Улучшение ферментации комбучи с помощью ультразвука

Обработка ультразвуком способствует ферментации пищевых продуктов, ферментируемых с применением ультразвука, таких как комбуча, кимчи и другие ферментированные овощи, за счёт усиления массопереноса, разрушения микробных клеток, активации ферментов и повышения однородности, что в конечном итоге приводит к ускорению ферментации и получению продукта превосходного качества. Обработка ультразвуком вызывает благоприятные изменения биоактивных соединений при молочнокислой ферментации, повышая содержание питательных веществ и фитохимических соединений.

Комбуча и ферментированные напитки

Комбучу получают путём ферментации подслащённого чая с использованием «симбиотической культуры бактерий и дрожжей» (SCOBY), которую также часто называют «материнской культурой» или «чайным грибом». Разнообразие и соотношение популяций микроорганизмов в SCOBY могут довольно значительно различаться. Дрожжевая составляющая обычно включает Saccharomyces cerevisiae, а также другие виды родов Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces и Kluyveromyces; бактериальная составляющая почти всегда включает Komagataeibacter xylinus (ранее Gluconacetobacter xylinus), которая ферментирует спирты, вырабатываемые дрожжами, в уксусную и другие кислоты, повышая кислотность и ограничивая содержание этанола.
Аналогичным образом в другие ферментированные напитки, например ферментированные фруктовые и овощные соки, вносят бактерии и дрожжи.
Обработка ультразвуком может повысить эффективность ферментации и улучшить качественные характеристики ферментированного напитка, включая содержание питательных веществ и вкус.

Интенсификация ферментации комбучи с помощью ультразвука

Хорошо известно, что ультразвуковые волны стимулируют рост бактерий и дрожжей. Поэтому контролируемая мягкая обработка ультразвуком культур комбучи (SCOBY, также известной как чайный гриб или маньчжурский гриб) может способствовать процессу ферментации и повышать выход комбучи при сокращении времени ферментации.
При ферментации, стимулируемой ультразвуком, наблюдается повышение проницаемости мембран и, следовательно, усиление массопереноса. Сономеханическое воздействие ультразвуковых волн перфорирует клеточные стенки и плазматические мембраны микроорганизмов (этот процесс называется сонопорацией). Некоторые клетки могут даже разрушаться. Эти разрушенные клетки высвобождают факторы, способствующие росту, такие как витамины, нуклеотиды, аминокислоты и ферменты, которые могут стимулировать рост как бактерий с неповреждёнными клетками, так и бактерий с повреждёнными мембранами.
Обработка ультразвуком перед ферментацией, а также в лаг-фазе и логарифмической фазе показала наиболее выраженное стимулирующее воздействие на рост бактерий.

Преимущества обработки ультразвуком при ферментации комбучи

Как ультразвук способствует процессу ферментации и помогает получать более качественную комбучу, ферментированные овощи, кодзи и т. д.? Обработка ультразвуком интенсифицирует ферментацию несколькими способами, которые показаны ниже на примере ферментированной комбучи. Комбуча – это ферментированный напиток, традиционно приготовляемый из подслащённого чая и симбиотической культуры бактерий и дрожжей (SCOBY). Разбавленные фруктовые пюре служат богатой питательными веществами, ароматной основой для производства комбучи. Ниже вы узнаете, как обработка ультразвуком способствует производству

• Усиление массопереноса: Ультразвуковые волны создают в жидкости микроскопические кавитационные пузырьки, приводя к образованию микропотоков, струй жидкости и турбулентности. Это перемешивание усиливает массоперенос, увеличивая контакт между микроорганизмами, отвечающими за ферментацию, и питательными веществами в среде. В результате ферментирующие микроорганизмы эффективнее поглощают питательные вещества, что ускоряет ферментацию.
• Разрушение клеток: Ультразвуковые аппараты хорошо известны своей эффективностью при лизисе клеток и экстракции. При ферментации пищевых продуктов ультразвуковые аппараты разрушают клеточные стенки микроорганизмов, высвобождая внутриклеточные ферменты и метаболиты, которые могут дополнительно катализировать реакции ферментации. Это разрушение усиливает высвобождение вкусоароматических соединений, витаминов и органических кислот из микробных клеток, способствуя формированию сложного вкусоароматического профиля и насыщенности ферментированного продукта питательными веществами. В облепиховой комбуче, ферментированной с применением ультразвука, можно измерить значительно более высокую долю фенольных соединений. (см. Dornan et al., 2020)
• Подготовка богатых питательными веществами субстратов для ферментации: Ультразвуковая экстракция помогает подготовить субстрат для ферментации, обеспечивающий множество питательных веществ в форме, доступной для усвоения микроорганизмами. Это означает, что в обработанных ультразвуком субстратах для ферментации (например, фруктовых и овощных пюре) биоактивные соединения, такие как крахмалы и сахара, высвобождаются из внутриклеточного матрикса растительных клеток. Микроорганизмы могут легко использовать субстрат для питания, что ускоряет и сокращает процесс ферментации. То же относится к полифенолам, флавоноидам и витаминам, которые высвобождаются из внутриклеточных матриксов и повышают общую пищевую ценность ферментированных продуктов или напитков.
• Повышение активности ферментов: Обработка ультразвуком активирует или повышает активность определённых ферментов, участвующих в процессах ферментации. Например, она повышает активность целлюлазы и амилазы – ферментов, играющих ключевую роль в расщеплении сложных углеводов до более простых сахаров, которые затем ферментируются микроорганизмами, присутствующими в культуре комбучи.
• Повышение однородности: Поскольку силы, возникающие при обработке ультразвуком, всегда приводят к перемешиванию и смешиванию, ультразвуковая обработка обеспечивает лучшую гомогенизацию ферментационной смеси, что приводит к равномерному распределению питательных веществ и микроорганизмов по всей среде. Эта однородность способствует стабильной кинетике ферментации и получению высококачественной комбучи с желательными органолептическими характеристиками.

Ультразвуковая стимуляция роста микроорганизмов наиболее эффективна при применении ультразвука перед ферментацией либо в лаг-фазе и логарифмической фазе.

Пример исследования: ультразвуковая стимуляция ферментации яблочного сока

Исследование показало, что обработка ультразвуком в лаг-фазе и логарифмической фазе при ферментации яблочного сока способствовала росту микроорганизмов и усиливала биотрансформацию яблочной кислоты в молочную кислоту. Например, после обработки ультразвуком в лаг-фазе в течение 0,5 h численность микроорганизмов и содержание молочной кислоты в образцах, обработанных ультразвуком при 58,3 W/L, достигли 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL и 133,70 ± 7,39 mg/L, что было значительно выше, чем в образцах, не подвергавшихся обработке ультразвуком. Кроме того, обработка ультразвуком в лаг-фазе и логарифмической фазе оказывала комплексное влияние на метаболизм фенольных соединений яблока, таких как хлорогеновая кислота, кофейная кислота, процианидин B2, катехин и галловая кислота. Ультразвук мог положительно влиять на гидролиз хлорогеновой кислоты до кофейной кислоты, превращение процианидина B2 и декарбоксилирование галловой кислоты. Метаболизм органических кислот и свободных аминокислот в обработанных ультразвуком образцах статистически коррелировал с метаболизмом фенольных соединений, что указывает на возможное благоприятное воздействие ультразвука на образование фенольных производных благодаря улучшению микробного метаболизма органических кислот и аминокислот. (см. Wang et al., 2021)

Пример исследования: улучшение ферментации соевого молока с помощью ультразвука

Исследовательская группа Ewe et al. (2012) изучала влияние ультразвука на метаболическую эффективность штаммов лактобацилл (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) при ферментации соевого молока. Было установлено, что обработка ультразвуком повышала проницаемость клеточных мембран бактерий. Повышенная проницаемость клеточных мембран приводила к улучшению поступления питательных веществ внутрь клеток и последующему усилению роста (P ≺ 0,05). Более высокие амплитуды и более длительная обработка ультразвуком способствовали росту лактобацилл в соевом молоке, при этом количество жизнеспособных клеток превышало 9 log CFU/mL. Обработка ультразвуком также повышала внутриклеточную и внеклеточную удельную активность β-глюкозидазы лактобацилл (P ≺ 0,05), что приводило к усилению биоконверсии изофлавонов в соевом молоке, в частности генистина и малонилгенистина в генистеин. Результаты этого исследования показывают, что воздействие ультразвука на клетки лактобацилл повышает (P ≺ 0,05) β-глюкозидазную активность клеток, способствуя усилению (P ≺ 0,05) биоконверсии глюкозидов изофлавонов в биоактивные агликоны в соевом молоке. (см. Ewe et al., 2012)

Сканирующие электронные микрофотографии лактобацилл без обработки (A) и лактобацилл, обработанных ультразвуком при амплитуде 60% в течение 3 min (B). Кружками обозначены разрушенные клетки и клетки с порами.
(Исследование и изображения: ©Ewe et al., 2012)

Экстракция питательных и вкусоароматических соединений в комбуче и ферментированных напитках

Обработка ультразвуком значительно улучшает вкусоароматические характеристики и содержание питательных веществ в ферментированном чае, соках и овощных напитках, например ферментированном яблочном или шелковичном соке либо комбуче, настоянной на фруктах. Ультразвуковые волны разрушают клеточные структуры растительного сырья и высвобождают внутриклеточные соединения, такие как вкусоароматические вещества, полифенолы, антиоксиданты и флавоноиды. Одновременно ультразвуковая гомогенизация обеспечивает равномерное диспергирование и эмульгирование напитка, предотвращая разделение фаз и придавая ему привлекательный для потребителей внешний вид. Ниже вы можете увидеть пример обработанной ультразвуком комбучи из ягод облепихи без разделения фаз в сравнении с необработанным вариантом.
Узнайте больше об ультразвуковой экстракции вкусоароматических и питательных веществ!

Пример исследования: сохранение комбучи с помощью ультразвука

Обработка ультразвуком может воздействовать на микроорганизмы, стимулируя или инактивируя их. Обработка ультразвуком также воздействует на ферменты: ультразвук может изменять характеристики ферментов, субстратов и их реакций. Эти эффекты низкочастотного ультразвука используются при переработке пищевых продуктов как нетепловая альтернатива для пастеризации пищевых продуктов и напитков. Преимущество обработки ультразвуком заключается в точном контроле параметров процесса, таких как амплитуда, время, температура и давление, что позволяет целенаправленно инактивировать микроорганизмы. Инактивация микроорганизмов в комбуче и ферментированных напитках позволяет увеличить срок годности и стабильность продукта. Снижение количества микроорганизмов и ферментов облегчает коммерческое распространение благодаря увеличению срока годности конечного продукта. Обработка ультразвуком – это метод нетепловой пастеризации, который уже используется в промышленной переработке пищевых продуктов, например для пастеризации соков. Особенно при более высоких амплитудах ультразвук инактивирует бактерии и дрожжи, повреждая клеточные стенки. Это приводит к замедлению или прекращению роста микроорганизмов. Например, Kwaw et al. (2018) исследовали применение ультразвука в качестве стратегии нетепловой пастеризации шелковичного сока, подвергнутого молочнокислой ферментации. Обработанный ультразвуком ферментированный шелковичный сок имел более высокое содержание фенольных соединений (1700,07 ± 2,44 μg/mL), чем контрольный образец – необработанный ферментированный шелковичный сок. «Среди отдельных нетепловых обработок обработка ультразвуком вызвала значительное (p < 0,05) повышение фенольных и антиоксидантных свойств шелковичного сока, подвергнутого молочнокислой ферментации, по сравнению с обработкой импульсным светом». (Kwaw et al., 2018)
Хотя комбуча известна как напиток с живыми культурами, контролируемое снижение количества микроорганизмов можно использовать для продления срока годности коммерчески распространяемых напитков комбучи.
Обычная тепловая пастеризация уничтожает все живые дрожжи и бактерии, которые обычно присутствуют в комбуче и являются одним из основных факторов её благоприятного воздействия на здоровье. Ультразвуковая пастеризация – это нетепловой метод сохранения продукта, который можно использовать как для снижения численности микроорганизмов, так и для их полного устранения. Это означает, что коммерческие производители могут применять ультразвук при более низких амплитудах и в течение более коротких периодов, чтобы уменьшить количество бактерий и дрожжей, не устраняя их полностью. Таким образом, живые культуры сохраняются в комбуче, хотя и в меньшем количестве, благодаря чему увеличиваются срок годности и продолжительность хранения.

Научно доказанные результаты обработки комбучи ультразвуком

Dornan et al. (2020) исследовали влияние низкочастотного ультразвука на комбучу, приготовленную из ягод облепихи, с использованием ультразвукового аппарата UIP500hdT. Исследовательская группа смогла продемонстрировать множество благоприятных эффектов обработки ультразвуком при подготовке ягод облепихи и последующей ферментации комбучи.

Ультразвуковая экстракция из ягод облепихи

Для обработки ультразвуком свежие цельные ягоды облепихи (также известной как sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) превращали в пюре с помощью блендера Vitamix в течение 2 min. Добавляли dH2O в объёме, равном 30% исходного объёма пюре, и перемешивали. К 200 mL разбавленного пюре применяли ультразвук (90 W, 20 kHz, 10 min) с помощью ультразвукового процессора UIP500hdT (см. изображение слева). Время обработки выбирали для оптимизации содержания питательных веществ и сохранения образца в состоянии, близком к свежему. Результаты ультразвуковой экстракции демонстрируют значительное (P ≺ 0,05) увеличение выхода экстракции из мякоти на 10% (с 19,04 ± 0,08 до 20,97 ± 0,29%) и из семян на 7% (с 14,81 ± 0,08 до 15,83 ± 0,28%). Это увеличение выхода масла подчёркивает возможности обработки ультразвуком как эффективной и экологичной технологии для максимального повышения ценности сырья. Ультразвуковая экстракция из ягод облепихи привела к повышению выхода масла, сокращению времени обработки и энергопотребления, а также позволила избежать использования опасных растворителей.

Пример исследования: ультразвуковая гомогенизация комбучи из ягод облепихи

Обработанная ультразвуком комбуча из ягод облепихи (sanddorne) продемонстрировала значительно более высокую стабильность продукта. К 21-му дню хранения обработанная ультразвуком ягодная комбуча оставалась однородной. Отсутствие синерезиса в обработанной ультразвуком ягодной комбуче на протяжении всего исследования (21 день, см. изображение ниже) показывает, что ультразвук сам по себе является эффективным методом эмульгирования, способным обеспечить стабильность продукта и предотвратить разделение фаз.

Облепиховое пюре (P) без обработки и после обработки ультразвуком (P+US) в дни 0 и 21.
Исследование и изображение:©Dornan et al., 2020.

Обработка ультразвуком для прекращения ферментации

Были изготовлены четыре образца комбучи: K (комбуча), K+US (комбуча + ультразвук), K+S (комбуча + сахароза) и K+S+US (комбуча + сахароза + ультразвук). Все образцы готовили с использованием 200 mL облепихового пюре (P) или P+US и 12,5 g SCOBY. K состоял из P и SCOBY. K+US состоял из P+US и SCOBY. K+S состоял из P, 15,0 g сахарозы и SCOBY. K+S+US состоял из P+US, 15,0 g сахарозы и SCOBY. Все образцы оставляли ферментироваться в тёмном месте при комнатной температуре в течение пяти дней. Для прекращения ферментации на 5-й день к K+US и K+S+US применяли повторную обработку ультразвуком (90 W, 20 kHz, 10 min).

Влияние ультразвука на сохранение комбучи

В облепиховой комбуче обработка ультразвуком снизила исходную микробную нагрузку на 2,6 log CFU/mL, тем самым остановив процесс ферментации в выбранный момент для предотвращения чрезмерной ферментации. Кроме того, контролируемое снижение количества микроорганизмов помогает увеличить срок годности и стабильность конечного продукта, что облегчает коммерческое распространение комбучи.
Узнайте больше об обработке ультразвуком как методе нетепловой пастеризации соков!

Общие результаты обработки комбучи ультразвуком

Обработка ультразвуком снизила исходную микробную нагрузку на 2,6 log CFU/mL, повысила показатель ORAC на 3% и увеличила индекс водорастворимости (WSI) на 40% (с 6,64 до 9,29 g/g) без синерезиса. Результаты этого исследования позволяют предположить, что применение обработки ультразвуком может повышать функциональность фенольных соединений при ферментации и способно обеспечивать снижение синерезиса, повышение выхода масла, снижение микробной нагрузки и повышение ORAC с минимальной потерей пищевой ценности. (см. Dornan et al., 2020)

Ультразвуковое оборудование для улучшения приготовления комбучи

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые аппараты, ультразвуковые биореакторы и принадлежности для улучшения процессов ферментации, экстракции и пастеризации, используемых в производстве пищевых продуктов и напитков. Ультразвуковые системы Hielscher для переработки пищевых продуктов используются для множества применений и представляют собой безопасную, надёжную и экономически эффективную технологию производства высококачественных пищевых продуктов и напитков. Установка и эксплуатация всех ультразвуковых процессоров Hielscher просты: они занимают мало места и могут быть легко установлены на существующих перерабатывающих предприятиях.
Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт применения мощного ультразвука в пищевой промышленности и производстве напитков, а также во многих других отраслях промышленности. Наши ультразвуковые процессоры оснащены легко очищаемыми сонотродами и проточными ячейками (частями, контактирующими с обрабатываемой средой), поддерживающими очистку без разборки CIP / стерилизацию без разборки SIP. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm в режиме 24/7 легко осуществима. Точная настройка амплитуд и возможность переключения между низкими и высокими амплитудами важны для стимуляции или инактивации микроорганизмов. Таким образом, один и тот же ультразвуковой аппарат можно использовать либо для стимуляции микроорганизмов с усилением ферментации, либо для инактивации микроорганизмов при пастеризации.
Современные технологии, высокая производительность и продуманное программное обеспечение делают оборудование Hielscher Ultrasonics надёжным рабочим инструментом в процессе ферментации пищевых продуктов. Благодаря компактности и разнообразным вариантам установки ультразвуковые аппараты Hielscher можно легко интегрировать в существующие производственные линии или устанавливать при их модернизации.

Стандартизация процессов с Hielscher Ultrasonics

Пищевые продукты следует производить в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и стандартизированными технологическими спецификациями. Цифровые экстракционные системы Hielscher Ultrasonics оснащены интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко и точно настраивать и контролировать процесс обработки ультразвуком. Автоматическая регистрация данных записывает все параметры ультразвукового процесса, такие как ультразвуковая энергия (общая и полезная энергия), амплитуда, температура, давление (при установленных датчиках температуры и давления), с отметками даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет проверять каждую партию, обработанную ультразвуком. Одновременно обеспечиваются воспроизводимость и стабильно высокое качество продукта.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm в режиме 24/7 легко осуществима. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о характеристиках и возможностях наших систем ультразвуковой пастеризации. Мы будем рады обсудить с вами вашу задачу!

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: