby mikroorganizmów lub ich całkowitej eliminacji. Oznacza to, że producenci komercyjni mogą stosować ultradźwięki przy niższych amplitudach i przez krótszy czas, aby obniżyć liczbę bakterii i drożdży bez ich całkowitej eliminacji. W ten sposób kultury życia są nadal obecne w kombuczy, chociaż w mniejszej liczbie, co poprawia trwałość i czas przechowywania.

Naukowo potwierdzone wyniki w Kombucha poddanej działaniu ultradźwięków

Dornan i wsp. (2020) badali wpływ ultradźwięków o niskiej częstotliwości na kombuchę sporządzoną z jagód rokitnika, stosując procesor ultradźwiękowy UIP500hdT. Zespół badawczy mógł wykazać wiele korzystnych efektów ultradźwięków na przygotowanie jagód rokitnika i późniejszą fermentację kombuchy.

Ultradźwiękowa ekstrakcja jagód rokitnika (Ultrasonic Sea Buckthorn Berry Extraction)

Świeże, całe jagody rokitnika (znane również jako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) poddano procesowi sonikacji, przecierając je za pomocą blendera Vitamix przez 2 min. Następnie dodawano dH2O w ilości równej 30% pierwotnej objętości przecieru i mieszano. Na 200 mL rozcieńczonego przecieru zastosowano ultradźwięki (90 W, 20 kHz, 10 min), używając do tego celu miksera Vitamix. Procesor ultradźwiękowy UIP500hdT (Hielscher Ultrasonics, Niemcy). Czas obróbki został dobrany tak, aby zoptymalizować zawartość składników odżywczych i utrzymać próbkę w stanie świeżości. Wyniki ekstrakcji ultradźwiękowej wykazały znaczący (P ≺ 0,05) wzrost wydajności ekstrakcji o 10% dla miazgi (z 19,04 ± 0,08 do 20,97 ± 0,29%) i o 7% dla nasion (z 14,81 ± 0,08 do 15,83 ± 0,28%). Ten wzrost wydajności oleju podkreśla funkcjonalność sonikacji jako skutecznej i ekologicznej technologii maksymalizującej wartość surowca. Ekstrakcja ultradźwiękowa z owoców rokitnika pozwoliła na uzyskanie większej wydajności oleju, skrócenie czasu obróbki, zmniejszenie zużycia energii i uniknięcie stosowania niebezpiecznych rozpuszczalników.

Ultradźwiękowa homogenizacja rokitnikowej kombuchy jagodowej

Kombucha jagodowa z rokitnika (sanddorne) poddana działaniu ultradźwięków wykazała znacznie lepszą stabilność produktu. Do 21 dnia przechowywania sonikowana kombucha jagodowa zachowała jednorodność. Fakt, że nie zaobserwowano synerezy w sonikowanej kombucha jagodowej przez cały okres badania (21 dni, patrz rysunek poniżej) pokazuje, że same ultradźwięki są skuteczną techniką emulgowania, która jest w stanie zapewnić stabilność produktu i zapobiec separacji faz.

Przecier z rokitnika (P) bez i z terapią ultradźwiękową (P+US) w dniu 0 i 21.
Opracowanie i zdjęcie: ©Dornan et al., 2020.

Ultrasonikowanie w celu zatrzymania fermentacji

Wykonano cztery próbki kombuchy: K (kombucha), K+US (kombucha + ultradźwięki), K+S (kombucha + sacharoza) oraz K+S+US (kombucha + sacharoza + ultradźwięki). Wszystkie próbki przygotowano z 200 mL przecieru z rokitnika (P) lub P+US i 12,5 g SCOBY. K składał się z P i SCOBY. K+US składał się z P+US i SCOBY. K+S składał się z P, 15,0 g sacharozy i SCOBY. K+S+US składał 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 5. dniu.

Wpływ ultradźwięków na Kombuchę

W kombuchach z rokitnika sonikacja zmniejszyła początkowe obciążenie mikrobiologiczne o 2.6 log CFU/mL, zatrzymując w ten sposób proces fermentacji w wybranym czasie, aby zapobiec nadmiernej fermentacji. Ponadto, kontrolowana redukcja mikroorganizmów pomaga zwiększyć trwałość i stabilność produktu końcowego, co ułatwia komercyjną dystrybucję kombuchy.
Read more about Ultradźwięki jako nietermiczna metoda pasteryzacji soków!

Ogólne wyniki Kombuchy poddanej działaniu ultradźwięków

Ultradźwięki zmniejszyły początkowe obciążenie mikrobiologiczne o 2,6 log CFU/mL, zwiększyły wartość ORAC o 3% i zwiększyły indeks rozpuszczalności w wodzie (WSI) o 40% (z 6,64 do 9,29 g/g) bez synerezy. Wyniki tych badań sugerują, że zastosowanie ultradźwięków może zwiększyć funkcjonalność fenoli podczas fermentacji i jest w stanie zmniejszenie synerezy, zwiększenie wydajności oleju, zmniejszenie obciążenia mikrobiologicznego i zwiększenie ORAC przy minimalnej utracie jakości odżywczej. (por. Dornan et al., 2020)

Sprzęt ultradźwiękowy do lepszego warzenia Kombuchy

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ultradźwięki, bioreaktory ultradźwiękowe i akcesoria do ulepszania procesów fermentacji, ekstrakcji i pasteryzacji stosowanych w przemyśle spożywczym. & produkcja napojów. Ultradźwiękowe systemy obróbki żywności firmy Hielscher znajdują różnorodne zastosowanie jako bezpieczna, niezawodna i ekonomiczna technologia do produkcji wysokiej jakości żywności i napojów. Instalacja i obsługa wszystkich procesorów ultradźwiękowych Hielscher jest prosta: Wymagają one niewiele miejsca, można je łatwo zamontować w istniejących instalacjach przetwórczych.
Hielscher Ultrasonics ma długoletnie doświadczenie w stosowaniu ultradźwięków mocy w przemyśle spożywczym. & przemysł napojów jak również wiele innych gałęzi przemysłu. Nasze procesory ultradźwiękowe wyposażone są w łatwe do czyszczenia (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotrody i flow-cells (części mokre). Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością stosowane w trybie ciągłym 24/7. Precyzyjne dostrojenie amplitud i możliwość przełączania między niskimi i wysokimi amplitudami są ważne dla stymulacji lub inaktywacji mikroorganizmów. W ten sposób ten sam ultradźwiękowy aparat może być użyty do stymulacji mikroorganizmów zwiększających fermentację lub do inaktywacji mikroorganizmów do pasteryzacji.
Najnowocześniejsza technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że Hielscher Ultrasonics’ niezawodne konie robocze w procesie fermentacji żywności. Dzięki niewielkim rozmiarom i różnorodnym możliwościom zabudowy, ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher można łatwo zintegrować lub zamontować w istniejących liniach produkcyjnych.

Standaryzacja procesu za pomocą Hielscher Ultrasonics

Produkty klasy spożywczej powinny być produkowane zgodnie z dobrą praktyką wytwarzania (GMP) i zgodnie ze znormalizowanymi specyfikacjami przetwarzania. Cyfrowe systemy ekstrakcyjne firmy Hielscher Ultrasonics są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które ułatwia precyzyjne ustawianie i sterowanie procesem sondowania. Automatyczna rejestracja danych zapisuje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak energia ultradźwiękowa (energia całkowita i netto), amplituda, temperatura, ciśnienie (po zamontowaniu czujników temperatury i ciśnienia) z datą i godziną na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na korektę każdej partii przetwarzanej ultradźwiękowo. Jednocześnie zapewniona jest powtarzalność i niezmiennie wysoka jakość produktu.
Hielscher Ultrasonics’ przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być z łatwością wykorzystywane w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Prosimy o kontakt z nami, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach i możliwościach naszych ultradźwiękowych systemów pasteryzacji. Chętnie przedyskutujemy z Państwem Państwa aplikację!

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: