Fermentação de kombucha melhorada por ultrassons

A sonicação promove a fermentação em alimentos fermentados com ultrassons, como kombucha, kimchi e outros vegetais fermentados, ao intensificar a transferência de massa, provocar a rutura das células microbianas, ativar enzimas e melhorar a homogeneidade, conduzindo, em última análise, a taxas de fermentação mais rápidas e à produção de um produto de qualidade superior. A sonicação desencadeia alterações benéficas nos compostos bioativos durante a fermentação láctica, aumentando o teor de compostos nutricionais e fitoquímicos.

Kombucha e bebidas fermentadas

A kombucha é produzida através da fermentação de chá açucarado com uma “cultura simbiótica de bactérias e leveduras” (SCOBY), também vulgarmente chamada “mãe” ou “cogumelo do chá”. A variedade e a proporção das populações microbianas numa SCOBY podem variar bastante significativamente. A componente de leveduras inclui geralmente 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, convertendo-os em ácido acético e outros ácidos, aumentando a acidez e limitando o teor de etanol.
De igual modo, outras bebidas fermentadas, como sumos de fruta e de vegetais fermentados, são inoculadas com bactérias e leveduras.
Um tratamento com ultrassons pode melhorar a eficiência da fermentação e as características de qualidade da bebida fermentada, incluindo o teor de nutrientes e o sabor.

Fermentação de kombucha intensificada por ultrassons

As ondas ultrassónicas são bem conhecidas por estimularem o crescimento de bactérias e leveduras. Uma sonicação suave e controlada das culturas de kombucha (SCOBY, também conhecida como cogumelo do chá, fungo do chá ou cogumelo da Manchúria) pode, por isso, promover o processo de fermentação e conduzir a rendimentos mais elevados de kombucha num tempo de fermentação reduzido.
A fermentação estimulada por ultrassons apresenta uma maior permeabilização das membranas e, consequentemente, uma maior transferência de massa. O tratamento sonomecânico com ondas ultrassónicas perfura as paredes celulares e as membranas plasmáticas dos microrganismos (um processo denominado sonoporação). Algumas células podem mesmo sofrer rutura. Estas células rompidas libertam fatores promotores do crescimento, como vitaminas, nucleótidos, aminoácidos e enzimas, que podem estimular o crescimento tanto de bactérias com células intactas como de bactérias com membranas comprometidas.
O tratamento ultrassónico antes da fermentação, bem como nas fases de latência e logarítmica, apresentou os efeitos mais marcantes na estimulação do crescimento bacteriano.

Os benefícios da sonicação na fermentação de kombucha

Como promovem os ultrassons o processo de fermentação e ajudam a produzir melhor kombucha, vegetais fermentados, koji, etc.? A sonicação intensifica a fermentação de várias formas, que são demonstradas abaixo no contexto da kombucha fermentada. A kombucha é uma bebida fermentada tradicionalmente preparada com chá adoçado e uma cultura simbiótica de bactérias e leveduras (SCOBY). Os purés de fruta diluídos proporcionam uma base rica em nutrientes e saborosa para a produção de kombucha. Abaixo, ficará a saber como a sonicação promove a produção de um

• Maior transferência de massa: As ondas ultrassónicas criam bolhas microscópicas de cavitação no líquido, conduzindo à formação de microcorrentes, jatos de líquido e turbulência. Esta agitação intensifica a transferência de massa ao aumentar o contacto entre os microrganismos responsáveis pela fermentação e os nutrientes presentes no meio. Como resultado, os nutrientes são absorvidos de forma mais eficiente pelos microrganismos fermentadores, conduzindo a taxas de fermentação mais rápidas.
• Rutura celular: Os sonicadores são bem conhecidos pela sua eficácia na lise celular e na extração. Na fermentação de alimentos, os sonicadores provocam a rutura das paredes celulares microbianas, libertando enzimas e metabolitos intracelulares que podem catalisar ainda mais as reações de fermentação. Esta rutura intensifica a libertação de compostos de sabor, vitaminas e ácidos orgânicos das células microbianas, contribuindo para a complexidade do sabor e para a riqueza nutricional do produto fermentado. Na kombucha de espinheiro-marítimo fermentada com ultrassons, pode medir-se uma fração significativamente mais elevada de compostos fenólicos. (cf. Dornan et al., 2020)
• Preparação de substratos de fermentação ricos em nutrientes: A extração ultrassónica ajuda a preparar um substrato de fermentação que fornece muitos nutrientes numa forma disponível para a digestão microbiana. Isto significa que, nos substratos de fermentação tratados com ultrassons (por exemplo, purés de fruta e de vegetais), os compostos bioativos, como amidos e açúcares, são libertados da matriz intracelular das células vegetais. Os microrganismos podem alimentar-se facilmente do substrato, o que acelera e encurta o processo de fermentação. O mesmo acontece com os polifenóis, os flavonoides e as vitaminas, que são libertados das matrizes intracelulares e contribuem para o valor nutricional global dos alimentos ou bebidas fermentados.
• Maior atividade enzimática: A sonicação ativa ou intensifica a atividade de determinadas enzimas envolvidas nos processos de fermentação. Por exemplo, aumenta a atividade da celulase e da amilase, enzimas cruciais para decompor 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, o tratamento ultrassónico assegura uma melhor homogeneização da mistura de fermentação, resultando numa distribuição uniforme dos nutrientes e dos microrganismos por todo o meio. Esta uniformidade promove uma cinética de fermentação consistente e a produção de um produto de kombucha de elevada qualidade com atributos sensoriais desejáveis.

A estimulação ultrassónica do crescimento microbiano é mais eficaz quando os ultrassons são aplicados antes da fermentação ou nas fases de latência e logarítmica.

Estudo de caso: estimulação ultrassónica da fermentação de sumo de maçã

A investigação mostrou que o tratamento ultrassónico nas fases de latência e logarítmica durante a fermentação de sumo de maçã promoveu o crescimento microbiano e intensificou a biotransformação do ácido málico em ácido láctico. Por exemplo, após sonicação na fase de latência durante 0,5 h, a contagem microbiana e o teor de ácido láctico nas amostras tratadas com ultrassons a 58,3 W/L atingiram 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL e 133,70 ± 7,39 mg/L, valores significativamente superiores aos das amostras não sonicadas. Além disso, a sonicação nas fases de latência e logarítmica teve influências complexas no metabolismo de compostos fenólicos da maçã, como o ácido clorogénico, o ácido cafeico, a procianidina B2, a catequina e o ácido gálico. Os ultrassons 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 apresentou uma correlação estatística com o metabolismo fenólico, sugerindo que os ultrassons podem favorecer a formação de derivados fenólicos ao melhorar o metabolismo microbiano dos ácidos orgânicos e dos aminoácidos. (cf. Wang et al., 2021)

Estudo de caso: fermentação de leite de soja melhorada por ultrassons

A equipa de investigação de Ewe et al. (2012) investigou os efeitos dos ultrassons na eficiência metabólica de estirpes de lactobacilos (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) durante a fermentação de leite de soja. Observou-se que o tratamento ultrassónico permeabilizou as membranas celulares das bactérias. As membranas celulares permeabilizadas resultaram numa melhor internalização dos nutrientes e num subsequente aumento do crescimento (P ≺ 0,05). Amplitudes mais elevadas e durações mais longas do tratamento de sonicação promoveram o crescimento dos lactobacilos no leite de soja, com contagens de microrganismos viáveis superiores a 9 log CFU/mL. As atividades específicas intracelular e extracelular da β-glucosidase dos lactobacilos também aumentaram (P ≺ 0,05) com a sonicação, conduzindo a uma maior bioconversão das isoflavonas no leite de soja, em particular da genistina e da malonilgenistina em genisteína. Os resultados deste estudo mostram que o tratamento com ultrassons das células de lactobacilos promove (P ≺ 0,05) a atividade da β-glucosidase das células, favorecendo uma maior (P ≺ 0,05) bioconversão dos glucósidos de isoflavonas em agliconas bioativas no leite de soja. (cf. Ewe et al., 2012)

Micrografias de microscopia eletrónica de varrimento de lactobacilos sem tratamento (A) e de lactobacilos tratados com ultrassons a 60% de amplitude durante 3 min (B). Os círculos assinalam células rompidas e células com poros.
(Estudo e imagens: ©Ewe et al., 2012)

Extração de compostos nutricionais e sabores em kombucha e bebidas fermentadas

As bebidas fermentadas à base de chá, sumo e vegetais, por exemplo, sumo de maçã ou de amora fermentado ou kombuchas com infusão de fruta, beneficiam significativamente de um tratamento com ultrassons em termos de sabor e nutrientes. As ondas ultrassónicas provocam a rutura das estruturas celulares dos materiais vegetais e libertam compostos intracelulares, como compostos de sabor, polifenóis, antioxidantes e flavonoides. Ao mesmo tempo, a homogeneização ultrassónica proporciona uma bebida uniformemente dispersa e emulsionada, evitando a separação de fases e oferecendo um aspeto apelativo aos consumidores. Abaixo, pode ver um exemplo de kombucha de bagas de espinheiro-marítimo tratada com ultrassons, sem separação de fases, em comparação com uma versão não tratada.
Saiba mais sobre a extração ultrassónica de sabores e nutrientes!

Estudo de caso: kombucha conservada por ultrassons

O tratamento com ultrassons pode influenciar os microrganismos, estimulando-os ou inativando-os. As enzimas também são afetadas pela sonicação: os ultrassons podem alterar as características das enzimas, dos substratos e das suas reações. Estes efeitos dos ultrassons de baixa frequência são utilizados no processamento de alimentos como alternativa não térmica para pasteurizar alimentos e bebidas. A sonicação oferece a vantagem de um controlo preciso dos parâmetros do processo, como a amplitude, o tempo, a temperatura e a pressão, o que permite uma inativação direcionada dos microrganismos. A inativação da carga microbiana na kombucha e nas bebidas fermentadas permite aumentar o prazo de conservação e a estabilidade do produto. Uma redução dos microrganismos e das enzimas facilita a distribuição comercial devido ao prolongamento do prazo de conservação do produto final. A sonicação é um método de pasteurização não térmica já utilizado no processamento comercial de alimentos, como na pasteurização de sumos. Sobretudo a amplitudes mais elevadas, os ultrassons inativam bactérias e leveduras ao danificar as paredes celulares. Isto resulta num crescimento microbiano mais lento ou interrompido. Por exemplo, Kwaw et al. (2018) investigaram os ultrassons como estratégia de pasteurização não térmica para sumo de amora submetido a fermentação láctica. O sumo de amora fermentado e tratado com ultrassons apresentou um teor mais elevado de compostos fenólicos (1700,07 ± 2,44 μg/mL) do que o controlo, um sumo de amora fermentado não tratado. “Entre os tratamentos não térmicos individuais, a sonicação provocou um aumento significativo (p < 0,05) das propriedades fenólicas e antioxidantes do sumo de amora submetido a fermentação láctica, em comparação com o tratamento com luz pulsada.” (Kwaw et al., 2018)
Embora a kombucha seja uma bebida conhecida pelas suas culturas vivas, pode utilizar-se uma redução controlada dos microrganismos para prolongar o prazo de conservação das bebidas de kombucha distribuídas comercialmente.
A pasteurização térmica convencional mata todas as leveduras e bactérias vivas que estão normalmente presentes na kombucha e que constituem um dos principais fatores dos seus efeitos benéficos para a saúde. A pasteurização ultrassónica é um método de conservação não térmico que pode ser utilizado para reduzir as contagens microbianas ou eliminar completamente os microrganismos. Isto significa que os produtores comerciais podem aplicar ultrassons a amplitudes mais baixas e durante períodos mais curtos para reduzir o número de bactérias e leveduras sem as eliminar completamente. Assim, as culturas vivas continuam presentes na kombucha, embora em menor número, de modo a melhorar o prazo de conservação e os tempos de armazenamento.

Resultados cientificamente comprovados em kombucha tratada com ultrassons

Dornan et al. (2020) investigaram os efeitos dos ultrassons de baixa frequência na kombucha preparada com bagas de espinheiro-marítimo, utilizando o sonicador UIP500hdT. A equipa de investigação conseguiu demonstrar vários efeitos benéficos da sonicação na preparação das bagas de espinheiro-marítimo e na subsequente fermentação de kombucha.

Extração ultrassónica de bagas de espinheiro-marítimo

Para a sonicação, bagas frescas e inteiras de espinheiro-marítimo (também conhecido como sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) foram reduzidas a puré com um liquidificador Vitamix durante 2 min. Foi adicionado um volume de dH2O igual a 30% do volume original do puré, seguido de mistura. Foram aplicados ultrassons (90 W, 20 kHz, 10 min) a 200 mL do puré diluído, utilizando o processador ultrassónico UIP500hdT (ver imagem à esquerda). O tempo de tratamento foi escolhido para otimizar os nutrientes e manter a amostra num estado semelhante ao fresco. Os resultados da extração ultrassónica 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% no das sementes (de 14,81 ± 0,08 para 15,83 ± 0,28%). Este aumento do rendimento em óleo destaca a funcionalidade da sonicação como tecnologia eficaz e ecológica para maximizar o valor da matéria-prima. A extração ultrassónica de bagas de espinheiro-marítimo resultou num maior rendimento em óleo, na redução do tempo de processamento e do consumo de energia e na ausência de utilização de solventes perigosos.

Estudo de caso: homogeneização ultrassónica de kombucha de bagas de espinheiro-marítimo

A kombucha de bagas de espinheiro-marítimo (sanddorne) tratada com ultrassons apresentou uma estabilidade do produto significativamente melhorada. No dia 21 de armazenamento, a kombucha de bagas sonicada permanecia homogénea. O facto de não ter sido observada sinérese na kombucha de bagas sonicada durante todo o estudo (21 dias, ver imagem abaixo) mostra que os ultrassons, por si só, são uma técnica de emulsificação eficaz, capaz de proporcionar estabilidade ao produto e de evitar a separação de fases.

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

Sonicação para interromper a fermentação

Foram preparadas quatro amostras de kombucha: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrassons), K+S (kombucha + sacarose) e K+S+US (kombucha + sacarose + ultrassons). Todas as amostras foram preparadas com 200 mL de puré de espinheiro-marítimo (P) ou P+US e 12,5 g de SCOBY. K era constituída por P e SCOBY. K+US era constituída por P+US e SCOBY. K+S era constituída por P, 15,0 g de sacarose e SCOBY. K+S+US era constituída por 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. Foi aplicado um segundo tratamento de sonicação (90 W, 20 kHz, 10 min) a K+US e K+S+US para interromper a fermentação no dia 5.

Efeitos de conservação dos ultrassons na kombucha

Na kombucha de espinheiro-marítimo, a sonicação reduziu a carga microbiana inicial em 2,6 log CFU/mL, interrompendo assim o processo de fermentação num momento escolhido para evitar a fermentação excessiva. Além disso, a redução microbiana controlada ajuda a aumentar o prazo de conservação e a estabilidade do produto final, o que facilita a distribuição comercial da kombucha.
Saiba mais sobre a sonicação como método de pasteurização não térmica de sumos!

Resultados globais na kombucha tratada com ultrassons

A sonicação reduziu a carga microbiana inicial em 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 para 9,29 g/g), sem sinérese. Os resultados deste estudo sugerem que a aplicação de sonicação pode melhorar a funcionalidade dos compostos fenólicos durante a fermentação e é capaz de diminuir a sinérese, aumentar o rendimento em óleo, diminuir a carga microbiana e aumentar o ORAC com uma perda mínima de qualidade nutricional. (cf. Dornan et al., 2020)

Equipamento ultrassónico para uma produção de kombucha melhorada

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui sonicadores de elevado desempenho, biorreatores ultrassónicos e acessórios para processos melhorados de fermentação, extração e pasteurização utilizados no fabrico de alimentos e bebidas. Os sistemas ultrassónicos da Hielscher para o processamento de alimentos são utilizados em múltiplas aplicações, constituindo uma tecnologia segura, fiável e economicamente eficiente para produzir alimentos e bebidas de elevada qualidade. A instalação e a operação de todos os processadores ultrassónicos da Hielscher são simples: requerem pouco espaço e podem ser facilmente incorporados em instalações de processamento existentes.
A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na aplicação de ultrassons de potência na indústria alimentar e de bebidas, bem como em muitos outros setores industriais. Os nossos processadores ultrassónicos estão equipados com sonotrodos e células de fluxo (as peças em contacto com o líquido) fáceis de limpar (limpeza no local CIP / esterilização no local SIP). Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua, em funcionamento 24/7. O ajuste preciso das amplitudes e a opção de alternar entre amplitudes baixas e altas são importantes para estimular ou inativar microrganismos. Assim, o mesmo sonicador pode ser utilizado para estimular microrganismos, aumentando a fermentação, ou para inativar microrganismos para pasteurização.
A tecnologia de ponta, o elevado desempenho e o software sofisticado tornam os equipamentos da Hielscher Ultrasonics ferramentas de trabalho fiáveis no seu processo de fermentação alimentar. Com uma área de implantação reduzida e opções de instalação versáteis, os sonicadores da Hielscher podem ser facilmente integrados ou incorporados em linhas de produção existentes.

Normalização de processos com a Hielscher Ultrasonics

Os produtos de qualidade alimentar devem ser produzidos de acordo com as Boas Práticas de Fabrico (GMP) e segundo especificações de processamento normalizadas. Os sistemas digitais de extração da Hielscher Ultrasonics incluem software inteligente que facilita a configuração e o controlo preciso do processo de sonicação. O registo automático de dados grava todos os parâmetros do processo ultrassónico, como a energia ultrassónica (energia total e líquida), a amplitude, a temperatura e a pressão (quando estão instalados sensores de temperatura e pressão), com indicação de data e hora, no cartão SD integrado. Isto permite-lhe rever cada lote processado com ultrassons. Ao mesmo tempo, são asseguradas a reprodutibilidade e uma qualidade do produto continuamente elevada.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua, em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em condições de utilização intensiva e em ambientes exigentes.
Contacte-nos agora para saber mais sobre as características e a capacidade dos nossos sistemas de pasteurização ultrassónica. Teremos todo o gosto em discutir a sua aplicação consigo!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: