Ultrazvukom vylepšená fermentácia kombuchy

Sonikácia podporuje fermentáciu v ultrazvukovo fermentovaných potravinách, ako je kombucha, kimchi a iná fermentovaná zelenina, zvýšením prenosu hmoty, narušením mikrobiálnych buniek, aktiváciou enzýmov a zlepšením homogenity, čo v konečnom dôsledku vedie k zrýchleniu rýchlosti fermentácie a výrobe produktu najvyššej kvality. Sonikácia iniciuje prospešné zmeny v bioaktívnych zlúčeninách počas mliečnej fermentácie, čím sa zvyšuje obsah výživových zlúčenín a fytochemikálií.

Kombucha a fermentované nápoje

Kombucha sa vyrába fermentáciou cukrového čaju pomocou "symbiotickej kultúry baktérií a kvasiniek" (SCOBY), ktorá sa tiež bežne nazýva "matka"” alebo "čajová huba”. Rozmanitosť a pomer mikrobiálnych populácií v SCOBY sa môže značne líšiť. Kvasinková zložka vo všeobecnosti zahŕňa Saccharomyces cerevisiae spolu s ďalšími druhmi Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces a Kluyveromyces; bakteriálna zložka takmer vždy obsahuje Komagataeibacter xylinus (predtým Gluconacetobacter xylinus), ktorý fermentuje alkoholy produkované kvasinkami na octovú a iné kyseliny, čím zvyšuje kyslosť a obmedzuje obsah etanolu.
Podobne aj iné fermentované nápoje, ako sú fermentované ovocné a zeleninové šťavy, sú naočkované baktériami a kvasinkami.
Ošetrenie ultrazvukom môže zlepšiť účinnosť fermentácie a kvalitatívne vlastnosti fermentovaného nápoja vrátane obsahu živín a chuti.

Ultrazvukom zosilnená fermentácia kombuchy

Ultrazvukové vlny sú dobre známe tým, že stimulujú rast baktérií a kvasiniek. Riadená mierna sonikácia kultúr kombuchy (SCOBY, tiež známa ako čajová huba, čajová huba alebo mandžuská huba) preto môže podporiť proces fermentácie a viesť k vyšším výťažkom kombuchy v zrýchlenom čase fermentácie.
Ultrazvukom stimulovaná fermentácia vykazuje zvýšenú permeabilizáciu membrány a tým zvýšený prenos hmoty. Sonomechanické ošetrenie ultrazvukovými vlnami perforuje bunkové steny a plazmatické membrány mikroorganizmov (proces nazývaný sonoporácia). Niektoré bunky môžu byť dokonca prasknuté. Tieto narušené bunky uvoľňujú faktory podporujúce rast, ako sú vitamíny, nukleotidy, aminokyseliny a enzýmy, ktoré by mohli stimulovať rast bunkovo neporušených baktérií, ako aj baktérií s narušením membrány.
Ultrazvukové ošetrenie pred fermentáciou, ako aj vo fázach oneskorenia a log preukázali najvýraznejšie účinky na stimuláciu rastu baktérií.

Výhody sonikácie pri fermentácii kombuchy

Ako ultrazvuk podporuje proces fermentácie a pomáha produkovať lepšiu kombuchu, rastlinné kvasy, koji atď.? Sonikácia narušuje fermentáciu niekoľkými spôsobmi, ktoré sú demonštrované nižšie v kontexte fermentovanej kombuchy. Kombucha je fermentovaný nápoj, ktorý sa tradične vyrába zo sladeného čaju a symbiotickej kultúry baktérií a kvasiniek (SCOBY). Zriedené ovocné pyré poskytujú chutný základ pre výrobu kombuchy bohatý na živiny. Nižšie sa dozviete, ako ultrazvuk podporuje produkciu

• Zvýšený prenos hmoty: Ultrazvukové vlny vytvárajú mikroskopické kavitačné bubliny v kvapaline, čo vedie k tvorbe mikroprúdov, prúdov kvapaliny a turbulencií. Toto miešanie zvyšuje prenos hmoty zvýšením kontaktu medzi mikroorganizmami zodpovednými za fermentáciu a živinami v médiu. Výsledkom je, že živiny sú účinnejšie absorbované fermentujúcimi mikroorganizmami, čo vedie k zrýchlenej rýchlosti fermentácie.
• Narušenie buniek: Sonikátory sú známe svojou účinnosťou pri lýze a extrakcii buniek. Pri fermentácii potravín sonikátory narúšajú mikrobiálne bunkové steny a uvoľňujú intracelulárne enzýmy a metabolity, ktoré môžu ďalej katalyzovať fermentačné reakcie. Toto narušenie zvyšuje uvoľňovanie chuťových zlúčenín, vitamínov a organických kyselín z mikrobiálnych buniek, čo prispieva k komplexnosti chuti a bohatosti živín fermentovaného produktu. V ultrazvukovo fermentovanej rakytníkovej kombuche je možné merať výrazne vyšší podiel fenolových zlúčenín. (porovnaj Dornan a kol., 2020)
• Príprava fermentačných substrátov bohatých na živiny: Ultrazvuková extrakcia pomáha pripraviť fermentačný substrát, ktorý poskytuje veľa živín v dostupnej forme pre mikrobiálne trávenie. To znamená, že v ultrazvukovo upravených fermentačných substrátoch (napr. ovocné a zeleninové pyré) sa bioaktívne zlúčeniny, ako sú škroby a cukry, uvoľňujú z intracelulárnej matrice rastlinných buniek. Mikróby sa môžu ľahko živiť substrátom, čo urýchľuje a skracuje proces fermentácie. To isté platí pre polyfenoly, flavonoidy a vitamíny, ktoré sa uvoľňujú z intracelulárnych matríc a prispievajú k celkovej nutričnej hodnote fermentovaných potravín alebo nápojov.
• Zvýšená aktivita enzýmov: Sonikacia aktivuje alebo zvyšuje aktivitu určitých enzýmov zapojených do fermentačných procesov. Zvyšuje napríklad aktivitu celulázy a amylázy, enzýmov kľúčových pre rozklad komplexných sacharidov na jednoduchšie cukry, ktoré potom fermentujú mikroorganizmy prítomné v kultúre kombuchy.
• Vylepšená homogenita: Keďže sonikačné sily vedú vždy k miešaniu a miešaniu, ultrazvukové ošetrenie zaisťuje lepšiu homogenizáciu fermentačnej zmesi, čo vedie k rovnomernému rozloženiu živín a mikroorganizmov v médiu. Táto uniformita podporuje konzistentnú kinetiku fermentácie a výrobu vysokokvalitného produktu kombucha s požadovanými senzorickými vlastnosťami.

Ultrazvuková stimulácia mikrobiálneho rastu je najúčinnejšia, keď sa ultrazvuk aplikuje pred fermentáciou alebo vo fázach oneskorenia a loga.

Prípadová štúdia: Ultrazvuková stimulácia fermentácie jablkovej šťavy

Výskum ukázal, že ultrazvukové ošetrenie v oneskorených a logaritmických fázach počas fermentácie jablkovej šťavy podporuje mikrobiálny rast a zintenzívňuje biotransformáciu kyseliny jablčnej na kyselinu mliečnu. Napríklad po sonikácii vo fáze oneskorenia po dobu 0,5 hodiny dosiahol počet mikróbov a obsah kyseliny mliečnej v ultrazvukom ošetrených vzorkách pri 58,3 W/l 7,91 ± 0,01 Log CFU/ml a 133,70 ± 7,39 mg/l, čo bolo výrazne vyššie ako v nesonikovaných vzorkách. Okrem toho ultrazvuk v oneskorenej a logaritmickej fáze mal komplexný vplyv na metabolizmus jablkových fenolov, ako je kyselina chlorogénová, kyselina kávová, prokyanidín B2, katechín a kyselina gallová. Ultrazvuk by mohol pozitívne ovplyvniť hydrolýzu kyseliny chlorogénovej na kyselinu kávovú, transformáciu prokyanidínu B2 a dekarboxyláciu kyseliny galovej. Metabolizmus organických kyselín a voľných aminokyselín v sonikovaných vzorkách štatisticky koreloval s fenolovým metabolizmom, čo naznačuje, že ultrazvuk môže byť prospešný pre deriváciu fenolov zlepšením mikrobiálneho metabolizmu organických kyselín a aminokyselín. (porovnaj Wang a kol., 2021)

Prípadová štúdia: Ultrazvukom vylepšená fermentácia sójového mlieka

Výskumný tím Ewe et al. (2012) skúmal účinky ultrazvuku na metabolickú účinnosť kmeňov laktobacilov (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) počas fermentácie sójového mlieka. Bolo pozorované, že ultrazvukové ošetrenie preniklo do bunkových membrán baktérií. Permeabilizované bunkové membrány viedli k zlepšeniu internalizácie živín a následnému zvýšeniu rastu (P ≺ 0,05). Vyššie amplitúdy a dlhšie trvanie sonikačnej liečby podporovali rast laktobacilov v sójovom mlieku s počtom životaschopných látok presahujúcich 9 log CFU/ml. Intracelulárne a extracelulárne aktivity laktobacilov špecifické pre β-glukozidázu boli tiež zvýšené (P ≺ 0,05) ultrazvukom, čo viedlo k zvýšenej biokonverzii izoflavónov v sójovom mlieku, najmä genistínu a malonyl genistínu na genisteín. Výsledky tejto štúdie ukazujú, že ultrazvukové ošetrenie buniek laktobacilov podporuje (P ≺ 0,05) aktivitu buniek β-glukozidázy v prospech zvýšenej (P ≺ 0,05) biokonverzie izoflavón-glukozidov na bioaktívne aglykóny v sójovom mlieku. (porovnaj Ewe a kol., 2012)

Skenovacie elektrónové mikrosnímky laktobacilov bez liečby (A) a laktobacilov ošetrených ultrazvukom pri amplitúde 60 % počas 3 minút (B). Kruhy zobrazujúce prasknuté bunky a bunky s pórmi.
(Štúdia a obrázky: ©Ewe et al., 2012)

Extrakcia výživových zlúčenín a príchutí v kombuche a fermentovaných nápojoch

Fermentovaný čaj, džús a zeleninové nápoje, napr. fermentovaná jablková alebo morušová šťava alebo kombuchy s ovocnou infúziou, výrazne prospievajú ultrazvukovej liečbe z hľadiska chuti a živín. Ultrazvukové vlny narúšajú bunkové štruktúry rastlinných materiálov a uvoľňujú intracelulárne zlúčeniny, ako sú arómy, polyfenoly, antioxidanty a flavonoidy. Ultrazvuková homogenizácia zároveň poskytuje rovnomerne rozptýlený a emulgovaný nápoj, ktorý zabraňuje oddeleniu fáz a ponúka príťažlivý vzhľad pre spotrebiteľov. Nižšie si môžete pozrieť príklad ultrazvukovo ošetrenej rakytníkovej bobuľovej kombuchy bez fázového oddelenia v porovnaní s neošetrenou verziou.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej extrakcii príchutí a živín!

Prípadová štúdia: Ultrazvukom konzervovaná kombucha

Ultrazvukové ošetrenie môže ovplyvniť mikróby buď ich stimulovať, alebo inaktivovať. Ultrazvuk môže meniť vlastnosti enzýmov, substrátov a ich reakcií. Tieto účinky nízkofrekvenčného ultrazvuku sa používajú pri spracovaní potravín ako netepelná alternatíva pasterizácie potravín a nápojov. Sonikácia ponúka výhodu presnej kontroly nad parametrami procesu, ako je amplitúda, čas, teplota a tlak, čo umožňuje cielenú inaktiváciu mikroorganizmov. Inaktivácia mikrobiálnej záťaže v kombuche a fermentovaných nápojoch umožňuje zvýšiť trvanlivosť a stabilitu produktu. Redukcia mikróbov a enzýmov uľahčuje komerčnú distribúciu vďaka predĺženej trvanlivosti konečného produktu. Ultrazvuk je metóda netermálnej pasterizácie, ktorá sa používa už pri komerčnom spracovaní potravín, ako je pasterizácia štiav. Najmä pri vyšších amplitúdach ultrazvuk inaktivuje baktérie a kvasinky poškodením bunkových stien. To má za následok pomalší alebo zastavený mikrobiálny rast. Napríklad Kwaw et al. (2018) skúmali ultrazvuk ako netepelnú pasterizáciu morušovej šťavy fermentovanej kyselinou mliečnou. Ultrazvukom ošetrená fermentovaná šťava z moruše mala vyšší obsah fenolových zlúčenín (1700,07 ± 2,44 μg/ml) ako kontrolná, neupravená fermentovaná šťava z moruše. "Medzi jednotlivými netermálnymi ošetreniami spôsobila ultrazvuk významný (p < 0.05) nárast fenolických a antioxidačných vlastností morušovej šťavy fermentovanej kyselinou mliečnou v porovnaní s liečbou pulzným svetlom." (Kwaw a kol., 2018) Zatiaľ čo kombucha je nápoj známy svojimi životnými kultúrami, na predĺženie trvanlivosti komerčne distribuovaných kombuchových nápojov možno použiť kontrolovanú redukciu mikróbov.
Pravidelná termálna pasterizácia zabíja všetky živé kvasinky a baktérie, ktoré sú bežne prítomné v kombuche a sú jedným z hlavných faktorov jej zdraviu prospešných účinkov. Ultrazvuková pasterizácia je metóda netepelnej konzervácie, ktorú možno použiť buď na zníženie počtu mikróbov, alebo na úplné odstránenie mikroorganizmov. To znamená, že komerční výrobcovia môžu aplikovať ultrazvuk pri nižších amplitúdach a na kratšie obdobia, aby znížili počet baktérií a kvasiniek bez úplného vylúčenia. V kombuche sú tak stále prítomné životné kultúry, aj keď v nižších počtoch, aby sa zlepšila trvanlivosť a doba skladovania.

Vedecky dokázané výsledky v ultrazvukom ošetrenej kombuche

(2020) skúmali účinky nízkofrekvenčného ultrazvuku na kombuchu vyrobenú z bobúľ rakytníka pomocou sonikátora UIP500hdT. Výskumný tím mohol preukázať viaceré prospešné účinky ultrazvuku na prípravu bobúľ rakytníka a následnú fermentáciu kombuchy.

Ultrazvuková extrakcia bobúľ rakytníka

Sonikácia čerstvých celých bobúľ rakytníka (tiež známa ako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) bola pyré pomocou mixéra Vitamix po dobu 2 minút. Pridal sa a zmiešal objem dH2O rovnajúci sa 30 % pôvodného objemu pyré. Ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) bol aplikovaný na 200 ml zriedeného pyré pomocou ultrazvukového procesora UIP500hdT (viď obrázok vľavo). Čas ošetrenia bol zvolený na optimalizáciu živín a udržanie vzorky v čerstvom stave. Výsledky ultrazvukovej extrakcie preukazujú výrazný (P ≺ 0,05) nárast o 10 % výťažnosti extrakcie z buničiny (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29 %) a o 7 % pre osivo (zo 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28 %). Toto zvýšenie výťažnosti oleja zdôrazňuje funkčnosť sonikácie ako účinnej a ekologickej technológie na maximalizáciu hodnoty surovín. Ultrazvuková extrakcia z bobúľ rakytníka viedla k vyššej výťažnosti oleja a skráteniu času spracovania, spotrebe energie a zabráneniu nebezpečným rozpúšťadlám.

Prípadová štúdia: Ultrazvuková homogenizácia rakytníkovej bobuľovej kombuchy

Ultrazvukom ošetrená rakytníková (sanddorne) bobuľová kombucha vykazovala výrazne zlepšenú stabilitu produktu. Do 21. dňa skladovania zostala sonikovaná bobuľová kombucha homogénna. Skutočnosť, že počas celej štúdie nebola pozorovaná žiadna synéza v kombuche so sonikovanými bobuľami (21 dní, pozri obrázok nižšie), ukazuje, že samotný ultrazvuk je účinnou emulgačnou technikou schopnou dosiahnuť stabilitu produktu a zabrániť oddeleniu fáz.

Rakytníkové pyré (P) bez a s ultrazvukovým ošetrením (P+US) na deň 0 a 21.
Štúdia a obrázok:©Dornan a kol., 2020.

Ultrazvuk na zastavenie fermentácie

Boli vyrobené štyri vzorky kombuchy: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + sacharóza) a K+S+US (kombucha + sacharóza + ultrazvuk). Všetky vzorky boli pripravené s použitím 200 ml rakytníkového pyré (P) alebo P+US a 12,5 g SCOBY. K pozostával z P a SCOBY. K+US pozostával z P+US a SCOBY. K+S pozostával z P, 15,0 g sacharózy a SCOBY. K+S+US pozostával z P+US, 15,0 g sacharózy a SCOBY. Všetky vzorky sa nechali kvasiť na tmavom mieste pri izbovej teplote päť dní. Druhá sonikácia (90 W, 20 kHz, 10 min) bola aplikovaná na K + US a K + S + US na zastavenie fermentácie v 5. deň.

Účinky ultrazvukovej konzervácie na kombuchu

V kombuche rakytníka sonikácia znížila počiatočnú mikrobiálnu záťaž o 2,6 log CFU/ml, čím sa zastavil proces fermentácie vo zvolenom čase, aby sa zabránilo nadmernej fermentácii. Okrem toho riadená mikrobiálna redukcia pomáha predĺžiť trvanlivosť a stabilitu konečného produktu, čo uľahčuje komerčnú distribúciu kombuchy.
Prečítajte si viac o ultrazvuku ako netermálnej metóde pasterizácie šťavy!

Celkové výsledky pri ultrazvukom liečenej kombuche

Ultrazvuk znížil počiatočnú mikrobiálnu záťaž o 2,6 log CFU/ml, zvýšil hodnotu ORAC o 3 % a zvýšil index rozpustnosti vo vode (WSI) o 40 % (zo 6,64 na 9,29 g/g) bez synézy. Výsledky tejto štúdie naznačujú, že aplikácia ultrazvuku môže zvýšiť fenolovú funkčnosť počas fermentácie a je schopná zníženie synerézy, zvýšenie výťažnosti oleja, zníženie mikrobiálnej záťaže a zvýšenie ORAC s minimálnou stratou nutričnej kvality. (porovnaj Dornan a kol., 2020)

Ultrazvukové zariadenie na zlepšenie varenia kombuchy

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje, ultrazvukové bioreaktory a príslušenstvo na zlepšenie fermentačných, extrakciových a pasterizačných procesov používaných v potravinách & výroba nápojov. Ultrazvukové systémy na spracovanie potravín spoločnosti Hielscher sa používajú na rôzne aplikácie ako bezpečná, spoľahlivá a nákladovo efektívna technológia na výrobu vysokokvalitných potravín a nápojov. Inštalácia a prevádzka všetkých ultrazvukových procesorov Hielscher je jednoduchá: Vyžadujú len málo miesta, dajú sa ľahko dodatočne namontovať do existujúcich spracovateľských zariadení.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s aplikáciou výkonového ultrazvuku v potravinách & nápojový priemysel, ako aj mnohé ďalšie priemyselné odvetvia. Naše ultrazvukové procesory sú vybavené ľahko čistiteľnými (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP) sonotródami a prietokovými bunkami (mokré časti). Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Presné ladenie amplitúd a možnosť prepínania medzi nízkou a vysokou amplitúdou sú dôležité pre stimuláciu alebo inaktiváciu mikroorganizmov. Rovnaký ultrazvuk sa tak môže použiť buď na stimuláciu mikróbov zvyšujúcich fermentáciu, alebo na inaktiváciu mikroorganizmov na pasterizáciu.
Najmodernejšia technológia, vysoký výkon a sofistikovaný softvér robia z Hielscher Ultrasonics’ Spoľahlivé pracovné kone vo vašom procese fermentácie potravín. Vďaka malým rozmerom a všestranným možnostiam inštalácie je možné ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko integrovať alebo dodatočne namontovať do existujúcich výrobných liniek.

Štandardizácia procesov pomocou Hielscher Ultrasonics

Potravinárske výrobky by sa mali vyrábať v súlade so správnou výrobnou praxou (GMP) a podľa štandardizovaných špecifikácií spracovania. Digitálne extrakčné systémy Hielscher Ultrasonics sa dodávajú s inteligentným softvérom, ktorý uľahčuje nastavenie a presné riadenie procesu sonikácie. Automatické zaznamenávanie údajov zapisuje všetky parametre ultrazvukového procesu, ako je ultrazvuková energia (celková a čistá energia), amplitúda, teplota, tlak (keď sú namontované snímače teploty a tlaku) s dátumovou a časovou pečiatkou na vstavanej SD karte. To vám umožní revidovať každú ultrazvukom spracovanú dávku. Zároveň je zabezpečená reprodukovateľnosť a trvalo vysoká kvalita výrobkov.
Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Ak sa chcete dozvedieť viac o vlastnostiach a schopnostiach našich ultrazvukových pasterizačných systémov, kontaktujte nás. Radi s vami prediskutujeme vašu žiadosť!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: