Fermentação de Kombucha Ultrassonicamente Melhorada

A sonicação promove a fermentação em alimentos fermentados por ultrassom, como kombucha, kimchi e outros vegetais fermentados, aumentando a transferência de massa, interrompendo as células microbianas, ativando enzimas e melhorando a homogeneidade, levando a taxas de fermentação aceleradas e à produção de um produto de qualidade superior. A sonicação inicia mudanças benéficas nos compostos bioativos durante a fermentação láctica, aumentando o conteúdo de compostos nutricionais e fitoquímicos.

Kombucha e bebidas fermentadas

A Kombucha é produzida pela fermentação do chá açucarado usando uma "Cultura Simbiótica de Bactérias e Leveduras" (SCOBY), também comumente chamada de "mãe"” ou "cogumelo do chá”. A variedade e a proporção de populações microbianas em um 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; o componente bacteriano quase sempre inclui Komagataeibacter xylinus (anteriormente Gluconacetobacter xylinus), que fermenta álcoois produzidos pelas leveduras em ácidos acéticos e outros, aumentando a acidez e limitando o teor de etanol.
Da mesma forma, outras bebidas fermentadas, como sucos fermentados de frutas e vegetais, são inoculadas com bactérias e leveduras.
Um tratamento com ultrassom pode melhorar a eficiência da fermentação e as características de qualidade da bebida fermentada, incluindo teor de nutrientes e sabor.

Fermentação de Kombucha Intensificada Ultrassônica

As ondas de ultrassom são bem conhecidas por estimular o crescimento de bactérias e leveduras. Uma sonicação suave controlada de culturas de kombucha (SCOBY, também conhecido como cogumelo do chá, fungo do chá ou cogumelo da Manchúria) pode, portanto, promover o processo de fermentação e levar a maiores rendimentos de kombucha em um tempo de fermentação acelerado.
A fermentação estimulada por ultrassom mostra permeabilização aprimorada da membrana e, portanto, maior transferência de massa. O tratamento sonomecânico por ondas de ultrassom perfura as paredes celulares e as membranas plasmáticas dos microrganismos (processo denominado sonoporação). Algumas células podem até ser rompidas. Essas células interrompidas liberam fatores promotores de crescimento, como vitaminas, nucleotídeos, aminoácidos e enzimas, que podem estimular o crescimento de bactérias celularmente intactas e comprometidas com a membrana.
O tratamento ultrassônico antes da fermentação, bem como nas fases lag e logarítmica, mostrou os efeitos mais proeminentes na estimulação do crescimento bacteriano.

Os benefícios da sonicação na fermentação da Kombucha

Como o ultrassom promove o processo de fermentação e ajuda a produzir melhor kombucha, fermentos vegetais, koji, etc.? A sonicação intensifica a fermentação de várias maneiras, que são demonstradas abaixo no contexto do kombucha fermentado. Kombucha é uma bebida fermentada tradicionalmente feita com chá adoçado e uma cultura simbiótica de bactérias e leveduras (SCOBY). Os purês de frutas diluídos fornecem uma base saborosa e rica em nutrientes para a produção de kombucha. Abaixo, você aprenderá como a ultrassonografia promove a produção de um

• Maior transferência de massa: As ondas ultrassônicas criam bolhas microscópicas de cavitação no líquido, levando à formação de microfluxo, jatos de líquido e turbulências. Essa agitação aumenta a transferência de massa, aumentando o contato entre os microrganismos responsáveis pela fermentação e os nutrientes do meio. Como resultado, os nutrientes são absorvidos de forma mais eficiente pelos microrganismos em fermentação, levando a taxas de fermentação aceleradas.
• Ruptura celular: Os sonicadores são bem conhecidos por sua eficácia na lise e extração celular. Na fermentação de alimentos, os sonicadores rompem as paredes celulares microbianas, liberando enzimas intracelulares e metabólitos que podem catalisar ainda mais as reações de fermentação. Essa interrupção aumenta a liberação de compostos de sabor, vitaminas e ácidos orgânicos das células microbianas, contribuindo para a complexidade do sabor e a riqueza de nutrientes do produto fermentado. No kombucha de espinheiro fermentado por ultrassom, uma fração significativamente maior de compostos fenólicos pode ser medida. (cf. Dornan et al., 2020)
• Preparação de substratos de fermentação ricos em nutrientes: A extração ultrassônica ajuda a preparar um substrato de fermentação que fornece muitos nutrientes na forma disponível para a digestão microbiana. Isso significa que em substratos de fermentação tratados por ultrassom (por exemplo, purês de frutas e vegetais), compostos bioativos, como amidos e açúcares, são liberados da matriz intracelular das células vegetais. Os micróbios podem se alimentar prontamente do substrato, o que acelera e encurta o processo de fermentação. O mesmo vale para polifenóis, flavonóides e vitaminas, que são liberados das matrizes intracelulares e contribuem para o valor nutricional geral dos alimentos ou bebidas fermentados.
• Atividade enzimática aprimorada: 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 quebrar carboidratos complexos em açúcares mais simples, que são fermentados pelos microrganismos presentes na cultura do kombuchá.
• Homogeneidade aprimorada: Como as forças de sonicação resultam sempre em mistura e mistura, o tratamento ultrassônico garante uma melhor homogeneização da mistura de fermentação, resultando em uma distribuição uniforme de nutrientes e microrganismos por todo o meio. Essa uniformidade promove uma cinética de fermentação consistente e a produção de um produto de kombucha de alta qualidade com atributos sensoriais desejáveis.

A estimulação ultrassônica do crescimento microbiano é mais eficaz quando o ultrassom é aplicado antes da fermentação ou nas fases lag e log.

Estudo de caso: Estimulação ultrassônica da fermentação do suco de maçã

A pesquisa mostrou que o tratamento ultrassônico 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 retardamento 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 UFC/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 de fenólicos de maçã, como ácido clorogênico, ácido cafeico, procianidina B2, catequina e ácido gálico. O ultrassom pode afetar positivamente a hidrólise do ácido clorogênico em ácido cafeico, a transformação da procianidina B2 e a descarboxilação do ácido gálico. O metabolismo de ácidos orgânicos e aminoácidos livres nas amostras sonicadas foi estatisticamente correlacionado com o metabolismo fenólico, implicando que o ultrassom pode beneficiar a derivação fenólica, melhorando o metabolismo microbiano de ácidos orgânicos e aminoácidos. (cf. Wang et al., 2021)

Estudo de caso: Fermentação de leite de soja aprimorada por ultrassom

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 ultrassônico permeabilizou as membranas celulares das bactérias. As membranas celulares permeabilizadas resultaram em uma melhor internalização de nutrientes e subsequente aumento do crescimento (P ≺ 0,05). Maiores amplitudes e maiores durações do tratamento de sonicação promoveram crescimento de lactobacilos no leite de soja, com contagens viáveis superiores a 9 log UFC/mL. As atividades específicas da β-glicosidase intracelular e extracelular dos lactobacilos também foram aumentadas (P ≺ 0,05) pela ultrassonografia, levando ao aumento da bioconversão de isoflavonas no leite de soja, particularmente genistina e genistina malonil em genisteína. Os resultados deste estudo mostram que o tratamento por ultrassom em células de lactobacilos promove (P ≺ 0,05) a atividade de β-glicosidase das células para o benefício da bioconversão aumentada (P ≺ 0,05) de glicosídeos de isoflavonas em agliconas bioativas no leite de soja. (cf. Ewe et al., 2012)

Micrografias eletrônicas de varredura de lactobacilos sem tratamento (A) e lactobacilos tratados com ultrassom a 60% de amplitude por 3 min (B). Círculos mostrando células rompidas e células com poros.
(Estudo e imagens: ©Ewe et al., 2012)

Extração de Compostos Nutricionais e Aromas em Kombucha e Bebidas Fermentadas

Chá fermentado, suco e bebidas vegetais, por exemplo, suco fermentado de maçã ou amora ou kombuchas com infusão de frutas, beneficiam significativamente o sabor e os nutrientes de um tratamento por ultrassom. As ondas de ultrassom interrompem as estruturas celulares dos materiais vegetais e liberam compostos intracelulares, como sabores, polifenóis, antioxidantes e flavonóides. Ao mesmo tempo, a homogeneização ultrassônica fornece uma bebida uniformemente dispersa e emulsionada, evitando a separação de fases e oferecendo uma aparência atraente para os consumidores. Você pode ver um exemplo de um kombucha de bagas de espinheiro-mar tratado por ultrassom sem separação de fases em comparação com uma versão não tratada abaixo.
Leia mais sobre a extração ultrassônica de sabores e nutrientes!

Estudo de caso: Kombucha preservada por ultrassom

O tratamento com ultrassom pode influenciar os micróbios, estimulando-os ou inativando-os. Além disso, as enzimas são afetadas pela sonicação: o ultrassom pode alterar as características das enzimas, substratos e suas reações. Esses efeitos do ultrassom de baixa frequência são usados no processamento de alimentos como uma alternativa não térmica para pasteurizar alimentos e bebidas. A sonicação oferece a vantagem de um controle preciso sobre os parâmetros do processo, como amplitude, tempo, temperatura e pressão, o que permite uma inativação direcionada de microrganismos. A inativação da carga microbiana na kombucha e nas bebidas fermentadas permite aumentar a vida útil e a estabilidade do produto. A redução de micróbios e enzimas facilita a distribuição comercial devido a uma vida útil prolongada do produto final. A ultrassonografia é um método de pasteurização não térmico, que já é usado no processamento comercial de alimentos, como a pasteurização de sucos. Especialmente em amplitudes mais altas, o ultrassom inativa bactérias e leveduras, danificando as paredes celulares. Isso resulta em um crescimento microbiano mais lento ou interrompido. Por exemplo, Kwaw et al. (2018) investigaram o ultrassônico como estratégia de pasteurização não térmica para suco de amora fermentado com ácido lático. O suco de amora fermentado tratado por ultrassom apresentou maior teor de compostos fenólicos (1700,07 ± 2,44 μg/mL) do que o controle, um suco de amora fermentado não tratado. "Entre os tratamentos individuais não térmicos, a ultrassonografia causou um aumento significativo (p < 00,05) aumento nas propriedades fenólicas e antioxidantes do suco de amora fermentado com ácido lático em comparação com o tratamento com luz pulsada. (Kwaw et al., 2018) Embora o kombucha seja uma bebida conhecida por suas culturas de vida, uma redução controlada de micróbios pode ser usada para prolongar a vida útil das bebidas de kombucha distribuídas comercialmente.
A pasteurização térmica regular mata todas as leveduras e bactérias vivas que normalmente estão presentes no kombucha e são um dos principais fatores para seus efeitos promotores da saúde. A pasteurização ultrassônica é um método de preservação não térmico, que pode ser usado para reduzir a contagem microbiana ou eliminar completamente os microrganismos. Isso significa que os produtores comerciais podem aplicar ultrassom em amplitudes mais baixas e por períodos mais curtos para diminuir o número de bactérias e leveduras sem eliminá-lo completamente. Assim, as culturas de vida ainda estão presentes no kombuchá, embora em números menores, de modo que a vida útil e os tempos de armazenamento são melhorados.

Resultados cientificamente comprovados em Kombucha tratada por ultrassom

Dornan et al. (2020) investigaram os efeitos do ultrassom de baixa frequência no kombucha feito com bagas de espinheiro usando o sonicador UIP500hdT. A equipe de pesquisa pôde demonstrar múltiplos efeitos benéficos da ultrassonografia na preparação da baga de espinheiro marítimo e subsequente fermentação do kombucha.

Extração ultrassônica de bagas de espinheiro marítimo

A sonicação de bagas frescas de espinheiro-mar inteiro (também conhecidas como sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) foram purificadas usando um liquidificador Vitamix por 2 min. Um volume de dH2O igual a 30% do volume original do purê foi adicionado e misturado. O ultrassom (90 W, 20 kHz, 10 min) foi aplicado a 200 mL do purê diluído usando o processador ultrassônico UIP500hdT (veja a figura à esquerda). O tempo de tratamento foi escolhido para otimizar os nutrientes e manter a amostra no estado fresco. Os resultados da extração ultrassônica demonstram um aumento significativo (P ≺ 0,05) de 10% no rendimento de extração da polpa (de 19,04 ± 0,08 para 20,97 ± 0,29%) e de 7% para a semente (de 14,81 ± 0,08 para 15,83 ± 0,28%). Esse aumento no rendimento do petróleo destaca a funcionalidade da sonicação como uma tecnologia eficaz e verde para maximizar o valor da matéria-prima. A extração ultrassônica de bagas de espinheiro-mar resultou em maior rendimento de óleo e redução do tempo de processamento, consumo de energia e prevenção de solventes perigosos.

Estudo de caso: Homogeneização ultrassônica de Sea Buckthorn Berry Kombucha

O kombucha de bagas de espinheiro-mar (sanddorne) tratado por ultrassom mostrou uma estabilidade significativamente melhorada do produto. No dia 21 de armazenamento, o kombuchá de bagas sonicadas permaneceu homogêneo. O fato de não ter sido observada sinérese no kombucha de bagas sonicado durante todo o estudo (21 dias, veja a figura abaixo) mostra que o ultrassom sozinho é uma técnica de emulsificação eficaz capaz de produzir estabilidade do produto e evitar a separação de fases.

Purê de espinheiro (P) sem e com tratamento por ultrassom (P + US) nos dias 0 e 21.
Estudo e imagem:©Dornan et al., 2020.

Ultrassom para interromper 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 purê de espinheiro-mar (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 consistiu de P, 15,0 g de sacarose e SCOBY. K+S+US consistiu de P+US, 15,0 g de sacarose e SCOBY. Todas as amostras foram deixadas para fermentar em local escuro à temperatura ambiente por 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 ultrassônica no Kombucha

No kombucha de espinheiro-mar, a sonicação diminuiu a carga microbiana inicial em 2,6 log UFC/mL, interrompendo assim o processo de fermentação em um momento selecionado para evitar a fermentação excessiva. Além disso, a redução microbiana controlada ajuda a aumentar a vida útil e a estabilidade do produto final, o que facilita a distribuição comercial do kombuchá.
Leia mais sobre ultrassom como método de pasteurização de suco não térmico!

Resultados gerais em Kombucha tratada por ultrassom

A ultrassonografia diminuiu a carga microbiana inicial em 2,6 log UFC/mL, aumentou o valor de ORAC em 3% e aumentou o índice de solubilidade em água (WSI) em 40% (de 6,64 para 9,29 g/g) sem sinérese. Os resultados deste estudo sugerem que a aplicação de ultrassom pode melhorar a funcionalidade fenólica durante a fermentação e é capaz de diminuindo a sinérese, aumentando o rendimento do óleo, diminuindo a carga microbiana e aumentando o ORAC com perda mínima de qualidade nutricional. (cf. Dornan et al., 2020)

Equipamento ultrassônico para melhorar a fabricação de Kombucha

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui ultrassônicos de alto desempenho, biorreatores ultrassônicos e acessórios para melhorar os processos de fermentação, extração e pasteurização usados em alimentos & fabricação de bebidas. Os sistemas ultrassônicos de processamento de alimentos Hielscher são usados para múltiplas aplicações, sendo uma tecnologia segura, confiável e econômica para produzir alimentos e bebidas de alta qualidade. A instalação e operação de todos os processadores ultrassônicos Hielscher é simples: eles requerem pouco espaço, podem ser facilmente adaptados às instalações de processamento existentes.
A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na aplicação de ultrassom de potência nos alimentos & indústria de bebidas, bem como muitos outros ramos industriais. Nossos processadores ultrassônicos são equipados com sonotrodos e células de fluxo fáceis de limpar (CIP de limpeza no local / esterilização no local SIP) e células de fluxo (as partes úmidas). Ultrassom de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. A sintonia precisa das amplitudes e a opção de alternar entre amplitudes baixas e altas são importantes para estimular ou inativar os microrganismos. Assim, o mesmo ultrassônico pode ser usado para estimular micróbios que aumentam a fermentação ou para inativar microrganismos para pasteurização.
Tecnologia de ponta, software sofisticado e de alto desempenho fazem da Hielscher Ultrasonics’ cavalos de trabalho confiáveis em seu processo de fermentação de alimentos. Com uma pegada pequena e opções de instalação versáteis, os ultrasonicadores Hielscher podem ser facilmente integrados ou adaptados às linhas de produção existentes.

Padronização de processos com ultrassom Hielscher

Os produtos de qualidade alimentar devem ser produzidos de acordo com as Boas Práticas de Fabrico (BPF) e de acordo com especificações de processamento normalizadas. Os sistemas de extração digital da Hielscher Ultrasonics vêm com software inteligente, o que facilita a configuração e o controle preciso do processo de sonicação. O registro automático de dados grava todos os parâmetros do processo ultrassônico, como energia ultrassônica (energia total e líquida), amplitude, temperatura, pressão (quando os sensores de temperatura e pressão são montados) com carimbo de data e hora no cartão SD integrado. Isso permite que você revise cada lote processado por ultrassom. Ao mesmo tempo, a reprodutibilidade e a alta qualidade contínua do produto são garantidas.
Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassônico da Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes.
Entre em contato conosco para saber mais sobre os recursos e capacidades de nossos sistemas de pasteurização ultrassônica. Teremos o maior prazer em discutir sua inscrição com você!

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: