Fermentarea kombucha îmbunătățită cu ultrasunete

Sonicarea favorizează fermentarea în alimentele fermentate cu ultrasunete, precum kombucha, kimchi și alte legume fermentate, prin intensificarea transferului de masă, dezintegrarea celulelor microbiene, activarea enzimelor și îmbunătățirea omogenității, ceea ce conduce în final la viteze de fermentare accelerate și la obținerea unui produs de calitate superioară. Sonicarea inițiază modificări benefice ale compușilor bioactivi în timpul fermentației lactice, crescând conținutul de compuși nutritivi și fitochimicale.

Kombucha și băuturi fermentate

Kombucha se produce prin fermentarea ceaiului îndulcit cu ajutorul unei „Culturi Simbiotice de Bacterii și Drojdii” (SCOBY), numită adesea și „mamă” sau „ciupercă de ceai”. Varietatea și proporția populațiilor microbiene dintr-un SCOBY pot varia destul de semnificativ. Componenta de drojdii include în general Saccharomyces cerevisiae, împreună cu alte specii de Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces și Kluyveromyces; componenta bacteriană include aproape întotdeauna Komagataeibacter xylinus (fost Gluconacetobacter xylinus), care fermentează alcoolii produși de drojdii în acid acetic și alți acizi, crescând aciditatea și limitând conținutul de etanol.
În mod similar, alte băuturi fermentate, precum sucurile fermentate de fructe și legume, sunt inoculate cu bacterii și drojdii.
Un tratament cu ultrasunete poate îmbunătăți eficiența fermentării și caracteristicile de calitate ale băuturii fermentate, inclusiv conținutul de nutrienți și aroma.

Fermentarea kombucha intensificată cu ultrasunete

Este bine cunoscut faptul că undele ultrasonice stimulează creșterea bacteriilor și a drojdiilor. O sonicare ușoară controlată a culturilor de kombucha (SCOBY, cunoscută și sub denumirea de ciupercă de ceai, fung de ceai sau ciupercă manciuriană) poate, prin urmare, să favorizeze procesul de fermentare și să conducă la randamente mai mari de kombucha într-un timp de fermentare accelerat.
Fermentarea stimulată cu ultrasunete prezintă o permeabilizare sporită a membranelor și, prin urmare, un transfer de masă crescut. Tratamentul sonomecanic cu unde ultrasonice perforează pereții celulari și membranele plasmatice ale microorganismelor (un proces numit sonoporare). Unele celule pot fi chiar rupte. Aceste celule dezintegrate eliberează factori de creștere precum vitamine, nucleotide, aminoacizi și enzime, care ar putea stimula creșterea bacteriilor atât intacte celular, cât și cu membrana compromisă.
Tratamentul cu ultrasunete înainte de fermentare, precum și în fazele lag și log, a prezentat cele mai pronunțate efecte asupra stimulării creșterii bacteriene.

Beneficiile sonicării asupra fermentării kombucha

Cum favorizează ultrasunetele procesul de fermentare și cum ajută la producerea unei kombucha, a unor legume fermentate, a unui koji etc. de calitate mai bună? Sonicarea intensifică fermentarea în mai multe moduri, care sunt prezentate mai jos în contextul kombucha fermentate. Kombucha este o băutură fermentată preparată în mod tradițional cu ceai îndulcit și o cultură simbiotică de bacterii și drojdii (SCOBY). Piureurile de fructe diluate oferă o bază bogată în nutrienți și aromă pentru producția de kombucha. Mai jos veți afla cum ultrasonicarea favorizează producerea băuturilor de kombucha:

• Transfer de masă crescut: Undele ultrasonice creează bule de cavitație microscopice în lichid, ducând la formarea de microcurenți, jeturi de lichid și turbulențe. Această agitare intensifică transferul de masă prin creșterea contactului dintre microorganismele responsabile de fermentare și nutrienții din mediu. Ca urmare, nutrienții sunt absorbiți mai eficient de microorganismele care realizează fermentarea, ceea ce conduce la viteze de fermentare accelerate.
• Dezintegrarea celulelor: Sonicatoarele sunt bine cunoscute pentru eficacitatea lor în liza celulară și extracție. În fermentarea alimentelor, sonicatoarele rup pereții celulari microbieni, eliberând enzime și metaboliți intracelulari care pot cataliza în continuare reacțiile de fermentare. Această dezintegrare intensifică eliberarea compușilor de aromă, a vitaminelor și a acizilor organici din celulele microbiene, contribuind la complexitatea aromei și la bogăția în nutrienți a produsului fermentat. În kombucha de cătină fermentată cu ultrasunete se poate măsura o fracție semnificativ mai mare de compuși fenolici. (cf. Dornan et al., 2020)
• Prepararea substraturilor de fermentare bogate în nutrienți: Extracția cu ultrasunete ajută la prepararea unui substrat de fermentare care pune la dispoziție numeroși nutrienți într-o formă disponibilă pentru digestia microbiană. Aceasta înseamnă că, în substraturile de fermentare tratate cu ultrasunete (de ex. piureuri de fructe și legume), compușii bioactivi precum amidonurile și zaharurile sunt eliberați din matricea intracelulară a celulelor vegetale. Microbii se pot hrăni cu ușurință din substrat, ceea ce accelerează și scurtează procesul de fermentare. Același lucru este valabil pentru polifenoli, flavonoide și vitamine, care sunt eliberate din matricele intracelulare și contribuie la valoarea nutritivă generală a alimentelor sau băuturilor fermentate.
• Activitate enzimatică intensificată: Sonicarea activează sau intensifică activitatea anumitor enzime implicate în procesele de fermentare. De exemplu, crește activitatea celulazei și a amilazei, enzime esențiale pentru descompunerea carbohidraților complecși în zaharuri mai simple, care sunt apoi fermentate de microorganismele prezente în cultura de kombucha.
• Omogenitate îmbunătățită: Deoarece forțele sonicării au întotdeauna ca rezultat amestecarea și combinarea, tratamentul cu ultrasunete asigură o mai bună omogenizare a amestecului de fermentare, ceea ce duce la o distribuție uniformă a nutrienților și microorganismelor în întregul mediu. Această uniformitate favorizează o cinetică de fermentare constantă și obținerea unui produs kombucha de înaltă calitate, cu atribute senzoriale dorite.

Stimularea cu ultrasunete a creșterii microbiene este cea mai eficientă atunci când ultrasunetele sunt aplicate înainte de fermentare sau în fazele lag și log.

Studiu de caz: Stimularea cu ultrasunete a fermentării sucului de mere

Cercetările au arătat că tratamentul cu ultrasunete în fazele lag și logaritmică din timpul fermentării sucului de mere a favorizat creșterea microbiană și a intensificat biotransformarea acidului malic în acid lactic. De exemplu, după sonicarea în faza lag timp de 0,5 h, numărul de microorganisme și conținutul de acid lactic din probele tratate cu ultrasunete la 58,3 W/L au atins 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL și 133,70 ± 7,39 mg/L, valori semnificativ mai mari decât cele din probele nesonicate. Mai mult, ultrasonicarea în fazele lag și logaritmică a avut influențe complexe asupra metabolismului compușilor fenolici din mere, precum acidul clorogenic, acidul cafeic, procianidina B2, catechina și acidul galic. Ultrasunetele ar putea influența pozitiv hidroliza acidului clorogenic în acid cafeic, transformarea procianidinei B2 și decarboxilarea acidului galic. Metabolismul acizilor organici și al aminoacizilor liberi din probele sonicate a fost corelat statistic cu metabolismul fenolic, ceea ce sugerează că ultrasunetele pot favoriza formarea de derivați fenolici prin îmbunătățirea metabolismului microbian al acizilor organici și al aminoacizilor. (cf. Wang et al., 2021)

Studiu de caz: Fermentarea laptelui de soia îmbunătățită cu ultrasunete

Echipa de cercetare a lui Ewe et al. (2012) a investigat efectele ultrasunetelor asupra eficienței metabolice a unor tulpini de lactobacili (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) în timpul fermentării laptelui de soia. S-a observat că tratamentul cu ultrasunete a permeabilizat membranele celulare ale bacteriilor. Membranele celulare permeabilizate au condus la o internalizare îmbunătățită a nutrienților și, ulterior, la o creștere intensificată (P ≺ 0,05). Amplitudinile mai mari și duratele mai lungi ale tratamentului de sonicare au favorizat creșterea lactobacililor în laptele de soia, numărul de celule viabile depășind 9 log CFU/mL. Activitățile specifice intracelulare și extracelulare ale β-glucozidazei lactobacililor au fost, de asemenea, intensificate (P ≺ 0,05) prin ultrasonicare, ceea ce a condus la o bioconversie crescută a izoflavonelor din laptele de soia, în special a genistinei și malonil-genistinei în genisteină. Rezultatele acestui studiu arată că tratamentul cu ultrasunete al celulelor de lactobacili favorizează (P ≺ 0,05) activitatea β-glucozidazei celulelor, în beneficiul unei bioconversii intensificate (P ≺ 0,05) a glucozidelor izoflavonice în aglicone bioactive în laptele de soia. (cf. Ewe et al., 2012)

Micrografii electronice de baleiaj ale lactobacililor fără tratament (A) și ale lactobacililor tratați cu ultrasunete la 60% amplitudine timp de 3 min (B). Cercurile indică celule rupte și celule cu pori.
(Studiu și imagini: ©Ewe et al., 2012)

Extracția compușilor nutritivi și a aromelor în kombucha și băuturile fermentate

Băuturile fermentate din ceai, sucuri și legume, de ex. sucul fermentat de mere sau de dude ori kombucha infuzate cu fructe, beneficiază semnificativ, din punct de vedere al aromei și al nutrienților, de un tratament cu ultrasunete. Undele ultrasonice rup structurile celulare ale materialelor vegetale și eliberează compuși intracelulari precum arome, polifenoli, antioxidanți și flavonoide. În același timp, omogenizarea cu ultrasunete asigură o băutură uniform dispersată și emulsionată, prevenind separarea fazelor și oferind un aspect atractiv pentru consumatori. Mai jos puteți vedea un exemplu de kombucha din fructe de cătină tratată cu ultrasunete, fără separare de faze, în comparație cu o variantă netratată.
Aflați mai multe despre extracția cu ultrasunete a aromelor și nutrienților!

Studiu de caz: Kombucha conservată cu ultrasunete

Tratamentul cu ultrasunete poate influența microbii fie stimulându-i, fie inactivându-i. Și enzimele sunt afectate de sonicare: ultrasunetele pot modifica caracteristicile enzimelor, ale substraturilor și ale reacțiilor acestora. Aceste efecte ale ultrasunetelor de joasă frecvență sunt utilizate în procesarea alimentelor ca alternativă netermică pentru pasteurizarea alimentelor și băuturilor. Sonicarea oferă avantajul controlului precis asupra parametrilor de proces, precum amplitudinea, timpul, temperatura și presiunea, ceea ce permite o inactivare țintită a microorganismelor. Inactivarea încărcăturii microbiene din kombucha și băuturile fermentate permite creșterea duratei de valabilitate și a stabilității produsului. O reducere a microbilor și enzimelor facilitează distribuția comercială datorită duratei de valabilitate prelungite a produsului final. Ultrasonicarea este o metodă de pasteurizare netermică, utilizată deja în procesarea comercială a alimentelor, cum ar fi pasteurizarea sucurilor. În special la amplitudini mai mari, ultrasunetele inactivează bacteriile și drojdiile prin deteriorarea pereților celulari. Aceasta are ca rezultat o creștere microbiană încetinită sau oprită. De exemplu, Kwaw et al. (2018) au investigat ultrasonicarea ca strategie de pasteurizare netermică pentru sucul de dude fermentat lactic. Sucul de dude fermentat tratat cu ultrasunete a avut un conținut mai mare de compuși fenolici (1700,07 ± 2,44 μg/mL) decât proba de control, un suc de dude fermentat netratat. „Dintre tratamentele netermice individuale, ultrasonicarea a cauzat o creștere semnificativă (p < 0,05) a proprietăților fenolice și antioxidante ale sucului de dude fermentat lactic, comparativ cu tratamentul cu lumină pulsată.” (Kwaw et al., 2018)
Deși kombucha este o băutură cunoscută pentru culturile sale vii, o reducere controlată a microbilor poate fi utilizată pentru a prelungi durata de valabilitate a băuturilor kombucha distribuite comercial.
Pasteurizarea termică obișnuită ucide toate drojdiile și bacteriile vii care sunt prezente în mod normal în kombucha și care reprezintă unul dintre principalii factori ai efectelor sale benefice asupra sănătății. Pasteurizarea cu ultrasunete este o metodă de conservare netermică, ce poate fi utilizată fie pentru a reduce numărul de microorganisme, fie pentru a elimina complet microorganismele. Aceasta înseamnă că producătorii comerciali pot aplica ultrasunete la amplitudini mai mici și pe perioade mai scurte pentru a reduce numărul de bacterii și drojdii fără a le elimina complet. Astfel, culturile vii sunt încă prezente în kombucha, deși în număr mai mic, astfel încât durata de valabilitate și timpii de depozitare sunt îmbunătățiți.

Rezultate dovedite științific în kombucha tratată cu ultrasunete

Dornan et al. (2020) au investigat efectele ultrasunetelor de joasă frecvență asupra kombucha preparate cu fructe de cătină, folosind sonicatorul UIP500hdT. Echipa de cercetare a putut demonstra multiple efecte benefice ale ultrasonicării asupra preparatului din fructe de cătină și asupra fermentării ulterioare a kombucha.

Extracția cu ultrasunete din fructele de cătină

Pentru sonicare, fructele de cătină proaspete, întregi (cunoscute și ca sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) au fost transformate în piure cu un blender Vitamix timp de 2 min. S-a adăugat un volum de dH2O egal cu 30% din volumul inițial al piureului și s-a amestecat. Ultrasunetele (90 W, 20 kHz, 10 min) au fost aplicate pe 200 mL de piure diluat folosind procesorul cu ultrasunete UIP500hdT (vedeți imaginea din stânga). Timpul de tratament a fost ales pentru optimizarea nutrienților și menținerea probei într-o stare asemănătoare celei proaspete. Rezultatele extracției cu ultrasunete demonstrează o creștere semnificativă (P ≺ 0,05) cu 10% a randamentului de extracție din pulpă (de la 19,04 ± 0,08 la 20,97 ± 0,29%) și cu 7% pentru semințe (de la 14,81 ± 0,08 la 15,83 ± 0,28%). Această creștere a randamentului de ulei evidențiază funcționalitatea sonicării ca tehnologie eficace și ecologică pentru maximizarea valorii materiei prime. Extracția cu ultrasunete din fructele de cătină a dus la un randament mai mare de ulei și la reducerea timpului de procesare și a consumului de energie, precum și la evitarea solvenților periculoși.

Studiu de caz: Omogenizarea cu ultrasunete a kombucha din fructe de cătină

Kombucha din fructe de cătină (sanddorne) tratată cu ultrasunete a prezentat o stabilitate a produsului semnificativ îmbunătățită. Până în ziua 21 de depozitare, kombucha din fructe sonicată a rămas omogenă. Faptul că nu s-a observat sinereză în kombucha din fructe sonicată pe întreaga durată a studiului (21 de zile, vedeți imaginea de mai jos) arată că ultrasunetele singure reprezintă o tehnică de emulsionare eficientă, capabilă să asigure stabilitatea produsului și să prevină separarea fazelor.

Piure de cătină (P) fără și cu tratament cu ultrasunete (P+US) în ziua 0 și 21.
Studiu și imagine:©Dornan et al., 2020.

Ultrasonicarea pentru oprirea fermentării

Au fost preparate patru probe de kombucha: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrasunete), K+S (kombucha + zaharoză) și K+S+US (kombucha + zaharoză + ultrasunete). Toate probele au fost preparate folosind 200 mL de piure de cătină (P) sau P+US și 12,5 g de SCOBY. K a constat din P și SCOBY. K+US a constat din P+US și SCOBY. K+S a constat din P, 15,0 g de zaharoză și SCOBY. K+S+US a constat din P+US, 15,0 g de zaharoză și SCOBY. Toate probele au fost lăsate să fermenteze într-un loc întunecat, la temperatura camerei, timp de cinci zile. Un al doilea tratament de sonicare (90 W, 20 kHz, 10 min) a fost aplicat probelor K+US și K+S+US pentru a opri fermentarea în ziua 5.

Efectele de conservare ale ultrasunetelor asupra kombucha

În kombucha de cătină, sonicarea a redus încărcătura microbiană inițială cu 2,6 log CFU/mL, oprind astfel procesul de fermentare la un moment ales, pentru a preveni suprafermentarea. În plus, reducerea microbiană controlată contribuie la creșterea duratei de valabilitate și a stabilității produsului final, ceea ce facilitează distribuția comercială a kombucha.
Aflați mai multe despre ultrasonicare ca metodă netermică de pasteurizare a sucurilor!

Rezultate generale în kombucha tratată cu ultrasunete

Ultrasonicarea a redus încărcătura microbiană inițială cu 2,6 log CFU/mL, a crescut valoarea ORAC cu 3% și a crescut indicele de solubilitate în apă (WSI) cu 40% (de la 6,64 la 9,29 g/g), fără sinereză. Rezultatele acestui studiu sugerează că aplicarea ultrasonicării poate intensifica funcționalitatea fenolică în timpul fermentării și este capabilă să reducă sinereza, să crească randamentul de ulei, să reducă încărcătura microbiană și să crească valoarea ORAC cu pierderi minime ale calității nutriționale. (cf. Dornan et al., 2020)

Echipamente cu ultrasunete pentru fabricarea îmbunătățită a kombucha

Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie ultrasonicatoare de înaltă performanță, bioreactoare cu ultrasunete și accesorii pentru procese îmbunătățite de fermentare, extracție și pasteurizare utilizate în industria alimentelor și băuturilor. Sistemele cu ultrasunete Hielscher pentru procesarea alimentelor sunt utilizate pentru numeroase aplicații, fiind o tehnologie sigură, fiabilă și eficientă din punct de vedere al costurilor pentru producerea de alimente și băuturi de înaltă calitate. Instalarea și operarea tuturor procesoarelor cu ultrasunete Hielscher sunt simple: necesită foarte puțin spațiu și pot fi ușor integrate ulterior în instalațiile de procesare existente.
Hielscher Ultrasonics are o experiență îndelungată în aplicarea ultrasunetelor de putere în industria alimentelor și băuturilor, precum și în multe alte ramuri industriale. Procesoarele noastre cu ultrasunete sunt echipate cu sonotrode și celule de flux (părțile umede) ușor de curățat (curățare pe loc CIP / sterilizare pe loc SIP). Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute ușor în funcționare continuă 24/7. Reglarea precisă a amplitudinilor și opțiunea de a comuta între amplitudini mici și mari sunt importante pentru stimularea sau inactivarea microorganismelor. Astfel, același ultrasonicator poate fi utilizat fie pentru a stimula microbii, intensificând fermentarea, fie pentru a inactiva microorganismele în vederea pasteurizării.
Tehnologia de ultimă generație, performanța ridicată și software-ul sofisticat fac din ultrasonicatoarele Hielscher Ultrasonics niște „cai de povară” fiabili în procesul dumneavoastră de fermentare a alimentelor. Datorită amprentei reduse și opțiunilor versatile de instalare, ultrasonicatoarele Hielscher pot fi ușor integrate sau montate ulterior în liniile de producție existente.

Standardizarea proceselor cu Hielscher Ultrasonics

Produsele de calitate alimentară ar trebui fabricate în conformitate cu Bunele Practici de Fabricație (GMP) și conform unor specificații de procesare standardizate. Sistemele digitale de extracție Hielscher Ultrasonics sunt dotate cu software inteligent, care facilitează setarea și controlul precis al procesului de sonicare. Înregistrarea automată a datelor scrie toți parametrii procesului cu ultrasunete, precum energia ultrasonică (energia totală și netă), amplitudinea, temperatura, presiunea (când sunt montați senzori de temperatură și presiune), cu marcaj de dată și oră, pe cardul SD încorporat. Acest lucru vă permite să verificați fiecare lot procesat cu ultrasunete. În același timp, sunt asigurate reproductibilitatea și o calitate constant ridicată a produselor.
Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute ușor în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim greu și în medii solicitante.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre caracteristicile și capacitățile sistemelor noastre de pasteurizare cu ultrasunete. Vom fi bucuroși să discutăm aplicația dumneavoastră!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: