Ультразвуковая ферментация комбучи
Ультразвуковая обработка способствует ферментации в продуктах ультразвуковой ферментации, таких как комбуча, кимчи и другие ферментированные овощи, улучшая массообмен, разрушая микробные клетки, активируя ферменты и улучшая гомогенность, что в конечном итоге приводит к ускорению скорости ферментации и производству продукта высшего качества. Ультразвуковая обработка инициирует благоприятные изменения в биологически активных соединениях во время молочнокислого брожения, увеличивая содержание питательных соединений и фитохимических веществ.
Чайный гриб и ферментированные напитки
Чайный гриб производится путем ферментации сахарного чая с использованием «симбиотической культуры бактерий и дрожжей» (SCOBY), также обычно называемой «матерью»” или «чайный гриб»”. Разнообразие и соотношение микробных популяций в SCOBY может значительно варьироваться. Дрожжевой компонент обычно включает Saccharomyces cerevisiae, наряду с другими видами Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces и Kluyveromyces; В состав бактериального компонента почти всегда входит Komagataeibacter xylinus (ранее Gluconacetobacter xylinus), который ферментирует производимые дрожжами спирты до уксусной и других кислот, повышая кислотность и ограничивая содержание этанола.
Точно так же другие ферментированные напитки, такие как ферментированные фруктовые и овощные соки, заражаются бактериями и дрожжами.
Обработка ультразвуком может улучшить эффективность ферментации и качественные характеристики ферментированного напитка, включая содержание питательных веществ и вкус.
- Более эффективная ферментация
- Экстракция питательных соединений (например, полифенолов, флавоноидов и т.д.)
- Экстракция ароматических соединений
Ультразвуковая интенсификация брожения чайного гриба
Хорошо известно, что ультразвуковые волны стимулируют рост бактерий и дрожжей. Таким образом, контролируемая мягкая ультразвукировка культур чайного гриба (SCOBY, также известного как чайный гриб, чайный гриб или маньчжурский гриб) может способствовать процессу ферментации и привести к более высокому выходу комбучи при ускоренном времени ферментации.
Ферментация с ультразвуковой стимуляцией демонстрирует усиленную мембранную проницаемость и, следовательно, увеличенный массообмен. Сономеханическая обработка ультразвуковыми волнами перфорирует клеточные стенки и плазматические мембраны микроорганизмов (процесс, называемый сонопорацией). Некоторые клетки могут быть даже разорваны. Эти поврежденные клетки высвобождают факторы, способствующие росту, такие как витамины, нуклеотиды, аминокислоты и ферменты, которые могут стимулировать рост клеточно-интактных, а также мембранных бактерий.
Ультразвуковая обработка перед ферментацией, а также в фазах лага и логарифма показала наиболее выраженное влияние на стимуляцию роста бактерий.
Преимущества обработки ультразвуком при брожении чайного гриба
Как ультразвук способствует процессу брожения и помогает лучше производить чайный гриб, овощные закваски, кодзи и т.д.? Ультразвуковая обработка интенсифицирует брожение несколькими способами, которые показаны ниже в контексте ферментированной чайного гриба. Комбуча — это ферментированный напиток, традиционно приготовленный из подслащенного чая и симбиотической культуры бактерий и дрожжей (SCOBY). Разбавленные фруктовые пюре обеспечивают богатую питательными веществами и ароматную основу для производства чайного гриба. Ниже вы узнаете, как ультразвук способствует производству
- Повышенный массообмен: Ультразвуковые волны создают в жидкости микроскопические кавитационные пузырьки, что приводит к образованию микропотоков, струй жидкости и турбулентностей. Такое перемешивание улучшает массоперенос за счет увеличения контакта между микроорганизмами, ответственными за брожение, и питательными веществами в среде. В результате питательные вещества более эффективно усваиваются ферментирующими микроорганизмами, что приводит к ускорению скорости брожения.
- Разрушение клеток: Ультразвуковые аппараты хорошо известны своей эффективностью лизиса и экстракции клеток. При ферментации пищи ультразвуковые аппараты разрушают стенки микробных клеток, высвобождая внутриклеточные ферменты и метаболиты, которые могут еще больше катализировать реакции ферментации. Это нарушение усиливает высвобождение ароматических соединений, витаминов и органических кислот из микробных клеток, способствуя усложнению вкуса и богатству питательных веществ ферментированного продукта. В облепиховом чайном грибе, ферментированном ультразвуком, можно измерить значительно более высокую фракцию фенольных соединений. (ср. Dornan et al., 2020)
- Приготовление богатых питательными веществами субстратов для брожения: Ультразвуковая экстракция помогает подготовить ферментационный субстрат, который обеспечивает множество питательных веществ в доступной форме для микробного переваривания. Это означает, что в субстратах ферментации, подвергшемся ультразвуковой обработке (например, фруктовых и овощных пюре) биологически активные соединения, такие как крахмалы и сахара, высвобождаются из внутриклеточного матрикса растительных клеток. Микробы могут легко питаться субстратом, что ускоряет и сокращает процесс брожения. То же самое касается полифенолов, флавоноидов и витаминов, которые выделяются из внутриклеточных матриц и вносят свой вклад в общую пищевую ценность ферментированной пищи или напитков.
- Повышенная активность ферментов: Ультразвуковая обработка активирует или усиливает активность определенных ферментов, участвующих в процессах брожения. Например, он повышает активность целлюлазы и амилазы, ферментов, имеющих решающее значение для расщепления сложных углеводов на более простые сахара, которые затем ферментируются микроорганизмами, присутствующими в культуре чайного гриба.
- Улучшенная однородность: Поскольку сила ультразвука всегда приводит к смешиванию и смешиванию, ультразвуковая обработка обеспечивает лучшую гомогенизацию ферментационной смеси, что приводит к равномерному распределению питательных веществ и микроорганизмов по всей среде. Такая однородность способствует стабильной кинетике ферментации и производству высококачественного продукта из чайного гриба с желаемыми органолептическими свойствами.
Пример из практики: ультразвуковая стимуляция брожения яблочного сока
Исследования показали, что ультразвуковая обработка в лаговой и логарифмической фазах во время брожения яблочного сока способствовала росту микроорганизмов и интенсифицировала биотрансформацию яблочной кислоты в молочную. Например, после ультразвуковой обработки в лаг-фазе в течение 0,5 ч микробное количество и содержание молочной кислоты в образцах, обработанных ультразвуком, на уровне 58,3 Вт/л достигало 7,91 ± 0,01 Log КОЕ/мл и 133,70 ± 7,39 мг/л, что было значительно выше, чем в образцах, обработанных ультразвуком. Кроме того, ультразвук в лаговой и логарифмической фазах оказывал комплексное влияние на метаболизм яблочных фенолов, таких как хлорогеновая кислота, кофейная кислота, процианидин В2, катехин и галловая кислота. Ультразвук может положительно влиять на гидролиз хлорогеновой кислоты до кофейной кислоты, превращение процианидина В2 и декарбоксилирование галловой кислоты. Метаболизм органических кислот и свободных аминокислот в образцах, обработанных ультразвуком, статистически коррелировал с фенольным метаболизмом, что позволяет предположить, что ультразвук может способствовать фенольному образованию за счет улучшения микробного метаболизма органических кислот и аминокислот. (ср. Wang et al., 2021)
Практический пример: Ультразвуковое ферментация соевого молока
Исследовательская группа Ewe et al. (2012) исследовала влияние ультразвука на метаболическую эффективность штаммов лактобактерий (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) во время ферментации соевого молока. Было замечено, что ультразвуковая обработка проникает в клеточные мембраны бактерий. Пермеабилизированные клеточные мембраны привели к улучшению усвоения питательных веществ и последующему усилению роста (P ≺ 0,05). Более высокие амплитуды и более длительная продолжительность обработки ультразвуком способствовали росту лактобактерий в соевом молоке с жизнеспособным количеством, превышающим 9 log КОЕ/мл. Внутриклеточная и внеклеточная специфическая активность лактобактерий к β-глюкозидазе также была усилена (P ≺ 0,05) с помощью ультразвука, что привело к увеличению биоконверсии изофлавонов в соевом молоке, в частности генистина и малонилгенистина, в генистеин. Результаты этого исследования показывают, что ультразвуковое воздействие на клетки лактобактерий способствует (P ≺ 0,05) активности клеток β-глюкозидазы в пользу усиленной (P ≺ 0,05) биоконверсии изофлавонных глюкозидов в биоактивные агликоны в соевом молоке. (ср. Ewe et al., 2012)
Экстракция питательных соединений и ароматизаторов в чайном грибе и ферментированных напитках
Ферментированный чай, соки и овощные напитки, например, ферментированный яблочный или тутовый сок или фруктовая комбуча, значительно улучшают вкус и питательные вещества от ультразвуковой обработки. Ультразвуковые волны разрушают клеточные структуры растительных материалов и высвобождают внутриклеточные соединения, такие как ароматизаторы, полифенолы, антиоксиданты и флавоноиды. В то же время ультразвуковая гомогенизация обеспечивает равномерное диспергирование и эмульгирование напитка, предотвращая фазовое разделение и предлагая привлекательный внешний вид для потребителей. Ниже вы можете увидеть пример комбучи из ягод облепихи, обработанной ультразвуком, без разделения фаз в сравнении с необработанным вариантом.
Узнайте больше об ультразвуковой экстракции ароматизаторов и питательных веществ!
Практический пример: Комбуча с ультразвуковой консервацией
Ультразвуковое лечение может воздействовать на микробы, стимулируя или инактивируя их. Кроме того, на ферменты влияет ультразвуковая обработка: ультразвук может изменять характеристики ферментов, субстратов и их реакции. Эти эффекты низкочастотного ультразвука используются в пищевой промышленности в качестве нетермической альтернативы пастеризации продуктов питания и напитков. Ультразвуковая обработка обеспечивает преимущество точного контроля параметров процесса, таких как амплитуда, время, температура и давление, что позволяет целенаправленно инактивировать микроорганизмы. Инактивация микробной нагрузки в чайном грибе и ферментированных напитках позволяет увеличить срок хранения и стабильность продукта. Уменьшение количества микробов и ферментов способствует коммерческому распространению благодаря длительному сроку хранения конечного продукта. Ультразвук — это метод нетермической пастеризации, который уже используется в коммерческой пищевой промышленности, такой как пастеризация соков. Особенно при больших амплитудах ультразвук инактивирует бактерии и дрожжи, повреждая клеточные стенки. Это приводит к замедлению или остановке роста микроорганизмов. Например, Kwaw et al. (2018) исследовали ультразвуковую технологию как нетермическую стратегию пастеризации для сока шелковицы, ферментированного молочной кислотой. Сброженный сок шелковицы, обработанный ультразвуком, имел более высокое содержание фенольных соединений (1700,07 ± 2,44 мкг/мл), чем контрольный сок необработанного сброженного шелковицы. «Среди отдельных нетермических обработок ультразвуковое исследование вызывало значительный (p < 0.05) повышение фенольных и антиоксидантных свойств ферментированного молочной кислотой сока шелковицы по сравнению с обработкой импульсным светом». (Квау и др., 2018)
В то время как чайный гриб является напитком, известным своими культурами жизни, контролируемое сокращение микробов может быть использовано для продления срока годности коммерчески распространяемых напитков из комбучи.
Регулярная термическая пастеризация убивает все живые дрожжи и бактерии, которые обычно присутствуют в чайном грибе и являются одним из основных факторов его оздоровительного эффекта. Ультразвуковая пастеризация — это метод нетермической консервации, который может быть использован либо для снижения количества микроорганизмов, либо для полного уничтожения микроорганизмов. Это означает, что коммерческие производители могут применять ультразвук с более низкой амплитудой и в течение более коротких периодов времени, чтобы снизить количество бактерий и дрожжей без полного устранения. Таким образом, живые культуры все еще присутствуют в чайном грибе, хотя и в меньшем количестве, что позволяет сократить срок годности и время хранения.
Научно доказанные результаты при ультразвуковой обработке чайного гриба
Dornan et al. (2020) исследовали влияние низкочастотного ультразвука на чайный гриб, приготовленный из ягод облепихи, с помощью ультразвукового аппарата UIP500hdT. Исследовательская группа смогла продемонстрировать множественные полезные эффекты ультразвука на приготовление ягод облепихи и последующую ферментацию чайного гриба.
Ультразвуковая экстракция ягод облепихи
Свежие цельные ягоды облепихи (также известные как санддорн; H. rhamnoides cv. Sunny) пюрировали в блендере Vitamix в течение 2 минут. Добавляли объем dH2O, равный 30% от исходного объема пюре, и смешивали. Ультразвук (90 Вт, 20 кГц, 10 мин) подавался на 200 мл разбавленного пюре с помощью ультразвукового процессора UIP500hdT (см. рисунок слева). Время обработки было выбрано таким образом, чтобы оптимизировать содержание питательных веществ и сохранить образец в свежем состоянии. Результаты ультразвуковой экстракции демонстрируют достоверное (P ≺ 0,05) увеличение на 10% выхода экстракции из пульпы (с 19,04 ± 0,08 до 20,97 ± 0,29%) и на 7% для семян (с 14,81 ± 0,08 до 15,83 ± 0,28%). Такое увеличение выхода масла подчеркивает функциональность ультразвука как эффективной и экологичной технологии для максимизации стоимости сырья. Ультразвуковая экстракция из ягод облепихи привела к увеличению выхода масла и сокращению времени обработки, энергопотребления и предотвращению использования опасных растворителей.
Пример из практики: ультразвуковая гомогенизация ягод облепихи комбучи
При ультразвуковой обработке облепихи (санддорн) ягодами комбучи показала значительно улучшенную стабильность продукта. К 21-му дню хранения обработанная ультразвуком ягодная комбуча оставалась однородной. Тот факт, что в течение всего исследования (21 день, см. рисунок ниже) не наблюдался синерезиса в сочетании с ультразвуком, показывает, что ультразвук сам по себе является эффективным методом эмульгирования, способным обеспечить стабильность продукта и предотвратить фазовое разделение.
Ультразвуковое воздействие для остановки брожения
Было изготовлено четыре образца чайного гриба: K (чайный гриб), K+US (чайный гриб + ультразвук), K+S (чайный гриб + сахароза) и K+S+US (чайный гриб + сахароза + ультразвук). Все образцы готовили с использованием 200 мл пюре из облепихи () или Р+УЗИ и 12,5 г SCOBY. K состоял из P и SCOBY. K+US состоял из P+US и SCOBY. K+S состоял из P, 15,0 г сахарозы и SCOBY. K+S+US состоял из P+US, 15,0 г сахарозы и SCOBY. Все образцы оставили бродить в темном месте при комнатной температуре на пять дней. Вторая ультразвуковая обработка (90 Вт, 20 кГц, 10 минут) была применена к K+US и K+S+US, чтобы остановить брожение на 5-й день.
Ультразвуковое консервационное воздействие на чайный гриб
В облепиховом чайном грибе ультразвуковая обработка снижала первоначальную микробную нагрузку на 2,6 log КОЕ/мл, тем самым останавливая процесс брожения в выбранное время, чтобы предотвратить чрезмерное брожение. Кроме того, контролируемое микробное восстановление помогает увеличить срок годности и стабильность конечного продукта, что способствует коммерческому распространению чайного гриба.
Узнайте больше об ультразвуке как нетермическом методе пастеризации сока!
Общие результаты при ультразвуковой обработке чайного гриба
Ультразвук снижал исходную микробную нагрузку на 2,6 log КОЕ/мл, увеличивал значение ORAC на 3% и увеличивал индекс растворимости в воде (WSI) на 40% (с 6,64 до 9,29 г/г) без синерезиса. Результаты этого исследования свидетельствуют о том, что применение ультразвука может улучшить фенольную функциональность во время ферментации и способно уменьшение синерезиса, увеличение выхода масла, снижение микробной нагрузки и повышение ORAC с минимальной потерей питательных качеств. (ср. Dornan et al., 2020)
Ультразвуковое оборудование для усовершенствованного заваривания чайного гриба
Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет высокопроизводительные ультразвуковые аппараты, ультразвуковые биореакторы и аксессуары для улучшенных процессов ферментации, экстракции и пастеризации, используемые в пищевой промышленности & производство напитков. Ультразвуковые системы обработки пищевых продуктов Hielscher используются для различных применений, являясь безопасной, надежной и экономичной технологией для производства высококачественных продуктов питания и напитков. Установка и эксплуатация всех ультразвуковых процессоров Hielscher просты: они занимают мало места, могут быть легко установлены в существующих производственных установках.
Компания Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт применения силового ультразвука в пищевых продуктах & Индустрия напитков, а также многие другие отрасли промышленности. Наши ультразвуковые процессоры оснащены простыми в очистке (безразборная мойка CIP / стерилизация на месте SIP) сонотродами и проточными ячейками (влажные части). Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Точная настройка амплитуд и возможность переключения между низкой и высокой амплитудами важны для стимуляции или инактивации микроорганизмов. Таким образом, один и тот же ультразвуковой аппарат может быть использован либо для стимуляции микробов, увеличивающих брожение, либо для инактивации микроорганизмов для пастеризации.
Самые современные технологии, высокая производительность и сложное программное обеспечение делают Hielscher Ultrasonics’ Надежные рабочие лошадки в процессе ферментации пищевых продуктов. Благодаря небольшой занимаемой площади и универсальным вариантам установки ультразвуковые аппараты Hielscher могут быть легко интегрированы или модернизированы в существующие производственные линии.
Стандартизация процессов с помощью Hielscher Ultrasonics
Пищевые продукты должны производиться в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и в соответствии со стандартизированными спецификациями обработки. Цифровые вытяжные системы Hielscher Ultrasonics поставляются с интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко настраивать и точно контролировать процесс ультразвуковой обработки. Автоматическая запись данных записывает все ультразвуковые параметры процесса, такие как энергия ультразвука (общая и полезная энергия), амплитуда, температура, давление (при установке датчиков температуры и давления) с отметкой даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет пересмотреть каждую партию, прошедшую ультразвуковую обработку. В то же время обеспечивается воспроизводимость и неизменно высокое качество продукции.
Hielscher Ultrasonics’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о функциях и возможностях наших систем ультразвуковой пастеризации. Мы будем рады обсудить с вами вашу заявку!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
---|---|---|
от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Литература / Литература
- Dornan, Kelly; Gunenc, Aynur; Ferichichi, Azza; Hosseinian, Farah (2020): Low frequency, high power ultrasound: a non-thermal green technique improves phenolic fractions (free, conjugated glycoside, conjugated esters and bound) in fermented seabuckthorn beverage. Journal of Food Bioactives 9, 2020.
- Joo-Ann Ewe, Wan-Nadiah Wan Abdullah, Rajeev Bhat, A.A. Karim, Min-Tze Liong (2012): Enhanced growth of lactobacilli and bioconversion of isoflavones in biotin-supplemented soymilk upon ultrasound-treatment. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 1, 2012. 160-173.
- Aung, Thinzar; Eun, Jong-Bang (2021): Production and characterization of a novel beverage from laver (Porphyra dentata) through fermentation with kombucha consortium. Food Chemistry, 350 (2), 2021.
- Nyhan, L.M.; Lynch, K.M.; Sahin, A.W.; Arendt, E.K. (2022): Advances in Kombucha Tea Fermentation: A Review. Applied Microbiology 2, 2022. 73–103.
- Hongmei Wang, Yang Tao, Yiting Li, Shasha Wu, Dandan Li, Xuwei Liu, Yongbin Han, Sivakumar Manickam, Pau Loke Show (2021): Application of ultrasonication at different microbial growth stages during apple juice fermentation by Lactobacillus plantarum: Investigation on the metabolic response. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 73, 2021.
- Joo-Ann Ewe, Wan-Nadiah Wan Abdullah, Rajeev Bhat, A.A. Karim, Min-Tze Liong (2012): Enhanced growth of lactobacilli and bioconversion of isoflavones in biotin-supplemented soymilk upon ultrasound-treatment. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 1, 2012. 160-173.
- Umego, E. C.; He, R.; Huang, G.; Dai, C.; Ma, H. (2021): Ultrasound‐assisted fermentation: Mechanisms, technologies, and challenges. Journal of Food Processing and Preservation, 45(6), 2021.
Факты, которые стоит знать
Что такое чайный гриб?
Комбуча - это ферментированный напиток, содержащий чай, сахар, бактерии, дрожжи и часто небольшое количество сока, фруктов или специй в качестве ароматизатора. Чайный гриб, а также сброженный сок и овощные соки известны тем, что оказывают положительное влияние на здоровье, укрепляя микробиоту и иммунную систему.
Как происходит ферментация чайного гриба?
Термин “Чайный гриб” А также процесс производства чайного гриба законодательно не регламентирован. Это означает, что многие ферментированные напитки продаются как напиток из чайного гриба, но в традиционном понимании “Чайный гриб” — ферментированный чайный напиток. Комбуча готовится путем добавления культуры чайного гриба в бульон сахарного чая. Сахар служит питательным веществом для SCOBY, что позволяет бактериям и дрожжам расти в сахарной жидкости. Уксуснокислые бактерии в чайном грибе являются аэробными, что означает, что им требуется кислород для роста и активности. Во время брожения происходит биохимическая конверсия, которая превращает сахарозу во фруктозу и глюкозу. Фруктоза и глюкоза впоследствии превращаются в глюконовую кислоту и уксусную кислоту. Кроме того, чайный гриб содержит ферменты и аминокислоты, полифенолы и различные другие органические кислоты, которые варьируются в зависимости от препарата. Другие специфические компоненты включают этанол, глюкуроновую кислоту, глицерин, молочную кислоту, усниновую кислоту, витамины группы В и витамин С. Содержание алкоголя в чайном грибе обычно составляет менее 0,5%, так как штамм бактерий Komagataeibacter xylinus превращает этанол в кислоты (например, уксусную кислоту). Однако при длительном брожении содержание алкоголя увеличивается. При чрезмерном брожении образуется большое количество кислот, подобных уксусу. Напитки из чайного гриба обычно имеют значение pH около 3,5.
Как ультразвук способствует ферментации чайного гриба?
Контролируемое ультразвук улучшает производство чайного гриба и других ферментированных напитков различными способами: ультразвук может стимулировать рост дрожжей и бактерий во время брожения; извлекать полифенолы, флавоноиды и ароматизаторы из фруктов, овощей и трав; а также применяется в качестве метода нетермической пастеризации для уменьшения микроорганизмов перед упаковкой. Ультразвуковые аппараты Hielscher точно управляются и могут обеспечить наиболее подходящую интенсивность ультразвука для каждого этапа обработки в производстве ферментированных напитков.