Ultrassonicamente melhorado Kombucha Fermentação

A sonicação promove a fermentação em alimentos fermentados por ultra-sons, como a kombucha, o kimchi e outros vegetais fermentados, melhorando a transferência de massa, perturbando as células microbianas, activando as enzimas e melhorando a homogeneidade, o que acaba por conduzir a taxas de fermentação aceleradas e à produção de um produto de qualidade superior. A sonicação inicia alterações benéficas nos compostos bioactivos durante a fermentação láctica, aumentando o conteúdo de compostos nutricionais e fitoquímicos.

Kombucha e bebidas fermentadas

A Kombucha é produzida através da fermentação de chá açucarado utilizando um “Cultura Simbiótica de Bactérias e Leveduras” (SCOBY), também vulgarmente designado por “mãe” OU “cogumelo do chá”. A variedade e o rácio das populações microbianas num SCOBY podem variar significativamente. O componente de levedura geralmente inclui Saccharomyces cerevisiae, juntamente com outras espécies de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces e Kluyveromyces; a componente bacteriana inclui quase sempre Komagataeibacter xylinus (anteriormente Gluconacetobacter xylinus), que fermenta os álcoois produzidos pelas leveduras em ácidos acéticos e outros ácidos, aumentando a acidez e limitando o teor de etanol.
Da mesma forma, outras bebidas fermentadas, tais como sumos de fruta e vegetais fermentados, são inoculadas com bactérias e leveduras.
Um tratamento com ultra-sons pode melhorar a eficiência da fermentação e as caraterísticas de qualidade da bebida fermentada, incluindo o teor de nutrientes e o sabor.

Ultrassonicamente intensificado Kombucha Fermentação

As ondas de ultra-sons são bem conhecidas por estimularem o crescimento de bactérias e leveduras. Uma ligeira sonicação controlada das culturas de kombucha (SCOBY, também conhecido como cogumelo do chá, fungo do chá ou cogumelo da Manchúria) pode, por conseguinte, promover o processo de fermentação e levar a maiores rendimentos de kombucha num tempo de fermentação acelerado.
A fermentação estimulada por ultra-sons mostra uma maior permeabilização da membrana e, assim, uma maior transferência de massa. O tratamento sonomecânico por ondas de ultra-sons perfura as paredes celulares e as membranas plasmáticas dos microrganismos (um processo denominado sonoporação). Algumas células podem mesmo ser rompidas. Estas células rompidas libertam factores de promoção do crescimento, tais como vitaminas, nucleótidos, aminoácidos e enzimas, que podem estimular o crescimento de bactérias intactas do ponto de vista celular, bem como de bactérias com a membrana comprometida.
O tratamento ultrassónico antes da fermentação, bem como nas fases lag e log, mostrou os efeitos mais proeminentes na estimulação do crescimento bacteriano.

Os Benefícios da Sonicação na Fermentação do Kombuchá

Como é que os ultra-sons promovem o processo de fermentação e ajudam a produzir melhor kombucha, fermentos vegetais, koji, etc.? Sonication intenisfies fermentação de várias maneiras, que são demonstrados abaixo no contexto de kombucha fermentado. A Kombucha é uma bebida fermentada tradicionalmente feita com chá adoçado e uma cultura simbiótica de bactérias e leveduras (SCOBY). Os purés de fruta diluídos fornecem uma base rica em nutrientes e saborosa para a produção de kombucha. Abaixo, você vai aprender como ultrassom promove a produção de um

• Aumento da transferência de massa: As ondas ultra-sónicas criam bolhas de cavitação microscópicas no líquido, levando à formação de micro-correntes, jactos de líquido e turbulências. Esta agitação melhora a transferência de massa, aumentando o contacto entre os microrganismos responsáveis pela fermentação e os nutrientes no meio. Como resultado, os nutrientes são absorvidos de forma mais eficiente pelos microrganismos fermentadores, levando a taxas de fermentação aceleradas.
• Perturbação celular: Os sonicadores são bem conhecidos pela sua eficácia na lise e extração de células. Na fermentação alimentar, os sonicadores rompem as paredes celulares microbianas, libertando enzimas intracelulares e metabolitos que podem catalisar ainda mais as reacções de fermentação. Esta perturbação aumenta a libertação de compostos aromáticos, vitaminas e ácidos orgânicos das células microbianas, contribuindo para a complexidade do sabor e a riqueza de nutrientes do produto fermentado. Na kombucha de espinheiro-mar fermentada por ultra-sons, pode ser medida uma fração significativamente mais elevada de compostos fenólicos. (cf. Dornan et al., 2020)
• Preparação de substratos de fermentação ricos em nutrientes: A extração ultra-sónica ajuda a preparar um substrato de fermentação que fornece muitos nutrientes na forma disponível para a digestão microbiana. Isto significa que, em substratos de fermentação tratados por ultra-sons (por exemplo, purés de frutas e vegetais), os compostos bioactivos, tais como amidos e açúcares, são libertados da matriz intracelular das células vegetais. Os micróbios podem alimentar-se facilmente do substrato, o que acelera e encurta o processo de fermentação. O mesmo se aplica aos polifenóis, flavonóides e vitaminas, que são libertados das matrizes intracelulares e contribuem para o valor nutricional global dos alimentos ou bebidas fermentados.
• Atividade enzimática melhorada: A sonicação ativa ou aumenta a atividade de certas enzimas envolvidas nos processos de fermentação. Por exemplo, aumenta a atividade da celulase e da amilase, enzimas cruciais para a decomposição de hidratos de carbono complexos em açúcares mais simples, que são depois fermentados pelos microrganismos presentes na cultura de kombucha.
• Homogeneidade melhorada: Como as forças de sonicação resultam sempre em mistura e homogeneização, o tratamento ultrassónico assegura uma melhor homogeneização da mistura de fermentação, resultando numa distribuição uniforme de nutrientes e microrganismos por todo o meio. Esta uniformidade promove cinética de fermentação consistente e a produção de um produto de kombucha de alta qualidade com atributos sensoriais desejáveis.

A estimulação ultra-sónica do crescimento microbiano é mais eficaz quando os ultra-sons são aplicados antes da fermentação ou nas fases de atraso e de registo.

Estudo de caso: Estimulação ultra-sónica da fermentação do sumo de maçã

A pesquisa mostrou que o tratamento ultra-sônico nas fases lag e logarítmica durante a fermentação do suco de maçã promoveu o crescimento microbiano e intensificou a biotransformação do ácido málico em ácido lático. Por exemplo, após a sonicação na fase de lag por 0,5 h, a contagem microbiana e o teor de ácido lático nas amostras tratadas com ultrassom a 58,3 W / L atingiram 7,91 ± 0,01 Log CFU / mL e 133,70 ± 7,39 mg / L, que foram significativamente maiores do que nas amostras não-sonicadas. Além disso, a ultrassonografia nas fases lag e logarítmica teve influências complexas no metabolismo dos fenólicos da maçã, como ácido clorogênico, ácido cafeico, procianidina B2, catequina e ácido gálico. Os ultra-sons podem afetar positivamente a hidrólise do ácido clorogénico em ácido cafeico, a transformação da procianidina B2 e a descarboxilação do ácido gálico. O metabolismo dos ácidos orgânicos e dos aminoácidos livres nas amostras sonicadas foi estatisticamente correlacionado com o metabolismo fenólico, o que implica que os ultra-sons podem beneficiar a derivação fenólica, melhorando o metabolismo microbiano dos ácidos orgânicos e dos aminoácidos. (cf. Wang et al., 2021)

Estudo de caso: Ultrassom melhorou a fermentação do leite de soja

A equipe de pesquisa de Ewe et al. (2012) investigou os efeitos do ultrassom na eficiência metabólica de cepas de lactobacilos (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) durante a fermentação do leite de soja. Observou-se que o tratamento ultrassónico permeabilizou as membranas celulares das bactérias. As membranas celulares permeabilizadas resultaram em uma melhor internalização de nutrientes e subsequente aprimoramento do crescimento (P ≺ 0,05). Maiores amplitudes e durações mais longas do tratamento de sonicação promoveram o crescimento de lactobacilos no leite de soja, com contagens viáveis superiores a 9 log CFU / mL. As atividades específicas de β-glicosidase intracelular e extracelular de lactobacilos também foram aprimoradas (P ≺ 0,05) por ultrassom, levando ao aumento da bioconversão de isoflavonas no leite de soja, particularmente genistina e malonil genistina para genisteína. Os resultados deste estudo mostram que o tratamento de ultrassom em células de lactobacilos promove (P ≺ 0,05) a atividade de β-glicosidase de células para o benefício do aprimorado (P ≺ 0,05) isoflavona glucosides bioconversão para agliconas bioativas no leite de soja. (cf. Ewe et al., 2012)

Micrografias electrónicas de varrimento de lactobacilos sem tratamento (A) e lactobacilos tratados com ultra-sons a 60% de amplitude durante 3 min (B). Os círculos mostram células rompidas e células com poros.
(Estudo e imagens: ©Ewe et al., 2012)

Extração de compostos nutricionais e aromas em Kombucha e bebidas fermentadas

O chá fermentado, o sumo e as bebidas vegetais, por exemplo, o sumo fermentado de maçã ou de amora ou as kombuchas com infusão de fruta, beneficiam significativamente em termos de sabor e de nutrientes de um tratamento com ultra-sons. As ondas de ultra-sons rompem as estruturas celulares dos materiais vegetais e libertam compostos intracelulares, tais como aromas, polifenóis, antioxidantes e flavonóides. Ao mesmo tempo, a homogeneização por ultra-sons proporciona uma bebida uniformemente dispersa e emulsionada, evitando a separação de fases e oferecendo um aspeto apelativo para os consumidores. Você pode ver um exemplo de um ultrassonicamente tratado mar buckthorns berry kombucha sem separação de fase em comparação com uma versão não tratada abaixo.
Leia mais sobre a extração ultra-sónica de sabores e nutrientes!

Estudo de caso: Kombucha conservada por ultra-sons

O tratamento por ultra-sons pode influenciar os micróbios, estimulando-os ou inactivando-os. As enzimas também são afectadas pela sonicação: Os ultra-sons podem alterar as caraterísticas das enzimas, dos substratos e das suas reacções. Estes efeitos dos ultra-sons de baixa frequência são utilizados no processamento de alimentos como uma alternativa não térmica para pasteurizar alimentos e bebidas. A sonicação oferece a vantagem de um controlo preciso dos parâmetros do processo, tais como a amplitude, o tempo, a temperatura e a pressão, o que permite uma inativação orientada dos microrganismos. A inativação da carga microbiana na kombucha e nas bebidas fermentadas permite aumentar o prazo de validade e a estabilidade do produto. A redução de micróbios e enzimas facilita a distribuição comercial devido a um prazo de validade prolongado do produto final. Ultrasonication é um método de pasteurização não-térmica, que já é usado no processamento de alimentos comerciais, tais como a pasteurização de sucos. Especialmente em amplitudes mais elevadas, os ultra-sons inactivam as bactérias e as leveduras danificando as paredes celulares. Isto resulta num crescimento microbiano mais lento ou parado. Por exemplo, Kwaw et al. (2018) investigaram o ultrassom como estratégia de pasteurização não térmica para suco de amoreira fermentado com ácido lático. O suco de amoreira fermentado ultrassonicamente tratado teve um maior teor de compostos fenólicos (1700,07 ± 2,44 μg/mL) do que o controle, um suco de amoreira fermentado não tratado. “Entre os tratamentos individuais não térmicos, a ultrassonografia causou um aumento significativo (p < 0.05) nas propriedades fenólicas e antioxidantes do sumo de amoreira fermentado com ácido lático em comparação com o tratamento com luz pulsada.” (Kwaw et al., 2018)
Embora a kombucha seja uma bebida conhecida pelas suas culturas vivas, pode ser utilizada uma redução controlada de micróbios para prolongar o prazo de validade das bebidas de kombucha distribuídas comercialmente.
A pasteurização térmica regular mata todas as leveduras e bactérias vivas que estão normalmente presentes na kombucha e que são um dos principais factores para os seus efeitos promotores de saúde. A pasteurização por ultra-sons é um método de preservação não térmico, que pode ser utilizado para reduzir a contagem microbiana ou eliminar completamente os microrganismos. Isto significa que os produtores comerciais podem aplicar ultra-sons a amplitudes mais baixas e durante períodos mais curtos, a fim de reduzir o número de bactérias e leveduras sem as eliminar completamente. Deste modo, as culturas vivas ainda estão presentes na kombucha, embora em menor número, pelo que o prazo de validade e os tempos de armazenamento são melhorados.

Resultados cientificamente comprovados na Kombucha tratada por ultra-sons

Dornan et al. (2020) investigaram os efeitos do ultrassom de baixa frequência em kombucha feito com bagas de espinheiro marinho usando o sonicador UIP500hdT. A equipe de pesquisa poderia demonstrar múltiplos efeitos benéficos da ultrassônica na preparação de bagas de espinheiro marinho e subsequente fermentação de kombucha.

Extração ultra-sónica de bagas de espinheiro marítimo

Sonicação de bagas inteiras e frescas de espinheiro-marítimo (também conhecido como espinheiro-santo; H. rhamnoides cv. Sunny) foram transformadas em puré utilizando um misturador Vitamix durante 2 min. Foi adicionado um volume de dH2O igual a 30% do volume original do puré e misturado. Ultrassom (90 W, 20 kHz, 10 min) foi aplicada a 200 mL do puré diluído usando o processador de ultra-sons UIP500hdT (ver imagem à esquerda). O tempo de tratamento foi escolhido para a otimização de nutrientes e manter a amostra em estado fresco-like. Os resultados da extração ultra-sônica demonstram um aumento significativo (P ≺ 0,05) por 10% de rendimento de extração da polpa (de 19,04 ± 0,08 a 20,97 ± 0,29%) e por 7% para sementes (de 14,81 ± 0,08 a 15,83 ± 0,28%). Este aumento no rendimento do óleo destaca a funcionalidade da sonicação como uma tecnologia eficaz e verde para maximizar o valor da matéria-prima. Extração ultra-sônica de bagas de espinheiro mar resultou em maior rendimento de óleo e tempo de processamento reduzido, consumo de energia, e evitar solventes perigosos.

Estudo de caso: Homogeneização ultra-sônica de Sea Buckthorn Berry Kombucha

O ultrassom tratado espinheiro mar (sanddorne) baga kombucha mostrou uma estabilidade significativamente melhorada do produto. No dia 21 de armazenamento, o kombucha de baga sonicada permaneceu homogéneo. O fato de que nenhuma sinérese foi observada em sonicated berry kombucha para todo o estudo (21 dias, ver imagem abaixo) mostra que o ultrassom sozinho é uma técnica de emulsificação eficaz capaz de produzir a estabilidade do produto e para evitar a separação de fases.

Puré de espinheiro-marítimo (P) sem e com tratamento por ultra-sons (P+US) nos dias 0 e 21.
Estudo e imagem: ©Dornan et al., 2020.

Ultra-sons para parar a fermentação

Foram feitas quatro amostras de kombucha: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrassom), K+S (kombucha + sacarose) e K+S+US (kombucha + sacarose + ultrassom). Todas as amostras foram preparadas com 200 mL de puré de espinheiro marítimo (P) ou P+US e 12,5 g de SCOBY. K consistiu em P e SCOBY. K+US consistia em P+US e SCOBY. K+S consistia em P, 15,0 g de sacarose e SCOBY. K+S+US consistia em P+US, 15,0 g de sacarose e SCOBY. Todas as amostras foram deixadas a fermentar num local escuro à temperatura ambiente durante cinco dias. Um segundo tratamento de sonicação (90 W, 20 kHz, 10 min) foi aplicado a K+US e K+S+US para interromper a fermentação no dia 5.

Efeitos de preservação ultra-sônica em Kombucha

Na kombucha de espinheiro marítimo, a sonicação diminuiu a carga microbiana inicial em 2,6 log UFC/mL, interrompendo assim o processo de fermentação num momento selecionado, a fim de evitar a sobre-fermentação. Além disso, a redução microbiana controlada ajuda a aumentar o prazo de validade e a estabilidade do produto final, o que facilita a distribuição comercial da kombucha.
Leia mais sobre ultrasonication como método de pasteurização de suco não-térmico!

Resultados globais em Kombuchá tratado por ultra-sons

Ultrassom diminuiu a carga microbiana inicial por 2,6 log CFU / mL, aumentou o valor ORAC em 3% e aumentou o índice de solubilidade em água (WSI) em 40% (de 6,64 a 9,29 g / g) sem sinérese. Os resultados deste estudo sugerem que a aplicação de ultra-sons pode melhorar a funcionalidade fenólica durante a fermentação e é capaz de diminuição da sinérese, aumento do rendimento em óleo, diminuição da carga microbiana e aumento do ORAC com uma perda mínima da qualidade nutricional. (cf. Dornan et al., 2020)

Equipamento de ultra-sons para melhorar a produção de Kombucha

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui ultrassons de alto desempenho, biorreactores ultrassónicos e acessórios para melhorar os processos de fermentação, extração e pasteurização utilizados nos alimentos & fabrico de bebidas. Os sistemas de processamento ultrassónico de alimentos da Hielscher são utilizados em múltiplas aplicações, sendo uma tecnologia segura, fiável e rentável para produzir alimentos e bebidas de alta qualidade. A instalação e operação de todos os processadores ultra-sónicos Hielscher é simples: Requerem pouco espaço e podem ser facilmente adaptados às instalações de processamento existentes.
A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na aplicação de ultra-sons de potência no sector alimentar & indústria de bebidas, bem como muitos outros ramos industriais. Os nossos processadores de ultra-sons estão equipados com sonotrodos e células de fluxo (as partes húmidas) fáceis de limpar (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7. A afinação precisa das amplitudes e a opção de alternar entre amplitudes baixas e altas são importantes para estimular ou inativar microrganismos. Assim, o mesmo ultrasonicador pode ser usado para estimular micróbios aumentando a fermentação ou para inativar microrganismos para pasteurização.
Tecnologia de ponta, alto desempenho e software sofisticado fazem da Hielscher Ultrasonics’ Os ultrassons da Hielscher são cavalos de batalha fiáveis no seu processo de fermentação alimentar. Com um tamanho reduzido e opções de instalação versáteis, os ultrassons Hielscher podem ser facilmente integrados ou adaptados às linhas de produção existentes.

Padronização de processos com a Hielscher Ultrasonics

Os produtos de qualidade alimentar devem ser produzidos de acordo com as Boas Práticas de Fabrico (BPF) e com especificações de processamento normalizadas. Hielscher Ultrasonics’ Os sistemas de extração digital são fornecidos com software inteligente, o que facilita a definição e o controlo preciso do processo de sonicação. O registo automático de dados grava todos os parâmetros do processo de ultra-sons, tais como a energia dos ultra-sons (energia total e líquida), a amplitude, a temperatura, a pressão (quando os sensores de temperatura e pressão estão montados) com carimbo de data e hora no cartão SD incorporado. Isto permite-lhe rever cada lote processado por ultra-sons. Ao mesmo tempo, é assegurada a reprodutibilidade e a alta qualidade contínua do produto.
Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço pesado e em ambientes exigentes.
Contacte-nos para saber mais sobre as caraterísticas e a capacidade dos nossos sistemas de pasteurização por ultra-sons. Teremos todo o prazer em discutir a sua aplicação consigo!

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: