Ultrazvočno izboljšana fermentacija kombuche

Sonication spodbuja fermentacijo v ultrazvočno fermentiranih živilih, kot so kombucha, kimchi in druga fermentirana zelenjava, s povečanjem prenosa mase, motenjem mikrobnih celic, aktiviranjem encimov in izboljšanjem homogenosti, kar na koncu vodi do pospešene fermentacije in proizvodnje izdelka vrhunske kakovosti. Sonication sproži koristne spremembe v bioaktivnih spojinah med mlečno fermentacijo, s čimer se poveča vsebnost hranilnih spojin in fitokemikalij.

Kombucha in fermentirane pijače

Kombucha se proizvaja s fermentacijo sladkega čaja z uporabo "simbiotske kulture bakterij in kvasovk" (SCOBY), ki se običajno imenuje tudi "mati"” ali "čajna goba”. Raznolikost in razmerje mikrobnih populacij v SCOBY se lahko precej razlikujeta. Komponenta kvasovk na splošno vključuje Saccharomyces cerevisiae, skupaj z drugimi vrstami 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 fermentira alkohole, ki jih proizvajajo kvasovke, v ocetno in druge kisline, s čimer poveča kislost in omeji vsebnost etanola.
Podobno so druge fermentirane pijače, kot so fermentirani sadni in zelenjavni sokovi, inokulirane z bakterijami in kvasom.
Zdravljenje z ultrazvokom lahko izboljša učinkovitost fermentacije in kakovostne lastnosti fermentirane pijače, vključno z vsebnostjo hranil in okusom.

Ultrazvočno okrepljena fermentacija kombuche

Znano je, da ultrazvočni valovi spodbujajo rast bakterij in kvasovk. Nadzorovana blaga ultrazvočna razbijanje kultur kombuche (SCOBY, znana tudi kot čajna goba, čajna gliva ali mandžurska goba) lahko zato spodbuja proces fermentacije in vodi do višjih donosov kombuche v pospešenem času fermentacije.
Ultrazvočno stimulirana fermentacija kaže povečano membransko permeabilizacijo in s tem povečan prenos mase. Sonomehanska obdelava z ultrazvočnimi valovi perforira celične stene in plazemske membrane mikroorganizmov (proces, imenovan sonoporacija). Nekatere celice se lahko celo raztrgajo. Te moteče celice sproščajo dejavnike, ki spodbujajo rast, kot so vitamini, nukleotidi, aminokisline in encimi, ki bi lahko spodbudili rast celičnih nedotaknjenih in membransko ogroženih bakterij.
Ultrazvočna obdelava pred fermentacijo ter v fazah zaostajanja in log so pokazali najvidnejše učinke na stimulacijo rasti bakterij.

Prednosti ultrazvočnega razbijanja pri fermentaciji kombuche

Kako ultrazvok spodbuja proces fermentacije in pomaga pri proizvodnji boljše kombuche, rastlinskih fermentov, kojijev itd.? Sonication intenficira fermentacijo na več načinov, ki so prikazani spodaj v kontekstu fermentirane kombuche. Kombucha je fermentirana pijača, ki se tradicionalno pripravlja iz sladkanega čaja in simbiotične kulture bakterij in kvasovk (SCOBY). Razredčeni sadni pireji zagotavljajo bogato s hranili in okusno osnovo za proizvodnjo kombuche. Spodaj boste izvedeli, kako ultrazvok spodbuja proizvodnjo

• Povečan prenos mase: Ultrazvočni valovi ustvarjajo mikroskopske kavitacijske mehurčke v tekočini, kar vodi do nastanka mikrotokov, tekočih curkov in turbulenc. To mešanje poveča prenos mase s povečanjem stika med mikroorganizmi, ki so odgovorni za fermentacijo, in hranili v mediju. Posledično fermentacijski mikroorganizmi učinkoviteje absorbirajo hranila, kar vodi do pospešene fermentacije.
• Motnje celic: Sonikatorji so znani po svoji učinkovitosti lize in ekstrakcije celic. Pri fermentaciji hrane sonikatorji motijo mikrobne celične stene, sproščajo znotrajcelične encime in metabolite, ki lahko dodatno katalizirajo fermentacijske reakcije. Ta motnja poveča sproščanje aromatičnih spojin, vitaminov in organskih kislin iz mikrobnih celic, kar prispeva k kompleksnosti okusa in bogastvu hranil fermentiranega izdelka. V ultrazvočno fermentirani kombuchi rakitovca lahko izmerimo bistveno večji delež fenolnih spojin. (prim. Dornan et al., 2020)
• Priprava fermentacijskih substratov, bogatih s hranili: Ultrazvočna ekstrakcija pomaga pripraviti fermentacijski substrat, ki zagotavlja veliko hranil v razpoložljivi obliki za mikrobno prebavo. To pomeni, da se v ultrazvočno obdelanih fermentacijskih substratih (npr. sadni in zelenjavni pireji) bioaktivne spojine, kot so škrob in sladkorji, osvobodijo iz znotrajceličnega matriksa rastlinskih celic. Mikrobi se lahko zlahka hranijo s substratom, kar pospešuje in skrajša proces fermentacije. Enako velja za polifenole, flavonoide in vitamine, ki se sproščajo iz znotrajceličnih matrik in prispevajo k splošni hranilni vrednosti fermentirane hrane ali pijače.
• Povečana encimska aktivnost: Sonication aktivira ali poveča aktivnost nekaterih encimov, ki sodelujejo v fermentacijskih procesih. Na primer, poveča aktivnost celulaze in amilaze, encimov, ki so ključni za razgradnjo kompleksnih ogljikovih hidratov v enostavnejše sladkorje, ki jih nato fermentirajo mikroorganizmi, prisotni v kulturi kombucha.
• Izboljšana homogenost: Ker ultrazvočne sile vedno povzročijo mešanje in mešanje, ultrazvočna obdelava zagotavlja boljšo homogenizacijo fermentacijske mešanice, kar ima za posledico enakomerno porazdelitev hranil in mikroorganizmov po celotnem mediju. Ta enotnost spodbuja dosledno kinetiko fermentacije in proizvodnjo visokokakovostnega izdelka kombucha z zaželenimi senzoričnimi lastnostmi.

Ultrazvočna stimulacija rasti mikrobov je najučinkovitejša, če se ultrazvok uporablja pred fermentacijo ali v fazah zamika in loga.

Študija primera: Ultrazvočna stimulacija fermentacije jabolčnega soka

Raziskave so pokazale, da ultrazvočna obdelava v zaostanku in logaritmičnih fazah med fermentacijo jabolčnega soka spodbuja rast mikrobov in intenzivira biotransformacijo jabolčne kisline v mlečno kislino. Na primer, po ultrazvočno obdelanih vzorcih pri 58,3 W / L je število mikrobov in vsebnost mlečne kisline v ultrazvočno obdelanih vzorcih pri 58,3 W / L dosegla 7,91 ± 0,01 Log CFU / ml in 133,70 ± 7,39 mg / L, kar je bilo bistveno višje kot v nesonikiranih vzorcih. Poleg tega je ultrasonication v zaostanku in logaritmični fazi imel kompleksen vpliv na presnovo jabolčnih fenolov, kot so klorogenska kislina, kofeinska kislina, procianidin B2, katehin in galna kislina. Ultrazvok lahko pozitivno vpliva na hidrolizo klorogenske kisline v kofeinsko kislino, transformacijo ocianidina B2 in dekarboksilacijo galne kisline. Presnova organskih kislin in prostih aminokislin v ultrazvočnih vzorcih je bila statistično povezana s fenolno presnovo, kar pomeni, da lahko ultrazvok koristi derivaciji fenolov z izboljšanjem mikrobne presnove organskih kislin in aminokislin. (prim. Wang et al., 2021)

Študija primera: Ultrazvočno izboljšana fermentacija sojinega mleka

(2012) je raziskala 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. Ugotovljeno je bilo, da ultrazvočno zdravljenje prežema celične membrane bakterij. Permeabilizirane celične membrane so povzročile izboljšano internalizacijo hranil in posledično povečanje rasti (P ≺ 0,05). Večje amplitude in daljše trajanje ultrazvočnega zdravljenja so spodbudili rast laktobacilov v sojinem mleku, s številom živih zdravil, ki presegajo 9 log CFU/ml. Znotrajcelične in zunajcelične aktivnosti laktobacilov, specifične za β-glukozidazo, so se prav tako povečale (P ≺ 0,05) z ultrazvokom, kar je privedlo do povečane biokonverzije izoflavonov v sojinem mleku, zlasti genistina in malonil genistina v genistein. Rezultati te študije kažejo, da ultrazvočno zdravljenje celic laktobacilov spodbuja (P ≺ 0,05) aktivnost celic β-glukozidaze v korist povečane (P ≺ 0,05) biokonverzije izoflavonovih glukozidov v bioaktivne aglibone v sojinem mleku. (prim. Ewe et al., 2012)

Vrstične elektronske mikroslike laktobacilov brez obdelave (A) in laktobacilov, obdelanih z ultrazvokom pri 60% amplitudi 3 minute (B). Krogi, ki prikazujejo razpokane celice in celice s porami.
(Študija in slike: ©Ewe et al., 2012)

Ekstrakcija hranilnih spojin in arom v kombuchi in fermentiranih pijačah

Fermentirani čaj, sok in zelenjavne pijače, npr. fermentirani jabolčni ali murvin sok ali kombuche s sadjem, imajo z ultrazvočno obdelavo veliko koristi z okusom in hranili. Ultrazvočni valovi motijo celične strukture rastlinskih materialov in sproščajo znotrajcelične spojine, kot so arome, polifenoli, antioksidanti in flavonoidi. Hkrati ultrazvočna homogenizacija zagotavlja enakomerno razpršeno in emulgirano pijačo, ki preprečuje ločevanje faz in ponuja privlačen videz za potrošnike. Spodaj si lahko ogledate primer ultrazvočno obdelane kombuche jagodičja rakitovca brez fazne ločevanja v primerjavi z neobdelano različico.
Preberite več o ultrazvočni ekstrakciji okusa in hranil!

Študija primera: Ultrazvočno ohranjena kombucha

Ultrazvočno zdravljenje lahko vpliva na mikrobe, tako da jih stimulira ali inaktivira. Ultrazvok lahko spremeni lastnosti encimov, substratov in njihovih reakcij. Ti učinki nizkofrekvenčnega ultrazvoka se uporabljajo pri predelavi hrane kot netermična alternativa pasterizaciji hrane in pijače. Sonication ponuja prednost natančnega nadzora nad procesnimi parametri, kot so amplituda, čas, temperatura in tlak, kar omogoča ciljno inaktivacijo mikroorganizmov. Inaktivacija mikrobne obremenitve v kombuchi in fermentiranih pijačah omogoča povečanje roka uporabnosti in stabilnosti izdelka. Zmanjšanje mikrobov in encimov olajša komercialno distribucijo zaradi podaljšanega roka uporabnosti končnega izdelka. Ultrasonication je netermična metoda pasterizacije, ki se uporablja že v komercialni predelavi hrane, kot je pasterizacija sokov. Zlasti pri višjih amplitudah ultrazvok inaktivira bakterije in kvasovke s poškodovanjem celičnih sten. To ima za posledico počasnejšo ali ustavljeno rast mikrobov. (2018) so raziskali ultrazvočno kot netermično strategijo pasterizacije za sok murve, fermentiran z mlečno kislino. Ultrazvočno obdelan fermentirani sok murve je imel višjo vsebnost fenolnih spojin (1700,07 ± 2,44 μg / ml) kot kontrolni, neobdelan fermentirani sok murve. "Med posameznimi netermičnimi zdravljenji je ultrazvočna obdelava povzročila pomemben (p < 0.05) povečanje fenolnih in antioksidativnih lastnosti mlečnokislinsko fermentiranega soka murve v primerjavi z obdelavo s pulzno svetlobo." (Kwaw et al., 2018) Medtem ko je kombucha pijača, znana po svojih življenjskih kulturah, se lahko uporablja nadzorovano zmanjšanje mikrobov, da se podaljša rok uporabnosti komercialno distribuiranih kombucha pijač.
Redna termična pasterizacija ubije vse žive kvasovke in bakterije, ki so običajno prisotne v kombuchi in so eden glavnih dejavnikov za njene učinke na zdravje. Ultrazvočna pasterizacija je metoda netoplotnega konzerviranja, ki se lahko uporablja za zmanjšanje števila mikrobov ali popolno odstranitev mikroorganizmov. To pomeni, da lahko komercialni proizvajalci uporabljajo ultrazvok pri nižjih amplitudah in za krajša obdobja, da bi zmanjšali število bakterij in kvasovk, ne da bi jih popolnoma odstranili. S tem so življenjske kulture še vedno prisotne v kombuchi, čeprav v manjšem številu, tako da se izboljšata rok uporabnosti in čas shranjevanja.

Znanstveno dokazani rezultati ultrazvočno obdelane kombuche

(2020) so raziskali učinke nizkofrekvenčnega ultrazvoka na kombucho, narejeno iz jagod rakitovca, z uporabo sonicatorja UIP500hdT. Raziskovalna skupina bi lahko pokazala več koristnih učinkov ultrazvoka na pripravo jagod rakitovca in kasnejšo fermentacijo kombuche.

Ultrazvočna ekstrakcija jagodičja rakitovca

Sonikacija svežih celih jagod rakitovca (znana tudi kot sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) je bila pire z mešalnikom Vitamix 2 minuti. Dodan in zmešan je bil volumen dH2O, ki je enak 30 % prvotnega volumna pireja. Ultrazvok (90 W, 20 kHz, 10 min) je bil uporabljen na 200 ml razredčenega pireja z ultrazvočnim procesorjem UIP500hdT (glej sliko levo). Čas obdelave je bil izbran za optimizacijo hranil in vzdrževanje vzorca v svežem stanju. Rezultati ultrazvočne ekstrakcije kažejo znatno (P ≺ 0,05) povečanje za 10% donos ekstrakcije iz celuloze (z 19,04 ± 0,08 na 20,97 ± 0,29%) in za 7% za seme (s 14,81 ± 0,08 na 15,83 ± 0,28%). To povečanje donosa olja poudarja funkcionalnost ultrazvočnega razbijanja kot učinkovite in zelene tehnologije za povečanje vrednosti surovin. Ultrazvočna ekstrakcija iz jagod rakitovca je povzročila večji donos olja in skrajšal čas obdelave, porabo energije in izogibanje nevarnim topilom.

Študija primera: Ultrazvočna homogenizacija rakitovca Berry Kombucha

Ultrazvočno obdelana rakitovca (sanddorne) jagodičja kombucha je pokazala znatno izboljšano stabilnost izdelka. Do 21. dne skladiščenja je kombucha s sonikalnim jagodičjem ostala homogena. Dejstvo, da v celotni študiji (21 dni, glej sliko spodaj) v kombuchi s ultrazvočnim jagodičjem niso opazili sinereze, kaže, da je samo ultrazvok učinkovita tehnika emulgiranja, ki lahko zagotovi stabilnost zdravila in prepreči ločevanje faz.

Pire iz rakitovca (P) brez in z ultrazvočnim zdravljenjem (P + US) na dan 0 in 21.
Študija in slika:©Dornan et al., 2020.

Ultrasonication za zaustavitev fermentacije

Izdelani so bili štirje vzorci kombuche: K (kombucha), K+US (kombucha + ultrazvok), K+S (kombucha + saharoza) in K+S+US (kombucha + saharoza + ultrazvok). Vsi vzorci so bili pripravljeni z uporabo 200 ml pireja rakitovca (P) ali P+US in 12,5 g SCOBY. K sta sestavljala P in SCOBY. K+US so sestavljali P+US in SCOBY. K+S je bil sestavljen iz P, 15,0 g saharoze in SCOBY. K+S+US je bil sestavljen iz P+US, 15,0 g saharoze in SCOBY. Vsi vzorci so bili pet dni fermentirani v temnem prostoru pri sobni temperaturi. Drugi ultrazvočni postopek (90 W, 20 kHz, 10 min) je bil uporabljen na K + US in K + S + US, da bi ustavili fermentacijo 5. dan.

Ultrazvočni konzervacijski učinki na kombucho

V kombuchi rakitovca je ultrazvočna obremenitev zmanjšala začetno mikrobno obremenitev za 2,6 log CFU / ml, s čimer se je ustavil proces fermentacije v izbranem času, da bi preprečili prekomerno fermentacijo. Poleg tega nadzorovana mikrobna redukcija pomaga povečati rok uporabnosti in stabilnost končnega izdelka, kar olajša komercialno distribucijo kombuche.
Preberite več o ultrazvočni obdelavi kot metodi pasterizacije netermičnega soka!

Skupni rezultati ultrazvočno zdravljene kombuche

Ultrasonication je zmanjšal začetno mikrobno obremenitev za 2,6 log CFU / ml, povečal vrednost ORAC za 3% in povečal indeks topnosti v vodi (WSI) za 40% (s 6,64 na 9,29 g / g) brez sinereze. Rezultati te študije kažejo, da lahko uporaba ultrasonication poveča fenolno funkcionalnost med fermentacijo in je sposobna zmanjšanje sinereze, povečanje donosa olja, zmanjšanje mikrobne obremenitve in povečanje ORAC z minimalno izgubo prehranske kakovosti. (prim. Dornan et al., 2020)

Ultrazvočna oprema za izboljšano pivovarstvo Kombucha

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljive ultrazvočne aparate, ultrazvočne bioreaktorje in dodatke za izboljšane postopke fermentacije, ekstrakcije in pasterizacije, ki se uporabljajo v hrani & proizvodnja pijač. Hielscher ultrazvočni sistemi za predelavo hrane se uporabljajo za različne aplikacije, saj so varna, zanesljiva in stroškovno učinkovita tehnologija za proizvodnjo visokokakovostne hrane in pijače. Namestitev in delovanje vseh Hielscher ultrazvočnih procesorjev je preprosto: zahtevajo le malo prostora, jih je mogoče enostavno naknadno namestiti v obstoječe predelovalne naprave.
Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje z uporabo ultrazvoka moči v hrani & industrija pijač in številne druge industrijske panoge. Naši ultrazvočni procesorji so opremljeni z enostavnimi za čiščenje (čiščenje na mestu CIP / sterilizacija na mestu SIP) sonotrodami in pretočnimi celicami (mokri deli). Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Natančna nastavitev amplitud in možnost preklapljanja med nizkimi in visokimi amplitudami sta pomembna za stimulacijo ali inaktivacijo mikroorganizmov. Tako se lahko isti ultrazvočni aparat uporablja za spodbujanje mikrobov, ki povečujejo fermentacijo, ali za inaktivacijo mikroorganizmov za pasterizacijo.
Najsodobnejša tehnologija, visoko zmogljiva in prefinjena programska oprema naredijo Hielscher Ultrasonics’ zanesljivi delovni konji v vašem procesu fermentacije hrane. Z majhnim odtisom in vsestranskimi možnostmi namestitve je mogoče Hielscher ultrazvočne naprave enostavno integrirati ali naknadno vgraditi v obstoječe proizvodne linije.

Standardizacija procesov s Hielscher Ultrasonics

Živilski proizvodi morajo biti proizvedeni v skladu z dobro proizvodno prakso in standardiziranimi specifikacijami predelave. Digitalni sistemi za ekstrakcijo Hielscher Ultrasonics so opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki omogoča enostavno nastavitev in natančno krmiljenje postopka ultrazvočnega razbijanja. Samodejno snemanje podatkov zapiše vse ultrazvočne procesne parametre, kot so ultrazvočna energija (skupna in neto energija), amplituda, temperatura, tlak (ko so nameščeni senzorji temperature in tlaka) z datumom in časovnim žigom na vgrajeni SD kartici. To vam omogoča, da pregledate vsako ultrazvočno obdelano serijo . Hkrati je zagotovljena ponovljivost in stalno visoka kakovost izdelkov.
Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Prosimo, kontaktirajte nas, če želite izvedeti več o značilnostih in zmogljivostih naših ultrazvočnih sistemov za pasterizacijo. Z veseljem se bomo z vami pogovorili o vaši prijavi!

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: