Fermentácia kombuchy zlepšená ultrazvukom

Sonikácia podporuje fermentáciu v ultrazvukovo fermentovaných potravinách, ako sú kombucha, kimči a iná fermentovaná zelenina, tým, že zlepšuje prenos hmoty, narúša mikrobiálne bunky, aktivuje enzýmy a zlepšuje homogenitu, čo v konečnom dôsledku vedie k zrýchleniu fermentácie a výrobe produktu vynikajúcej kvality. Sonikácia vyvoláva priaznivé zmeny bioaktívnych zlúčenín počas mliečneho kvasenia, čím zvyšuje obsah výživových látok a fytochemikálií.

Kombucha a fermentované nápoje

Kombucha sa vyrába fermentáciou sladeného čaju pomocou „symbiotickej kultúry baktérií a kvasiniek“ (SCOBY), ktorá sa bežne nazýva aj „materská kultúra“ alebo „čajová huba“. Rozmanitosť a pomer mikrobiálnych populácií v kultúre SCOBY sa môžu pomerne výrazne líšiť. Kvasinková zložka zvyčajne zahŕňa Saccharomyces cerevisiae spolu s ďalšími druhmi rodov Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces a Kluyveromyces; bakteriálna zložka takmer vždy zahŕňa Komagataeibacter xylinus (predtým Gluconacetobacter xylinus), ktorý fermentuje alkoholy produkované kvasinkami na kyselinu octovú a ďalšie kyseliny, čím zvyšuje kyslosť a obmedzuje obsah etanolu.
Podobne sa baktériami a kvasinkami očkujú aj iné fermentované nápoje, napríklad fermentované ovocné a zeleninové šťavy.
Ošetrenie ultrazvukom môže zlepšiť účinnosť fermentácie a kvalitatívne vlastnosti fermentovaného nápoja vrátane obsahu živín a chuti.

Fermentácia kombuchy zintenzívnená ultrazvukom

Je dobre známe, že ultrazvukové vlny stimulujú rast baktérií a kvasiniek. Riadená mierna sonikácia kultúr kombuchy (SCOBY, známej aj ako čajová huba či mandžuská huba) preto môže podporiť fermentačný proces a viesť k vyšším výťažkom kombuchy za kratší čas fermentácie.
Fermentácia stimulovaná ultrazvukom vykazuje zvýšenú permeabilizáciu membrán, a tým aj intenzívnejší prenos hmoty. Sonomechanické pôsobenie ultrazvukových vĺn perforuje bunkové steny a plazmatické membrány mikroorganizmov (proces nazývaný sonoporácia). Niektoré bunky môžu dokonca prasknúť. Tieto narušené bunky uvoľňujú faktory podporujúce rast, ako sú vitamíny, nukleotidy, aminokyseliny a enzýmy, ktoré by mohli stimulovať rast baktérií s neporušenými bunkami aj baktérií s poškodenými membránami.
Ošetrenie ultrazvukom pred fermentáciou, ako aj v lag fáze a logaritmickej fáze preukázalo najvýraznejšie účinky na stimuláciu rastu baktérií.

Prínosy sonikácie pri fermentácii kombuchy

Ako ultrazvuk podporuje fermentačný proces a pomáha vyrábať lepšiu kombuchu, fermentovanú zeleninu, koji atď.? Sonikácia zintenzívňuje fermentáciu viacerými spôsobmi, ktoré sú nižšie predstavené v kontexte fermentovanej kombuchy. Kombucha je fermentovaný nápoj tradične vyrábaný zo sladeného čaju a symbiotickej kultúry baktérií a kvasiniek (SCOBY). Zriedené ovocné pyré poskytujú základ na výrobu kombuchy bohatý na živiny a chuť. Nižšie sa dozviete, ako ošetrenie ultrazvukom podporuje výrobu

• Zvýšený prenos hmoty: Ultrazvukové vlny vytvárajú v kvapaline mikroskopické kavitačné bubliny, čo vedie k vzniku mikroprúdenia, kvapalinových prúdov a turbulencií. Toto premiešavanie zlepšuje prenos hmoty tým, že zvyšuje kontakt medzi mikroorganizmami zodpovednými za fermentáciu a živinami v médiu. Výsledkom je účinnejšie prijímanie živín fermentujúcimi mikroorganizmami, čo vedie k zrýchleniu fermentácie.
• Narušenie buniek: Sonikátory sú známe svojou účinnosťou pri lýze buniek a extrakcii. Pri fermentácii potravín sonikátory narúšajú bunkové steny mikroorganizmov, čím uvoľňujú vnútrobunkové enzýmy a metabolity, ktoré môžu ďalej katalyzovať fermentačné reakcie. Toto narušenie zvyšuje uvoľňovanie chuťových a aromatických látok, vitamínov a organických kyselín z mikrobiálnych buniek, čím prispieva ku komplexnosti chuti a arómy a bohatému obsahu živín vo fermentovanom produkte. V rakytníkovej kombuche fermentovanej s využitím ultrazvuku možno namerať významne vyšší podiel fenolových zlúčenín. (porov. Dornan et al., 2020)
• Príprava fermentačných substrátov bohatých na živiny: Ultrazvuková extrakcia pomáha pripraviť fermentačný substrát, ktorý poskytuje množstvo živín vo forme dostupnej na trávenie mikroorganizmami. To znamená, že vo fermentačných substrátoch ošetrených ultrazvukom (napr. v ovocných a zeleninových pyré) sa bioaktívne zlúčeniny, ako sú škroby a cukry, uvoľňujú z vnútrobunkovej matrice rastlinných buniek. Mikroorganizmy môžu substrát ľahko využívať ako zdroj výživy, čo urýchľuje a skracuje proces fermentácie. To isté platí pre polyfenoly, flavonoidy a vitamíny, ktoré sa uvoľňujú z vnútrobunkových matríc a prispievajú k celkovej výživovej hodnote fermentovaných potravín alebo nápojov.
• Zvýšená aktivita enzýmov: Sonikácia aktivuje určité enzýmy zapojené do fermentačných procesov alebo zvyšuje ich aktivitu. Napríklad zvyšuje aktivitu celulázy a amylázy, enzýmov kľúčových pre rozklad komplexných sacharidov na jednoduchšie cukry, ktoré následne fermentujú mikroorganizmy prítomné v kombuchovej kultúre.
• Zlepšená homogenita: Keďže sily pôsobiace pri sonikácii vždy vedú k miešaniu a premiešavaniu, ultrazvukové ošetrenie zabezpečuje lepšiu homogenizáciu fermentačnej zmesi, čo vedie k rovnomernému rozloženiu živín a mikroorganizmov v celom médiu. Táto rovnomernosť podporuje konzistentnú kinetiku fermentácie a výrobu vysokokvalitnej kombuchy s požadovanými senzorickými vlastnosťami.

Ultrazvuková stimulácia rastu mikroorganizmov je najúčinnejšia, keď sa ultrazvuk aplikuje pred fermentáciou alebo v lag fáze a log fáze.

Prípadová štúdia: Ultrazvuková stimulácia fermentácie jablkovej šťavy

Výskum ukázal, že ultrazvukové ošetrenie v lag fáze a logaritmickej fáze počas fermentácie jablkovej šťavy podporovalo rast mikroorganizmov a zintenzívňovalo biotransformáciu kyseliny jablčnej na kyselinu mliečnu. Napríklad po sonikácii v lag fáze počas 0,5 h dosiahli počet mikroorganizmov a obsah kyseliny mliečnej vo vzorkách ošetrených ultrazvukom pri 58,3 W/L hodnoty 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL a 133,70 ± 7,39 mg/L, ktoré boli významne vyššie než vo vzorkách bez sonikácie. Okrem toho mala sonikácia v lag fáze a logaritmickej fáze komplexný vplyv na metabolizmus fenolových zlúčenín jabĺk, ako sú kyselina chlorogénová, kyselina kávová, prokyanidín B2, katechín a kyselina galová. Ultrazvuk mohol pozitívne ovplyvňovať hydrolýzu kyseliny chlorogénovej na kyselinu kávovú, premenu prokyanidínu B2 a dekarboxyláciu kyseliny galovej. Metabolizmus organických kyselín a voľných aminokyselín v sonikovaných vzorkách štatisticky koreloval s metabolizmom fenolových zlúčenín, čo naznačuje, že ultrazvuk môže podporovať tvorbu fenolových derivátov zlepšením mikrobiálneho metabolizmu organických kyselín a aminokyselín. (porov. Wang et al., 2021)

Prípadová štúdia: Fermentácia sójového mlieka zlepšená ultrazvukom

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. Pozorovalo sa, že pôsobením ultrazvuku sa zvýšila priepustnosť bunkových membrán baktérií. Zvýšená priepustnosť bunkových membrán viedla k lepšiemu príjmu živín a následnému zvýšeniu rastu (P ≺ 0,05). Vyššie amplitúdy a dlhšie trvanie sonikácie podporovali rast laktobacilov v sójovom mlieku, pričom počty životaschopných buniek presahovali 9 log CFU/mL. Ultrazvukom sa zvýšili aj špecifické aktivity intracelulárnej a extracelulárnej β-glukozidázy laktobacilov (P ≺ 0,05), čo viedlo k zvýšenej biokonverzii izoflavónov v sójovom mlieku, najmä genistínu a malonylgenistínu na genisteín. Výsledky tejto štúdie ukazujú, že ošetrenie buniek laktobacilov ultrazvukom podporuje (P ≺ 0,05) β-glukozidázovú aktivitu buniek, čím sa zvyšuje (P ≺ 0,05) biokonverzia izoflavónových glukozidov na bioaktívne aglykóny v sójovom mlieku. (porov. Ewe et al., 2012)

Snímky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu zobrazujúce neošetrené laktobacily (A) a laktobacily ošetrené ultrazvukom pri 60% amplitúde počas 3 min (B). Kruhy označujú rozrušené bunky a bunky s pórmi.
(Štúdia a snímky: ©Ewe et al., 2012)

Extrakcia výživových a aromatických látok v kombuche a fermentovaných nápojoch

Ošetrenie ultrazvukom výrazne zlepšuje chuť a obsah živín vo fermentovaných čajových, ovocných a zeleninových nápojoch, napr. vo fermentovanej jablkovej alebo morušovej šťave či v kombuchách obohatených výluhom z ovocia. Ultrazvukové vlny rozrušujú bunkové štruktúry rastlinných materiálov a uvoľňujú vnútrobunkové látky, ako sú aromatické látky, polyfenoly, antioxidanty a flavonoidy. Ultrazvuková homogenizácia zároveň zabezpečuje rovnomerne dispergovaný a emulgovaný nápoj, čím zabraňuje oddeľovaniu fáz a poskytuje spotrebiteľom príťažlivý vzhľad. Nižšie si môžete pozrieť príklad ultrazvukom ošetrenej kombuchy z plodov rakytníka bez oddeľovania fáz v porovnaní s neošetrenou verziou.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej extrakcii aromatických látok a živín!

Prípadová štúdia: Kombucha konzervovaná ultrazvukom

Ošetrenie ultrazvukom môže mikroorganizmy stimulovať alebo inaktivovať. Sonikácia ovplyvňuje aj enzýmy: ultrazvuk môže meniť vlastnosti enzýmov, substrátov a ich reakcií. Tieto účinky nízkofrekvenčného ultrazvuku sa využívajú pri spracovaní potravín ako netepelná alternatíva na pasterizáciu potravín a nápojov. Sonikácia ponúka výhodu presného riadenia procesných parametrov, ako sú amplitúda, čas, teplota a tlak, čo umožňuje cielenú inaktiváciu mikroorganizmov. Inaktivácia mikrobiálnej záťaže v kombuche a fermentovaných nápojoch umožňuje predĺžiť trvanlivosť a zvýšiť stabilitu výrobku. Zníženie množstva mikroorganizmov a enzýmov uľahčuje komerčnú distribúciu vďaka predĺženej trvanlivosti konečného výrobku. Ošetrenie ultrazvukom je netepelná metóda pasterizácie, ktorá sa už používa pri komerčnom spracovaní potravín, napríklad pri pasterizácii štiav. Najmä pri vyšších amplitúdach ultrazvuk inaktivuje baktérie a kvasinky poškodzovaním bunkových stien. To vedie k spomaleniu alebo zastaveniu rastu mikroorganizmov. Napríklad Kwaw et al. (2018) skúmali ultrazvuk ako stratégiu netepelnej pasterizácie morušovej šťavy fermentovanej mliečnym kvasením. Ultrazvukom ošetrená fermentovaná morušová šťava mala vyšší obsah fenolových zlúčenín (1700,07 ± 2,44 μg/mL) než kontrolná vzorka, ktorou bola neošetrená fermentovaná morušová šťava. „Spomedzi jednotlivých netepelných ošetrení spôsobila sonikácia významné (p < 0,05) zvýšenie fenolových a antioxidačných vlastností morušovej šťavy fermentovanej mliečnym kvasením v porovnaní s ošetrením pulzným svetlom.“ (Kwaw et al., 2018)
Hoci je kombucha nápoj známy svojimi živými kultúrami, riadené zníženie počtu mikroorganizmov možno využiť na predĺženie trvanlivosti komerčne distribuovaných kombuchových nápojov.
Bežná tepelná pasterizácia usmrcuje všetky živé kvasinky a baktérie, ktoré sa v kombuche bežne nachádzajú a sú jedným z hlavných faktorov jej zdraviu prospešných účinkov. Ultrazvuková pasterizácia je netepelná metóda konzervácie, ktorú možno použiť buď na zníženie počtu mikroorganizmov, alebo na ich úplnú elimináciu. To znamená, že komerční výrobcovia môžu aplikovať ultrazvuk pri nižších amplitúdach a počas kratších časových intervalov, aby znížili počet baktérií a kvasiniek bez ich úplnej eliminácie. V kombuche tak zostávajú prítomné živé kultúry, hoci v menšom počte, čím sa predlžuje jej trvanlivosť a doba skladovania.

Vedecky preukázané výsledky pri ultrazvukovo ošetrenej kombuche

Dornan et al. (2020) skúmali účinky nízkofrekvenčného ultrazvuku na kombuchu vyrobenú z plodov rakytníka pomocou sonikátora UIP500hdT. Výskumnému tímu sa podarilo preukázať viaceré priaznivé účinky ultrazvukového ošetrenia na prípravu plodov rakytníka a následnú fermentáciu kombuchy.

Ultrazvuková extrakcia z plodov rakytníka

Čerstvé celé plody rakytníka (známeho aj ako sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) sa pri príprave na sonikáciu rozmixovali na pyré pomocou mixéra Vitamix počas 2 min. Pridala sa dH2O v objeme zodpovedajúcom 30% pôvodného objemu pyré a zmes sa premiešala. Na 200 mL zriedeného pyré sa aplikoval ultrazvuk (90 W, 20 kHz, 10 min) pomocou ultrazvukového procesora UIP500hdT (pozri obrázok vľavo). Čas ošetrenia bol zvolený tak, aby sa optimalizoval obsah živín a vzorka zostala v stave podobnom čerstvej vzorke. Výsledky ultrazvukovej extrakcie preukazujú významné (P ≺ 0,05) zvýšenie výťažnosti extrakcie z dužiny o 10% (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) a zo semien o 7% (zo 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). Toto zvýšenie výťažnosti oleja poukazuje na využiteľnosť sonikácie ako účinnej a ekologickej technológie na maximalizáciu hodnoty suroviny. Ultrazvuková extrakcia z plodov rakytníka viedla k vyššej výťažnosti oleja, skráteniu času spracovania, zníženiu spotreby energie a vylúčeniu používania nebezpečných rozpúšťadiel.

Prípadová štúdia: Ultrazvuková homogenizácia kombuchy z plodov rakytníka

Ultrazvukovo ošetrená kombucha z plodov rakytníka (sanddorne) vykazovala výrazne zlepšenú stabilitu produktu. Sonikovaná kombucha z plodov zostala homogénna až do 21. dňa skladovania. Skutočnosť, že počas celej štúdie (21 dní, pozri obrázok nižšie) nebola v sonikovanej kombuche z plodov pozorovaná žiadna syneréza, ukazuje, že samotný ultrazvuk je účinnou emulgačnou technikou schopnou zabezpečiť stabilitu produktu a zabrániť oddeľovaniu fáz.

Rakytníkové pyré (P) bez ultrazvukového ošetrenia a s ultrazvukovým ošetrením (P+US) v deň 0 a 21.
Štúdia a obrázok:©Dornan et al., 2020.

Ultrazvukové ošetrenie na zastavenie fermentácie

Pripravili sa štyri vzorky kombuchy: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvuk), K+S (kombucha + sacharóza) a K+S+US (kombucha + sacharóza + ultrazvuk). Všetky vzorky sa pripravili s použitím 200 mL rakytníkového pyré (P) alebo P+US a 12,5 g SCOBY. K pozostávala z P a SCOBY. K+US pozostávala z P+US a SCOBY. K+S pozostávala z P, 15,0 g sacharózy a SCOBY. K+S+US pozostávala z P+US, 15,0 g sacharózy a SCOBY. Všetky vzorky sa nechali fermentovať na tmavom mieste pri izbovej teplote počas piatich dní. Na vzorky K+US a K+S+US sa aplikovalo druhé sonikačné ošetrenie (90 W, 20 kHz, 10 min) na zastavenie fermentácie v deň 5.

Konzervačné účinky ultrazvuku na kombuchu

V rakytníkovej kombuche sonikácia znížila počiatočné mikrobiálne zaťaženie o 2,6 log CFU/mL, čím sa fermentačný proces zastavil vo zvolenom čase, aby sa zabránilo nadmernej fermentácii. Riadené zníženie počtu mikroorganizmov navyše pomáha predĺžiť trvanlivosť a zvýšiť stabilitu konečného produktu, čo uľahčuje komerčnú distribúciu kombuchy.
Prečítajte si viac o ultrazvukovom ošetrení ako metóde netepelnej pasterizácie štiav!

Celkové výsledky ultrazvukového ošetrenia kombuchy

Ultrazvukové ošetrenie znížilo počiatočnú mikrobiálnu záťaž o 2,6 log CFU/mL, zvýšilo hodnotu ORAC o 3% a zvýšilo index rozpustnosti vo vode (WSI) o 40% (zo 6,64 na 9,29 g/g) bez synerézy. Výsledky tejto štúdie naznačujú, že použitie ultrazvukového ošetrenia môže zlepšiť funkčné vlastnosti fenolových zlúčenín počas fermentácie a dokáže znižovať synerézu, zvyšovať výťažnosť oleja, znižovať mikrobiálnu záťaž a zvyšovať ORAC s minimálnou stratou výživovej kvality. (porov. Dornan et al., 2020)

Ultrazvukové zariadenia na zlepšenie výroby kombuchy

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje, ultrazvukové bioreaktory a príslušenstvo na zlepšenie procesov fermentácie, extrakcie a pasterizácie používaných pri výrobe potravín a nápojov. Ultrazvukové systémy Hielscher na spracovanie potravín sa používajú v mnohých aplikáciách a predstavujú bezpečnú, spoľahlivú a nákladovo efektívnu technológiu na výrobu vysokokvalitných potravín a nápojov. Inštalácia a prevádzka všetkých ultrazvukových procesorov Hielscher sú jednoduché: vyžadujú len málo priestoru a dajú sa ľahko dodatočne zabudovať do existujúcich spracovateľských zariadení.
Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s použitím výkonového ultrazvuku v potravinárskom a nápojovom priemysle, ako aj v mnohých ďalších priemyselných odvetviach. Naše ultrazvukové procesory sú vybavené sonotródami a prietokovými celami (časťami v kontakte s médiom), ktoré sa ľahko čistia (čistenie na mieste CIP / sterilizácia na mieste SIP). Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Presné nastavenie amplitúd a možnosť prepínania medzi nízkymi a vysokými amplitúdami sú dôležité na stimuláciu alebo inaktiváciu mikroorganizmov. Ten istý ultrazvukový prístroj tak možno použiť buď na stimuláciu mikroorganizmov, čím sa zintenzívňuje fermentácia, alebo na inaktiváciu mikroorganizmov pri pasterizácii.
Najmodernejšia technológia, vysoký výkon a sofistikovaný softvér robia zo zariadení Hielscher Ultrasonics spoľahlivých pomocníkov pri fermentácii potravín. Vďaka malým priestorovým nárokom a všestranným možnostiam inštalácie možno ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko integrovať alebo dodatočne zabudovať do existujúcich výrobných liniek.

Štandardizácia procesov s 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 umožňuje jednoduché a presné nastavenie a riadenie procesu sonikácie. Automatický záznam údajov ukladá všetky parametre ultrazvukového procesu, ako sú ultrazvuková energia (celková a čistá energia), amplitúda, teplota a tlak (ak sú namontované snímače teploty a tlaku), spolu s dátumovou a časovou pečiatkou na zabudovanú SD kartu. To vám umožňuje spätne skontrolovať každú ultrazvukom spracovanú šaržu. Zároveň je zabezpečená reprodukovateľnosť a trvalo vysoká kvalita výrobkov.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o vlastnostiach a možnostiach našich ultrazvukových pasterizačných systémov. Radi s vami prediskutujeme vašu aplikáciu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: