Ултразвучно побољшана ферментација комбухе

Соникација подстиче ферментацију у намирницама ферментисаним уз примену ултразвука, као што су комбуха, кимчи и друго ферментисано поврће, тако што побољшава пренос масе, разара микробне ћелије, активира ензиме и побољшава хомогеност, што на крају доводи до убрзања ферментације и добијања производа врхунског квалитета. Соникација покреће корисне промене у биоактивним једињењима током млечнокиселинске ферментације, повећавајући садржај хранљивих једињења и фитохемикалија.

Комбуха и ферментисани напици

Комбуха се производи ферментацијом заслађеног чаја помоћу „симбиотске културе бактерија и квасаца“ (SCOBY), која се такође често назива „мајка“ или „чајна гљива“. Разноврсност и однос микробних популација у култури SCOBY могу се прилично значајно разликовати. Компонента квасаца обично обухвата Saccharomyces cerevisiae, заједно са другим врстама родова Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces и Kluyveromyces; бактеријска компонента готово увек обухвата Komagataeibacter xylinus (раније Gluconacetobacter xylinus), која ферментацијом претвара алкохоле које производе квасци у сирћетну и друге киселине, повећавајући киселост и ограничавајући садржај етанола.
Слично томе, други ферментисани напици, као што су ферментисани сокови од воћа и поврћа, инокулишу се бактеријама и квасцима.
Ултразвучни третман може побољшати ефикасност ферментације и својства квалитета ферментисаног напитка, укључујући садржај хранљивих материја и арому.

Ултразвучно интензивирана ферментација комбухе

Добро је познато да ултразвучни таласи стимулишу раст бактерија и квасаца. Контролисана блага соникација култура комбухе (SCOBY, познатих и као чајна печурка, чајна гљива или манџурска гљива) стога може подстаћи процес ферментације и довести до већих приноса комбухе уз краће време ферментације.
Ферментацију стимулисану ултразвуком карактерише повећана пермеабилизација мембрана, а тиме и повећан пренос масе. Сономеханички третман ултразвучним таласима перфорира ћелијске зидове и плазма мембране микроорганизама (процес који се назива сонопорација). Неке ћелије могу чак и пући. Ове разорене ћелије ослобађају факторе који подстичу раст, као што су витамини, нуклеотиди, аминокиселине и ензими, који би могли стимулисати раст како бактерија са очуваним ћелијама тако и бактерија са оштећеним мембранама.
Ултразвучни третман пре ферментације, као и током фазе прилагођавања и логаритамске фазе раста, показао је најизраженије ефекте на стимулацију раста бактерија.

Предности соникације у ферментацији комбухе

Како ултразвук подстиче процес ферментације и помаже у производњи боље комбухе, ферментисаног поврћа, коџија итд.? Соникација интензивира ферментацију на неколико начина, који су приказани у наставку у контексту ферментисане комбухе. Комбуха је ферментисани напитак који се традиционално прави од заслађеног чаја и симбиотске културе бактерија и квасаца (SCOBY). Разређени воћни пиреи пружају основу богату хранљивим материјама и аромом за производњу комбухе. У наставку ћете сазнати како ултразвучни третман подстиче производњу

• Повећан пренос масе: Ултразвучни таласи стварају микроскопске кавитационе мехуриће у течности, што доводи до настанка микрострујања, млазева течности и турбуленција. Ово комешање побољшава пренос масе повећањем контакта између микроорганизама одговорних за ферментацију и хранљивих материја у средини. Као резултат тога, микроорганизми који врше ферментацију ефикасније усвајају хранљиве материје, што доводи до убрзања ферментације.
• Разарање ћелија: Соникатори су добро познати по својој ефикасности у лизи ћелија и екстракцији. При ферментацији хране, соникатори разарају ћелијске зидове микроорганизама, ослобађајући унутарћелијске ензиме и метаболите који могу додатно катализовати реакције ферментације. Ово разарање поспешује ослобађање једињења ароме, витамина и органских киселина из ћелија микроорганизама, доприносећи сложености ароме и богатству хранљивих материја у ферментисаном производу. У комбухи од пасјег трна ферментисаној уз примену ултразвука може се измерити значајно већи удео фенолних једињења. (cf. Dornan et al., 2020)
• Припрема супстрата за ферментацију богатих хранљивим материјама: Ултразвучна екстракција помаже у припреми супстрата за ферментацију који обезбеђује многе хранљиве материје у облику доступном за микробну разградњу. То значи да се у супстратима за ферментацију третираним ултразвуком (нпр. пиреима од воћа и поврћа) биоактивна једињења, као што су скробови и шећери, ослобађају из унутарћелијског матрикса биљних ћелија. Микроорганизми се лако могу хранити супстратом, што убрзава и скраћује процес ферментације. Исто важи и за полифеноле, флавоноиде и витамине, који се ослобађају из унутарћелијских матрикса и доприносе укупној хранљивој вредности ферментисане хране или напитака.
• Повећана активност ензима: Соникација активира одређене ензиме укључене у процесе ферментације или повећава њихову активност. На пример, повећава активност целулазе и амилазе, ензима кључних за разградњу сложених угљених хидрата на једноставније шећере, које затим ферментишу микроорганизми присутни у култури комбухе.
• Побољшана хомогеност: Пошто силе које настају при соникацији увек доводе до мешања и уједначавања, ултразвучни третман обезбеђује бољу хомогенизацију ферментационе смеше, што резултира равномерном расподелом хранљивих материја и микроорганизама у целом медијуму. Ова уједначеност подстиче доследну кинетику ферментације и производњу висококвалитетне комбухе са пожељним сензорним својствима.

Ултразвучна стимулација раста микроорганизама најефикаснија је када се ултразвук примењује пре ферментације или у фази прилагођавања и логаритамској фази раста.

Студија случаја: Ултразвучна стимулација ферментације сока од јабуке

Истраживање је показало да је ултразвучни третман у фази прилагођавања и логаритамској фази током ферментације сока од јабуке подстицао раст микроорганизама и интензивирао биотрансформацију јабучне киселине у млечну киселину. На пример, након соникације у фази прилагођавања у трајању од 0,5 h, број микроорганизама и садржај млечне киселине у узорцима третираним ултразвуком при 58,3 W/L достигли су 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL и 133,70 ± 7,39 mg/L, што је било значајно више него у узорцима који нису третирани ултразвуком. Поред тога, примена ултразвука у фази прилагођавања и логаритамској фази имала је сложене утицаје на метаболизам фенолних једињења јабуке, као што су хлорогенска киселина, кафена киселина, процијанидин B2, катехин и гална киселина. Ултразвук би могао повољно утицати на хидролизу хлорогенске киселине у кафену киселину, трансформацију процијанидина B2 и декарбоксилацију галне киселине. Метаболизам органских киселина и слободних аминокиселина у узорцима третираним ултразвуком био је у статистичкој корелацији са метаболизмом фенолних једињења, што указује на то да ултразвук може погодовати настајању фенолних деривата побољшањем микробног метаболизма органских киселина и аминокиселина. (cf. Wang et al., 2021)

Студија случаја: Ултразвучно побољшана ферментација сојиног млека

Истраживачки тим Ewe et al. (2012) испитивао је утицај ултразвука на метаболичку ефикасност сојева лактобацила (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) током ферментације сојиног млека. Уочено је да је ултразвучни третман повећао пропустљивост ћелијских мембрана бактерија. Повећана пропустљивост ћелијских мембрана довела је до бољег уноса хранљивих материја у ћелије и последичног подстицања раста (P ≺ 0,05). Веће амплитуде и дуже трајање соникације подстакли су раст лактобацила у сојином млеку, при чему је број вијабилних ћелија премашио 9 log CFU/mL. Ултразвучним третманом повећане су и интрацелуларна и екстрацелуларна специфична активност β-глукозидазе лактобацила (P ≺ 0,05), што је довело до повећане биоконверзије изофлавона у сојином млеку, нарочито генистина и малонилгенистина у генистеин. Резултати ове студије показују да ултразвучни третман ћелија лактобацила подстиче (P ≺ 0,05) активност β-глукозидазе у ћелијама, чиме се поспешује (P ≺ 0,05) биоконверзија изофлавонских глукозида у биоактивне агликоне у сојином млеку. (уп. Ewe et al., 2012)

Снимци лактобацила добијени скенирајућом електронском микроскопијом, без третмана (A) и након ултразвучног третмана при амплитуди од 60% у трајању од 3 min (B). Кругови приказују разорене ћелије и ћелије са порама.
(Студија и слике: ©Ewe et al., 2012)

Екстракција хранљивих и ароматичних једињења у комбухи и ферментисаним напицима

Ферментисани напици од чаја, сокова и поврћа, нпр. ферментисани сок од јабуке или дуда или комбухе са додатком воћа, имају значајну корист од ултразвучног третмана у погледу ароме и садржаја хранљивих материја. Ултразвучни таласи разарају ћелијске структуре биљних материјала и ослобађају интрацелуларна једињења као што су ароматична једињења, полифеноли, антиоксиданси и флавоноиди. Истовремено, ултразвучна хомогенизација обезбеђује равномерно диспергован и емулгован напитак, спречавајући раздвајање фаза и пружајући изглед привлачан потрошачима. У наставку можете видети пример ултразвучно третиране комбухе од бобица пасјег трна без раздвајања фаза, у поређењу са нетретираном варијантом.
Прочитајте више о ултразвучној екстракцији ароматичних једињења и хранљивих материја!

Студија случаја: Ултразвучно конзервисана комбуха

Ултразвучни третман може утицати на микроорганизме тако што их стимулише или инактивира. Соникација утиче и на ензиме: ултразвук може променити карактеристике ензима, супстрата и њихових реакција. Ови ефекти нискофреквентног ултразвука користе се у преради хране као нетермичка алтернатива за пастеризацију хране и напитака. Предност соникације је прецизна контрола процесних параметара као што су амплитуда, време, температура и притисак, што омогућава циљану инактивацију микроорганизама. Инактивација присутних микроорганизама у комбухи и ферментисаним напицима омогућава продужење рока трајања и повећање стабилности производа. Смањење броја микроорганизама и количине ензима олакшава комерцијалну дистрибуцију захваљујући продуженом року трајања готовог производа. Ултразвучни третман је нетермичка метода пастеризације која се већ користи у комерцијалној преради хране, на пример за пастеризацију сокова. Нарочито при већим амплитудама, ултразвук инактивира бактерије и квасце оштећујући ћелијске зидове. То доводи до успоравања или заустављања раста микроорганизама. На пример, Kwaw et al. (2018) испитивали су ултразвук као стратегију нетермичке пастеризације сока од дуда подвргнутог млечнокиселинској ферментацији. Ултразвучно третирани ферментисани сок од дуда имао је већи садржај фенолних једињења (1700,07 ± 2,44 μg/mL) од контролног узорка, нетретираног ферментисаног сока од дуда. „Међу појединачним нетермичким третманима, ултразвучни третман изазвао је значајно (p < 0,05) повећање фенолних и антиоксидативних својстава сока од дуда подвргнутог млечнокиселинској ферментацији у поређењу са третманом пулсном светлошћу.“ (Kwaw et al., 2018)
Иако је комбуха напитак познат по својим живим културама, контролисано смањење броја микроорганизама може се применити ради продужења рока трајања напитака од комбухе у комерцијалној дистрибуцији.
Уобичајена термичка пастеризација убија све живе квасце и бактерије који су нормално присутни у комбухи и представљају један од главних чинилаца њеног повољног дејства на здравље. Ултразвучна пастеризација је нетермичка метода конзервисања која се може користити за смањење броја микроорганизама или за њихово потпуно уклањање. То значи да комерцијални произвођачи могу примењивати ултразвук при нижим амплитудама и током краћих периода како би смањили број бактерија и квасаца, а да их не уклоне у потпуности. Тако су живе културе и даље присутне у комбухи, мада у мањем броју, чиме се продужавају рок трајања и време складиштења.

Научно доказани резултати код ултразвучно третиране комбухе

Dornan et al. (2020) испитивали су дејство нискофреквентног ултразвука на комбуху направљену од бобица пасјег трна помоћу соникатора UIP500hdT. Истраживачки тим је успео да покаже вишеструке корисне ефекте ултразвучне обраде на припрему бобица пасјег трна и накнадну ферментацију комбухе.

Ултразвучна екстракција из бобица пасјег трна

За соникацију су свеже целе бобице пасјег трна (познатог и као санддорн; H. rhamnoides cv. Sunny) пасиране у блендеру Vitamix током 2 min. Додата је запремина dH2O једнака 30% почетне запремине пиреа, након чега је смеша измешана. Ултразвук (90 W, 20 kHz, 10 min) примењен је на 200 mL разблаженог пиреа помоћу ултразвучног процесора UIP500hdT (видети слику лево). Време обраде одабрано је ради оптимизације хранљивих материја и очувања узорка у стању сличном свежем. Резултати ултразвучне екстракције показују значајно (P ≺ 0,05) повећање приноса екстракције из пулпе за 10% (са 19,04 ± 0,08 на 20,97 ± 0,29%) и из семена за 7% (са 14,81 ± 0,08 на 15,83 ± 0,28%). Ово повећање приноса уља истиче функционалност соникације као ефикасне и еколошки прихватљиве технологије за максимално искоришћење вредности сировине. Ултразвучна екстракција из бобица пасјег трна резултирала је већим приносом уља, краћим временом обраде, мањом потрошњом електричне енергије и избегавањем опасних растварача.

Студија случаја: ултразвучна хомогенизација комбухе од бобица пасјег трна

Ултразвучно третирана комбуха од бобица пасјег трна (санддорна) показала је значајно побољшану стабилност производа. До 21. дана складиштења, соницирана комбуха од бобица остала је хомогена. Чињеница да током целог истраживања (21 дан, видети слику испод) није уочена синереза у соницираној комбухи од бобица показује да је сам ултразвук ефикасна техника емулговања која може да обезбеди стабилност производа и спречи раздвајање фаза.

Пире од пасјег трна (P) без ултразвучне обраде и са њом (P+US), 0. и 21. дана.
Истраживање и слика:©Dornan et al., 2020.

Ултразвучна обрада за заустављање ферментације

Припремљена су четири узорка комбухе: K (комбуха), K+US (комбуха + ултразвук), K+S (комбуха + сахароза) и K+S+US (комбуха + сахароза + ултразвук). Сви узорци припремљени су коришћењем 200 mL пиреа од пасјег трна (P) или P+US и 12,5 g SCOBY културе. K се састојао од P и SCOBY културе. K+US се састојао од P+US и SCOBY културе. K+S се састојао од P, 15,0 g сахарозе и SCOBY културе. K+S+US се састојао од P+US, 15,0 g сахарозе и SCOBY културе. Сви узорци остављени су да ферментишу на тамном месту на собној температури током пет дана. Друга ултразвучна обрада (90 W, 20 kHz, 10 min) примењена је на K+US и K+S+US ради заустављања ферментације 5. дана.

Ефекти ултразвучног конзервисања на комбуху

У комбухи од пасјег трна, соникација је смањила почетно микробно оптерећење за 2,6 log CFU/mL, чиме је процес ферментације заустављен у одабраном тренутку како би се спречила прекомерна ферментација. Поред тога, контролисано смањење броја микроорганизама помаже у продужењу рока трајања и повећању стабилности крајњег производа, што олакшава комерцијалну дистрибуцију комбухе.
Прочитајте више о ултразвучној обради као нетермичкој методи пастеризације сокова!

Укупни резултати код ултразвучно третиране комбухе

Ултразвучна обрада је смањила почетно микробно оптерећење за 2,6 log CFU/mL, повећала вредност ORAC за 3% и повећала индекс растворљивости у води (WSI) за 40% (са 6,64 на 9,29 g/g), без синерезе. Резултати ове студије указују на то да примена ултразвучне обраде може побољшати функционалност фенолних једињења током ферментације и може довести до смањења синерезе, повећања приноса уља, смањења микробног оптерећења и повећања вредности ORAC уз минималан губитак нутритивног квалитета. (уп. Dornan et al., 2020)

Ултразвучна опрема за унапређену производњу комбухе

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне уређаје високих перформанси, ултразвучне биореакторе и додатну опрему за унапређене процесе ферментације, екстракције и пастеризације који се користе у производњи хране и пића. Hielscher ултразвучни системи за прераду хране користе се за бројне примене као безбедна, поуздана и исплатива технологија за производњу висококвалитетне хране и пића. Уградња и руковање свим Hielscher ултразвучним процесорима су једноставни: заузимају мало простора и могу се лако накнадно уградити у постојећа постројења за прераду.
Hielscher Ultrasonics има дугогодишње искуство у примени ултразвука велике снаге у индустрији хране и пића, као и у многим другим индустријским гранама. Наши ултразвучни процесори опремљени су сонотродама и проточним ћелијама (деловима у контакту са течношћу) које се лако чисте (чишћење на месту CIP / стерилизација на месту SIP). Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. Прецизно подешавање амплитуда и могућност преласка са ниских на високе амплитуде и обрнуто важни су за стимулацију или инактивацију микроорганизама. Тако се исти ултразвучни уређај може користити и за стимулацију микроорганизама ради поспешивања ферментације и за инактивацију микроорганизама ради пастеризације.
Најсавременија технологија, високе перформансе и напредан софтвер чине уређаје компаније Hielscher Ultrasonics поузданим ослонцем у вашем процесу ферментације хране. Захваљујући малом простору који заузимају и разноврсним могућностима уградње, Hielscher ултразвучни уређаји могу се лако интегрисати или накнадно уградити у постојеће производне линије.

Стандардизација процеса уз Hielscher Ultrasonics

Производе намењене за исхрану треба производити у складу са добром произвођачком праксом (GMP) и стандардизованим спецификацијама процеса прераде. Дигитални системи за екстракцију компаније Hielscher Ultrasonics испоручују се са интелигентним софтвером који олакшава прецизно подешавање и контролу процеса ултразвучне обраде. Аутоматско бележење података уписује све параметре ултразвучног процеса, као што су ултразвучна енергија (укупна и нето енергија), амплитуда, температура и притисак (када су уграђени сензори температуре и притиска), са ознаком датума и времена на уграђену SD картицу. То вам омогућава да проверите сваку ултразвучно обрађену серију. Истовремено су обезбеђени поновљивост и стално висок квалитет производа.
Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о карактеристикама и могућностима наших система за ултразвучну пастеризацију. Биће нам драго да са вама разговарамо о вашој примени!

Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: