Ultrazvočno izboljšana fermentacija kombuče

Sonikacija spodbuja fermentacijo v ultrazvočno fermentiranih živilih, kot so kombuča, kimči in druga fermentirana zelenjava, saj izboljšuje prenos snovi, razgrajuje mikrobne celice, aktivira encime in izboljšuje homogenost, kar nazadnje vodi do hitrejše fermentacije in proizvodnje izdelka vrhunske kakovosti. Sonikacija med mlečnokislinsko fermentacijo sproži ugodne spremembe bioaktivnih spojin, s čimer povečuje vsebnost hranilnih spojin in fitokemikalij.

Kombuča in fermentirane pijače

Kombučo proizvajajo s fermentacijo sladkanega čaja z uporabo »simbiotske kulture bakterij in kvasovk« (SCOBY), ki jo pogosto imenujejo tudi »matična kultura« ali »čajna goba«. Raznolikost in razmerje mikrobnih populacij v kulturi SCOBY se lahko precej razlikujeta. Kvasovke običajno vključujejo Saccharomyces cerevisiae ter druge vrste iz rodov Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces in Kluyveromyces; bakterijska komponenta skoraj vedno vključuje Komagataeibacter xylinus (prej Gluconacetobacter xylinus), ki alkohole, nastale s pomočjo kvasovk, fermentira v ocetno in druge kisline, s čimer povečuje kislost in omejuje vsebnost etanola.
Podobno tudi druge fermentirane pijače, kot so fermentirani sadni in zelenjavni sokovi, inokulirajo z bakterijami in kvasovkami.
Ultrazvočna obdelava lahko izboljša učinkovitost fermentacije in kakovostne lastnosti fermentirane pijače, vključno z vsebnostjo hranil in okusom.

Ultrazvočno intenzivirana fermentacija kombuče

Znano je, da ultrazvočni valovi spodbujajo rast bakterij in kvasovk. Nadzorovana blaga sonikacija kultur kombuče (SCOBY, znana tudi kot čajna goba, čajna gliva ali mandžurska goba) lahko zato spodbuja fermentacijski proces in poveča izkoristek kombuče ob krajšem času fermentacije.
Pri ultrazvočno spodbujeni fermentaciji se poveča prepustnost membran in s tem prenos snovi. Sonomehanska obdelava z ultrazvočnimi valovi perforira celične stene in plazemske membrane mikroorganizmov (proces, imenovan sonoporacija). Nekatere celice lahko celo razpadejo. Te razgrajene celice sproščajo dejavnike, ki spodbujajo rast, kot so vitamini, nukleotidi, aminokisline in encimi, ki bi lahko spodbudili rast tako bakterij z nepoškodovanimi celicami kot bakterij s poškodovanimi membranami.
Ultrazvočna obdelava pred fermentacijo ter v fazi prilagajanja in logaritemski fazi je pokazala najizrazitejše učinke na spodbujanje rasti bakterij.

Prednosti sonikacije pri fermentaciji kombuče

Kako ultrazvok spodbuja fermentacijski proces in pomaga proizvajati boljšo kombučo, fermentirano zelenjavo, koji itd.? Sonikacija intenzivira fermentacijo na več načinov, ki so v nadaljevanju prikazani na primeru fermentirane kombuče. Kombuča je fermentirana pijača, ki jo tradicionalno pripravljajo iz sladkanega čaja in simbiotske kulture bakterij in kvasovk (SCOBY). Razredčene sadne kaše zagotavljajo s hranili bogato, okusno osnovo za proizvodnjo kombuče. V nadaljevanju boste izvedeli, kako ultrazvočna obdelava spodbuja proizvodnjo

• Povečan prenos snovi: Ultrazvočni valovi v tekočini ustvarjajo mikroskopske kavitacijske mehurčke, kar vodi do nastanka mikrotokov, tekočinskih curkov in turbulence. To gibanje izboljšuje prenos snovi s povečevanjem stika med mikroorganizmi, odgovornimi za fermentacijo, in hranili v gojišču. Posledično mikroorganizmi, ki izvajajo fermentacijo, učinkoviteje privzemajo hranila, kar pospeši fermentacijo.
• Razgradnja celic: Sonikatorji so dobro znani po svoji učinkovitosti pri lizi celic in ekstrakciji. Pri fermentaciji živil sonikatorji razgrajujejo mikrobne celične stene, pri čemer se sproščajo znotrajcelični encimi in metaboliti, ki lahko dodatno katalizirajo fermentacijske reakcije. Ta razgradnja povečuje sproščanje aromatičnih spojin, vitaminov in organskih kislin iz mikrobnih celic, kar prispeva h kompleksnosti okusa in bogati vsebnosti hranil v fermentiranem izdelku. V ultrazvočno fermentirani kombuči iz rakitovca je mogoče izmeriti znatno višji delež fenolnih spojin. (prim. Dornan et al., 2020)
• Priprava fermentacijskih substratov, bogatih s hranili: Ultrazvočna ekstrakcija pomaga pripraviti fermentacijski substrat, ki zagotavlja številna hranila v obliki, dostopni za mikrobno razgradnjo. To pomeni, da se v ultrazvočno obdelanih fermentacijskih substratih (npr. sadnih in zelenjavnih kašah) bioaktivne spojine, kot so škrobi in sladkorji, sprostijo iz znotrajceličnega matriksa rastlinskih celic. Mikrobi se lahko zlahka prehranjujejo s substratom, kar pospešuje in skrajšuje fermentacijski proces. Enako velja za polifenole, flavonoide in vitamine, ki se sproščajo iz znotrajceličnih matriksov in prispevajo k skupni hranilni vrednosti fermentiranih živil ali pijač.
• Povečana encimska aktivnost: Sonikacija aktivira ali poveča aktivnost določenih encimov, ki sodelujejo v fermentacijskih procesih. Poveča na primer aktivnost celulaze in amilaze, encimov, ki sta ključna za razgradnjo kompleksnih ogljikovih hidratov v enostavnejše sladkorje, ki jih nato fermentirajo mikroorganizmi v kulturi kombuče.
• Izboljšana homogenost: Ker sile pri sonikaciji vedno povzročajo mešanje, ultrazvočna obdelava zagotavlja boljšo homogenizacijo fermentacijske mešanice, kar vodi do enakomerne porazdelitve hranil in mikroorganizmov po celotnem gojišču. Ta enakomernost spodbuja dosledno fermentacijsko kinetiko in proizvodnjo visokokakovostne kombuče z želenimi senzoričnimi lastnostmi.

Ultrazvočno spodbujanje mikrobne rasti je najučinkovitejše, kadar se ultrazvok uporablja pred fermentacijo ali v fazi prilagajanja in logaritemski fazi.

Študija primera: ultrazvočno spodbujanje fermentacije jabolčnega soka

Raziskave so pokazale, da je ultrazvočna obdelava v fazi prilagajanja in logaritemski fazi med fermentacijo jabolčnega soka spodbujala mikrobno rast in intenzivirala biotransformacijo jabolčne kisline v mlečno kislino. Na primer, po sonikaciji v fazi prilagajanja, ki je trajala 0,5 h, sta število mikroorganizmov in vsebnost mlečne kisline v vzorcih, ultrazvočno obdelanih pri 58,3 W/L, dosegla 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL oziroma 133,70 ± 7,39 mg/L, kar je bilo znatno več kot v nesonikiranih vzorcih. Poleg tega je ultrazvočna obdelava v fazi prilagajanja in logaritemski fazi kompleksno vplivala na presnovo jabolčnih fenolnih spojin, kot so klorogenska kislina, kavna kislina, procianidin B2, katehin in galna kislina. Ultrazvok bi lahko pozitivno vplival na hidrolizo klorogenske kisline v kavno kislino, pretvorbo procianidina B2 in dekarboksilacijo galne kisline. Presnova organskih kislin in prostih aminokislin v sonikiranih vzorcih je bila statistično povezana s presnovo fenolnih spojin, kar nakazuje, da lahko ultrazvok z izboljšanjem mikrobne presnove organskih kislin in aminokislin ugodno vpliva na nastajanje fenolnih derivatov. (prim. Wang et al., 2021)

Študija primera: ultrazvočno izboljšana fermentacija sojinega mleka

Raziskovalna skupina Ewe et al. (2012) je preučevala učinke ultrazvoka na presnovno učinkovitost sevov laktobacilov (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) med fermentacijo sojinega mleka. Ugotovili so, da je ultrazvočna obdelava povečala prepustnost celičnih membran bakterij. Povečana prepustnost celičnih membran je izboljšala privzem hranil in posledično spodbudila rast (P ≺ 0,05). Višje amplitude in daljša sonikacija so spodbujale rast laktobacilov v sojinem mleku, pri čemer je število živih celic preseglo 9 log CFU/mL. Ultrazvočna obdelava je povečala tudi znotrajcelično in zunajcelično specifično aktivnost β-glukozidaze pri laktobacilih (P ≺ 0,05), kar je povečalo biokonverzijo izoflavonov v sojinem mleku, zlasti genistina in malonil genistina v genistein. Rezultati te študije kažejo, da ultrazvočna obdelava celic laktobacilov spodbuja (P ≺ 0,05) aktivnost β-glukozidaze v celicah, kar koristi povečani (P ≺ 0,05) biokonverziji izoflavonskih glukozidov v bioaktivne aglikone v sojinem mleku. (prim. Ewe et al., 2012)

Posnetki laktobacilov brez obdelave (A) in laktobacilov, ultrazvočno obdelanih pri 60% amplitudi 3 min (B), pridobljeni z vrstičnim elektronskim mikroskopom. Krogi označujejo razpadle celice in celice s porami.
(Študija in slike: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcija hranilnih in aromatičnih spojin v kombuči in fermentiranih pijačah

Ultrazvočna obdelava znatno izboljša okus in vsebnost hranil v fermentiranem čaju ter sadnih in zelenjavnih pijačah, npr. fermentiranem jabolčnem ali murvinem soku ali kombučah z dodanim sadjem. Ultrazvočni valovi razgrajujejo celične strukture rastlinskih materialov in sproščajo znotrajcelične spojine, kot so aromatične spojine, polifenoli, antioksidanti in flavonoidi. Hkrati ultrazvočna homogenizacija zagotavlja enakomerno dispergirano in emulgirano pijačo, preprečuje ločevanje faz in zagotavlja videz, ki je privlačen za potrošnike. Spodaj si lahko ogledate primer ultrazvočno obdelane kombuče iz jagod rakitovca brez ločevanja faz v primerjavi z neobdelano različico.
Preberite več o ultrazvočni ekstrakciji aromatičnih spojin in hranil!

Študija primera: ultrazvočno konzervirana kombuča

Ultrazvočna obdelava lahko vpliva na mikrobe tako, da jih spodbuja ali inaktivira. Sonikacija vpliva tudi na encime: ultrazvok lahko spremeni značilnosti encimov, substratov in njihovih reakcij. Ti učinki nizkofrekvenčnega ultrazvoka se pri predelavi živil uporabljajo kot netermična alternativa za pasterizacijo živil in pijač. Sonikacija ima prednost natančnega nadzora procesnih parametrov, kot so amplituda, čas, temperatura in tlak, kar omogoča ciljno inaktivacijo mikroorganizmov. Inaktivacija mikrobov v kombuči in fermentiranih pijačah omogoča podaljšanje roka uporabnosti in povečanje stabilnosti izdelka. Zmanjšanje količine mikrobov in encimov olajša komercialno distribucijo zaradi podaljšanega roka uporabnosti končnega izdelka. Ultrazvočna obdelava je netermična metoda pasterizacije, ki se že uporablja pri komercialni predelavi živil, na primer pri pasterizaciji sokov. Zlasti pri višjih amplitudah ultrazvok inaktivira bakterije in kvasovke s poškodovanjem celičnih sten. To povzroči upočasnitev ali zaustavitev mikrobne rasti. Kwaw et al. (2018) so na primer preučevali ultrazvok kot strategijo netermične pasterizacije mlečnokislinsko fermentiranega murvinega soka. Ultrazvočno obdelan fermentirani murvin sok je imel višjo vsebnost fenolnih spojin (1700,07 ± 2,44 μg/mL) kot kontrolni vzorec, neobdelan fermentirani murvin sok. »Med posameznimi netermičnimi obdelavami je ultrazvočna obdelava povzročila znatno (p < 0,05) povečanje fenolnih in antioksidativnih lastnosti mlečnokislinsko fermentiranega murvinega soka v primerjavi z obdelavo s pulzno svetlobo.« (Kwaw et al., 2018)
Čeprav je kombuča pijača, znana po svojih živih kulturah, se lahko nadzorovano zmanjšanje količine mikrobov uporablja za podaljšanje roka uporabnosti komercialno distribuiranih napitkov iz kombuče.
Običajna termična pasterizacija uniči vse žive kvasovke in bakterije, ki so običajno prisotne v kombuči in so eden glavnih dejavnikov njenih zdravju koristnih učinkov. Ultrazvočna pasterizacija je netermična metoda konzerviranja, ki se lahko uporablja bodisi za zmanjšanje števila mikrobov bodisi za popolno odstranitev mikroorganizmov. To pomeni, da lahko komercialni proizvajalci uporabljajo ultrazvok pri nižjih amplitudah in krajši čas, da zmanjšajo število bakterij in kvasovk, ne da bi jih popolnoma odstranili. Tako so žive kulture v kombuči še vedno prisotne, čeprav v manjšem številu, zaradi česar se podaljšata rok uporabnosti in čas shranjevanja.

Znanstveno dokazani rezultati pri ultrazvočno obdelani kombuči

Dornan et al. (2020) so s sonikatorjem UIP500hdT preučevali učinke nizkofrekvenčnega ultrazvoka na kombučo, pripravljeno iz jagod rakitovca. Raziskovalna skupina je lahko dokazala več ugodnih učinkov ultrazvočne obdelave na pripravo jagod rakitovca in poznejšo fermentacijo kombuče.

Ultrazvočna ekstrakcija jagod rakitovca

Za sonikacijo so sveže cele jagode rakitovca (znanega tudi kot sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) pretlačili v kašo z mešalnikom Vitamix v 2 min. Dodali so prostornino dH2O, enako 30% prvotne prostornine kaše, in premešali. Z ultrazvočnim procesorjem UIP500hdT (glejte sliko levo) so 200 mL razredčene kaše obdelali z ultrazvokom (90 W, 20 kHz, 10 min). Čas obdelave so izbrali za optimizacijo hranil in ohranitev vzorca v stanju, podobnem svežemu. Rezultati ultrazvočne ekstrakcije kažejo znatno (P ≺ 0,05) povečanje izkoristka ekstrakcije iz sadnega mesa za 10% (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) in iz semen za 7% (s 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). To povečanje izkoristka olja poudarja uporabnost sonikacije kot učinkovite in zelene tehnologije za čim večje izkoriščanje vrednosti surovine. Ultrazvočna ekstrakcija iz jagod rakitovca je omogočila višji izkoristek olja, krajši čas obdelave, manjšo porabo energije in izogibanje nevarnim topilom.

Študija primera: ultrazvočna homogenizacija kombuče iz jagod rakitovca

Ultrazvočno obdelana kombuča iz jagod rakitovca (sanddorne) je pokazala znatno izboljšano stabilnost izdelka. Sonikirana kombuča iz jagod je ostala homogena do 21. dne shranjevanja. Dejstvo, da v sonikirani kombuči iz jagod v celotnem obdobju študije (21 dni, glejte sliko spodaj) niso opazili sinereze, kaže, da je že sam ultrazvok učinkovita tehnika emulgiranja, ki lahko zagotovi stabilnost izdelka in prepreči ločevanje faz.

Kaša iz rakitovca (P) brez ultrazvočne obdelave in z njo (P+US) na dan 0 in 21.
Študija in slika:©Dornan et al., 2020.

Ultrazvočna obdelava za zaustavitev fermentacije

Pripravili so štiri vzorce kombuče: K (kombuča), K+US (kombuča + ultrazvok), K+S (kombuča + saharoza) in K+S+US (kombuča + saharoza + ultrazvok). Vse vzorce so pripravili z 200 mL kaše iz rakitovca (P) ali P+US in 12,5 g kulture SCOBY. K je bil sestavljen iz P in kulture SCOBY. K+US je bil sestavljen iz P+US in kulture SCOBY. K+S je bil sestavljen iz P, 15,0 g saharoze in kulture SCOBY. K+S+US je bil sestavljen iz P+US, 15,0 g saharoze in kulture SCOBY. Vse vzorce so pustili fermentirati v temnem prostoru pri sobni temperaturi pet dni. Drugo sonikacijo (90 W, 20 kHz, 10 min) so izvedli na K+US in K+S+US, da bi zaustavili fermentacijo na dan 5.

Učinki ultrazvočnega konzerviranja na kombučo

V kombuči iz rakitovca je sonikacija zmanjšala začetno mikrobno obremenitev za 2,6 log CFU/mL in s tem zaustavila fermentacijski proces v izbranem trenutku, da bi preprečila čezmerno fermentacijo. Poleg tega nadzorovano zmanjšanje količine mikrobov pomaga podaljšati rok uporabnosti in povečati stabilnost končnega izdelka, kar olajša komercialno distribucijo kombuče.
Preberite več o ultrazvočni obdelavi kot metodi netermične pasterizacije sokov!

Skupni rezultati pri ultrazvočno obdelani kombuči

Ultrazvočna obdelava je zmanjšala začetno mikrobno obremenitev za 2,6 log CFU/mL, povečala vrednost ORAC za 3% in povečala indeks topnosti v vodi (WSI) za 40% (s 6,64 na 9,29 g/g) brez sinereze. Rezultati te študije nakazujejo, da lahko uporaba ultrazvočne obdelave med fermentacijo izboljša funkcionalnost fenolnih spojin in omogoči zmanjšanje sinereze, povečanje izkoristka olja, zmanjšanje mikrobne obremenitve in povečanje ORAC ob minimalni izgubi hranilne kakovosti. (prim. Dornan et al., 2020)

Ultrazvočna oprema za izboljšano pripravo kombuče

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visokozmogljive ultrazvočne naprave, ultrazvočne bioreaktorje in dodatno opremo za izboljšane procese fermentacije, ekstrakcije in pasterizacije, ki se uporabljajo pri proizvodnji živil in pijač. Ultrazvočni sistemi Hielscher za predelavo živil se uporabljajo za številne namene in predstavljajo varno, zanesljivo in stroškovno učinkovito tehnologijo za proizvodnjo visokokakovostnih živil in pijač. Namestitev in upravljanje vseh ultrazvočnih procesorjev Hielscher sta preprosta: potrebujejo le malo prostora in jih je mogoče enostavno naknadno vgraditi v obstoječe predelovalne obrate.
Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje z uporabo močnostnega ultrazvoka v živilski industriji in industriji pijač ter v številnih drugih industrijskih panogah. Naši ultrazvočni procesorji so opremljeni s sonotrodami in pretočnimi celicami (deli v stiku s tekočino), ki jih je enostavno čistiti (čiščenje na mestu CIP / sterilizacija na mestu SIP). Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Natančno nastavljanje amplitud in možnost preklapljanja med nizkimi in visokimi amplitudami sta pomembna za spodbujanje ali inaktivacijo mikroorganizmov. Tako se lahko ista ultrazvočna naprava uporablja bodisi za spodbujanje mikrobov in s tem intenziviranje fermentacije bodisi za inaktivacijo mikroorganizmov pri pasterizaciji.
Najsodobnejša tehnologija, visoka zmogljivost in dovršena programska oprema zagotavljajo, da so ultrazvočne naprave Hielscher Ultrasonics zanesljivi delovni stroji v vašem procesu fermentacije živil. Zaradi majhne prostorske zahtevnosti in raznovrstnih možnosti namestitve je mogoče ultrazvočne naprave Hielscher enostavno vključiti ali naknadno vgraditi v obstoječe proizvodne linije.

Standardizacija procesa s Hielscher Ultrasonics

Živilske izdelke je treba proizvajati v skladu z dobro proizvodno prakso (GMP) in standardiziranimi specifikacijami obdelave. Digitalni ekstrakcijski sistemi Hielscher Ultrasonics so opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki olajša natančno nastavljanje in nadzor procesa sonikacije. Samodejno beleženje podatkov zapisuje vse parametre ultrazvočnega procesa, kot so ultrazvočna energija (skupna in neto energija), amplituda, temperatura in tlak (kadar so nameščena temperaturna in tlačna tipala), skupaj z datumskim in časovnim žigom na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča pregled vsake ultrazvočno obdelane serije. Hkrati sta zagotovljeni ponovljivost in stalno visoka kakovost izdelkov.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje v režimu 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Kontaktirajte nas zdaj, če želite izvedeti več o lastnostih in zmogljivosti naših sistemov za ultrazvočno pasterizacijo. Z veseljem se bomo z vami pogovorili o vaši uporabi!

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: