Ултразвучно побољшана ферментација комбуче

Соникација промовише ферментацију у ултразвучно ферментисаној храни као што су комбуча, кимчи и друго ферментисано поврће тако што побољшава пренос масе, омета микробне ћелије, активира ензиме и побољшава хомогеност, што на крају доводи до убрзане ферментације и производње производа врхунског квалитета. Соникација покреће корисне промене у биоактивним једињењима током млечне ферментације повећавајући садржај нутритивних једињења и фитокемикалија.

Комбуча и ферментисани напитци

Kombuha se proizvodi fermentacijom šećernog čaja pomoću “Simbiotska kultura bakterija i kvasca” (SCOBI), koji se obično naziva i “Majka” или “чајна печурка”. Разноврсност и однос микробних популација у СЦОБИ-у може прилично да варира. Компонента квасца генерално укључује Саццхаромицес церевисиае, заједно са другим врстама Зигосаццхаромицес, Цандида, Клоецкера/Хансениаспора, Торуласпора, Пицхиа, Бреттаномицес/Деккера, Саццхаромицес, Лацханцеа, Саццхаромицоидес, Сцхизцесосаццес и К; бактеријска компонента скоро увек укључује Комагатаеибацтер килинус (раније Глуцонацетобацтер килинус), која ферментише алкохоле произведене од квасца у сирћетне и друге киселине, повећавајући киселост и ограничавајући садржај етанола.
Слично томе, друга ферментисана пића као што су ферментисани сокови од воћа и поврћа су инокулисана бактеријама и квасцем.
Третман ултразвуком може побољшати ефикасност ферментације и карактеристике квалитета ферментисаног напитка укључујући садржај хранљивих материја и укус.

Ултразвучно појачана ферментација комбуче

Познато је да ултразвучни таласи стимулишу раст бактерија и квасца. Контролисана блага соникација култура комбуче (СЦОБИ, такође позната као чајна печурка, чајна гљива или манџурска печурка) стога може подстаћи процес ферментације и довести до већих приноса комбуче у убрзаном времену ферментације.
Ултразвучно стимулисана ферментација показује повећану пермеабилизацију мембране и самим тим повећан пренос масе. Сономеханички третман ултразвучним таласима перфорира ћелијске зидове и плазма мембране микроорганизама (процес који се назива сонопорација). Неке ћелије могу бити чак и пукнуте. Ове поремећене ћелије ослобађају факторе који подстичу раст као што су витамини, нуклеотиди, аминокиселине и ензими који би могли да стимулишу раст ћелијски нетакнутих, као и бактерија компромитованих мембраном.
Ултразвучни третман пре ферментације, као иу касни и лог фазама показао је најизраженије ефекте на стимулацију раста бактерија.

Предности соникације на ферментацији комбуче

Како ултразвук подстиче процес ферментације и помаже да се произведе боља комбуча, биљни ферменти, који итд.? Соникација интензивира ферментацију на неколико начина, који су приказани у наставку у контексту ферментисане комбуче. Комбуча је ферментисани напитак који се традиционално прави од заслађеног чаја и симбиотске културе бактерија и квасца (СЦОБИ). Разблажени воћни пире дају основу за производњу комбуче богате хранљивим материјама. У наставку ћете научити како ултразвук промовише производњу а

• Повећан пренос масе: Ултразвучни таласи стварају микроскопске кавитационе мехуриће у течности, што доводи до стварања микроструја, млаза течности и турбуленција. Ово мешање побољшава пренос масе повећавајући контакт између микроорганизама одговорних за ферментацију и хранљивих материја у медијуму. Као резултат тога, микроорганизми који ферментирају ефикасније апсорбују хранљиве материје, што доводи до убрзане стопе ферментације.
• Поремећај ћелије: Соникатори су добро познати по својој ефикасности лизе и екстракције ћелија. У ферментацији хране, соникатори ометају зидове микробних ћелија, ослобађајући интрацелуларне ензиме и метаболите који могу даље катализирати реакције ферментације. Овај поремећај појачава ослобађање једињења укуса, витамина и органских киселина из микробних ћелија, доприносећи сложености укуса и богатству хранљивих материја ферментисаног производа. У ултразвучно ферментираној комбучи од морске кркавине, може се измерити знатно већи удео фенолних једињења. (уп. Дорнан ет ал., 2020)
• Припрема супстрата за ферментацију богатих хранљивим материјама: Ултразвучна екстракција помаже да се припреми супстрат за ферментацију који обезбеђује многе хранљиве материје у доступном облику за варење микроба. То значи да се у ултразвучно третираним ферментационим супстратима (нпр. пире од воћа и поврћа) биоактивна једињења као што су скроб и шећери ослобађају из интрацелуларног матрикса биљних ћелија. Микроби се могу лако хранити супстратом, што убрзава и скраћује процес ферментације. Исто важи и за полифеноле, флавоноиде и витамине, који се ослобађају из интрацелуларних матрица и доприносе укупној нутритивној вредности ферментисане хране или пића.
• Побољшана активност ензима: Соникација активира или појачава активност одређених ензима укључених у процесе ферментације. На пример, повећава активност целулазе и амилазе, ензима који су кључни за разлагање сложених угљених хидрата у једноставније шећере, које потом ферментишу микроорганизми присутни у култури комбуче.
• Побољшана хомогеност: Како силе ултразвука увек резултирају мешањем и мешањем, ултразвучни третман обезбеђује бољу хомогенизацију мешавине ферментације, што резултира уједначеном расподелом хранљивих материја и микроорганизама у медијуму. Ова униформност промовише доследну кинетику ферментације и производњу висококвалитетног производа комбуче са пожељним сензорним атрибутима.

Ултразвучна стимулација микробног раста је најефикаснија када се ултразвук примењује пре ферментације или у фази кашњења и лог фазе.

Студија случаја: Ултразвучна стимулација ферментације сока од јабуке

Истраживања су показала да ултразвучни третман у лаг и логаритамским фазама током ферментације сока од јабуке подстиче раст микроба и интензивира биотрансформацију јабучне киселине у млечну киселину. На пример, након ултразвучне обраде у фази кашњења од 0,5 х, број микроба и садржај млечне киселине у узорцима третираним ултразвуком на 58,3 В/Л достигао је 7,91 ± 0,01 Лог ЦФУ/мЛ и 133,70 ± 7,39 мг/Л, што је значајно више од да у узорцима који нису обрађени ултразвуком. Штавише, ултразвучна обрада у фазама кашњења и логаритамске фазе имала је комплексан утицај на метаболизам фенола јабуке као што су хлорогенска киселина, кафеинска киселина, процијанидин Б2, катехин и гална киселина. Ултразвук може позитивно утицати на хидролизу хлорогенске киселине у кофеинску киселину, трансформацију процијанидина Б2 и декарбоксилацију галне киселине. Метаболизам органских киселина и слободних аминокиселина у узорцима обрађеним ултразвуком био је статистички повезан са метаболизмом фенола, што имплицира да ултразвук може имати користи од фенолне деривације побољшањем микробног метаболизма органских киселина и аминокиселина. (уп. Ванг ет ал., 2021)

Студија случаја: Ултразвучно побољшана ферментација сојиног млека

Истраживачки тим Еве ет ал. (2012) су истраживали ефекте ултразвука на метаболичку ефикасност сојева лактобацила (Лацтобациллус ацидопхилус БТ 1088, Л. ферментум БТ 8219, Л. ацидопхилус ФТДЦ 8633, Л. гассери ФТДЦ 8131) током сојева. Примећено је да ултразвучни третман пермеабилизира ћелијске мембране бактерија. Пермеабилизоване ћелијске мембране су резултирале побољшаном интернализацијом хранљивих материја и накнадним повећањем раста (П ≺ 0,05). Веће амплитуде и дуже трајање третмана соникацијом подстакли су раст лактобацила у сојином млеку, са живим бројем који прелази 9 лог ЦФУ/мЛ. Интрацелуларне и ванћелијске специфичне активности лактобацила за β-глукозидазу су такође побољшане (П ≺ 0,05) ултразвучном обрадом, што је довело до повећане биоконверзије изофлавона у сојином млеку, посебно генистина и малонил генистина у генистеин. Резултати ове студије показују да ултразвучни третман на ћелијама лактобацила промовише (П ≺ 0,05) активност β-глукозидазе ћелија у корист побољшане (П ≺ 0,05) биоконверзије изофлавонских глукозида у биоактивне агликоне у сојином млеку. (уп. Еве ет ал., 2012)

Скенирање електронских микрофотографија лактобацила без третмана (А) и лактобацила третираних ултразвуком при 60% амплитуде током 3 мин (Б). Кругови који показују попуцале ћелије и ћелије са порама.
(Студија и слике: ©Еве ет ал., 2012)

Екстракција нутритивних једињења и укуса у комбучи и ферментисаним пићима

Ферментисани чај, сок и напици од поврћа, нпр. ферментисани сок од јабуке или дуда или комбуча са воћем, имају значајну корист од ултразвучног третмана у погледу укуса и хранљивих материја. Ултразвучни таласи ремете ћелијске структуре биљног материјала и ослобађају унутарћелијска једињења као што су укуси, полифеноли, антиоксиданти и флавоноиди. У исто време, ултразвучна хомогенизација обезбеђује једнолично диспергован и емулгован напитак који спречава раздвајање фаза и нуди привлачан изглед за потрошаче. У наставку можете видети пример ултразвучно третиране бобице морске кркавине без раздвајања фаза у поређењу са нетретираном верзијом.
Прочитајте више о ултразвучном укусу и екстракцији хранљивих материја!

Студија случаја: Ултразвучно конзервирана комбуча

Ultrazvučni tretman može uticati na mikrobe tako što ih stimuliše ili inaktivira. Takođe, enzimi su pod uticajem ultrazvuka: Ultrazvuk može da promeni karakteristike enzima, supstrata i njihovih reakcija. Ovi efekti niskofrekventnog ultrazvuka koriste se u preradi hrane kao ne-termalna alternativa za pasterizaciju hrane i pića. Sonikacija nudi prednost precizne kontrole nad parametrima procesa kao što su amplituda, vreme, temperatura i pritisak, što omogućava ciljanu inaktivaciju mikroorganizama. Inaktivacija mikrobnog opterećenja u kombuhi i fermentisanim napitcima omogućava povećanje roka trajanja i stabilnosti proizvoda. Smanjenje mikroba i enzima olakšava komercijalnu distribuciju zbog produženog roka trajanja finalnog proizvoda. Ultrazvuk je ne-termička metoda pasterizacije, koja se već koristi u komercijalnoj preradi hrane, kao što je pasterizacija sokova. Posebno pri većim amplitudama, ultrazvuk inaktivira bakterije i kvasac oštećujući ćelijske zidove. To rezultira sporijim ili zaustavljenim rastom mikroba. Na primer, Kvav et al. (2018) ultrazvučnu kao ne-termalnu strategiju pasterizacije za sok od duda fermentisanog mlečnom kiselinom. Ultrazvučno tretirani fermentisani sok od duda imao je veći sadržaj fenolnih jedinjenja (1700,07 ± 2,44 μg / mL) od kontrole, neobrađenog fermentisanog soka od duda. “Među pojedinačnim ne-termičkih tretmana, ultrazvuk izazvao značajan (p < 0.05) porast fenolnih i antioksidativnih svojstava soka od duda fermentisanog mlečnom kiselinom u poređenju sa tretmanom pulsirajućim svetlom.” (Kvav et al., 2018)
Док је комбуча напитак познат по својим животним културама, може се користити контролисана редукција микроба како би се продужио век трајања комерцијално дистрибуираних напитака од комбуче.
Редовна термичка пастеризација убија све живе квасце и бактерије које су иначе присутне у комбучи и један су од главних фактора за њен ефекат на здравље. Ултразвучна пастеризација је метода нетермалног очувања, која се може користити или за смањење броја микроба или за потпуно елиминисање микроорганизама. То значи да комерцијални произвођачи могу да примењују ултразвук у мањим амплитудама и на краће периоде како би смањили број бактерија и квасца без потпуног елиминисања. Због тога су животне културе и даље присутне у комбучи, иако у мањим количинама, тако да су рок трајања и време складиштења побољшани.

Научно доказани резултати у ултразвучно третираној комбучи

Дорнан и др. (2020) истраживали су ефекте ултразвука ниске фреквенције на комбучу направљену од бобица морског трна користећи соникатор УИП500хдТ. Истраживачки тим би могао да покаже вишеструке корисне ефекте ултразвучне обраде на припрему бобица морске кркавине и накнадну ферментацију комбуче.

Ултразвучна екстракција бобица морске бучке

Соникација свежих целих бобица морске кркавине (такође познатих као санддорне; Х. рхамноидес цв. Сунни) је пире помоћу Витамик блендера током 2 мин. Додата је запремина дХ2О једнака 30% првобитне запремине пиреа и мешана. Ултразвук (90 В, 20 кХз, 10 мин) је примењен на 200 мЛ разблаженог пиреа помоћу ултразвучног процесора УИП500хдТ (види слику лево). Време третмана је одабрано за оптимизацију хранљивих материја и одржавање узорка у свежем стању. Резултати ултразвучне екстракције показују значајно (П ≺ 0,05) повећање приноса екстракције из пулпе за 10% (са 19,04 ± 0,08 на 20,97 ± 0,29%) и за 7% за семе (са 14,81 ± 0,08 ± 5,8 %) на 1,8 ± 1,8 %. Ово повећање приноса уља наглашава функционалност соникације као ефикасне и зелене технологије за максимизирање вредности сировина. Ултразвучна екстракција из бобица морске кркавине резултирала је већим приносом уља и смањеним временом обраде, потрошњом енергије и избегавањем опасних растварача.

Студија случаја: Ултразвучна хомогенизација морске бучке бобице комбуче

Ultrazvučno tretirana kombuha od morske krkavine (sanddorne) bobica pokazala je značajno poboljšanu stabilnost proizvoda. Do 21. dana skladištenja, kombuha sa sonikiranim bobicama ostala je homogena. Činjenica da nije primećena sinereza u kombuhi sa soniciranim bobicama tokom cele studije (21 dana, vidi sliku ispod) pokazuje da je sam ultrazvuk efikasna tehnika emulzifikacije koja može da proizvede stabilnost proizvoda i spreči razdvajanje faza.

Пире од морског трна (П) без и са ултразвучним третманом (П+УС) 0. и 21. дана.
Студија и слика:©Дорнан ет ал., 2020.

Ултразвук за заустављање ферментације

Направљена су четири узорка комбуче: К (комбуча), К+УС (комбуча + ултразвук), К+С (комбуча + сахароза) и К+С+УС (комбуча + сахароза + ултразвук). Сви узорци су припремљени коришћењем 200 мЛ пиреа од морске кркавине (П) или П+УС и 12,5 г СЦОБИ-а. К се састојао од П и СКОБИ. К+УС се састојао од П+УС и СЦОБИ. К+С се састојао од П, 15,0 г сахарозе и СЦОБИ. К+С+УС се састојао од П+УС, 15,0 г сахарозе и СЦОБИ. Сви узорци су остављени да ферментирају на тамном месту на собној температури пет дана. Други третман ултразвуком (90 В, 20 кХз, 10 мин) примењен је на К+УС и К+С+УС да би се зауставила ферментација 5. дана.

Ултразвучни ефекти очувања комбуче

У комбучи од морске кркавине, соникација је смањила почетно микробно оптерећење за 2,6 лог ЦФУ/мЛ, чиме је зауставио процес ферментације у одабрано време како би се спречила прекомерна ферментација. Штавише, контролисана редукција микроба помаже да се продужи рок трајања и стабилност финалног производа, што олакшава комерцијалну дистрибуцију комбуче.
Прочитајте више о ултразвуку као нетермалној методи пастеризације сокова!

Укупни резултати у ултразвучно третираној комбучи

Ултразвук је смањио почетно микробно оптерећење за 2,6 лог ЦФУ/мЛ, повећао ОРАЦ вредност за 3% и повећао индекс растворљивости у води (ВСИ) за 40% (са 6,64 на 9,29 г/г) без синерезе. Резултати ове студије сугеришу да примена ултразвучне обраде може побољшати фенолну функционалност током ферментације и да је способна да смањење синерезе, повећање приноса уља, смањење микробног оптерећења и повећање ОРАЦ уз минималан губитак нутритивног квалитета. (уп. Дорнан ет ал., 2020)

Ултразвучна опрема за побољшану припрему комбуче

Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултрасоникаторе високих перформанси, ултразвучне биореакторе и додатке за побољшане процесе ферментације, екстракције и пастеризације који се користе у храни & производња пића. Хиелсцхер ултразвучни системи за прераду хране се користе за различите апликације као безбедна, поуздана и исплатива технологија за производњу висококвалитетних намирница и пића. Инсталација и рад свих Хиелсцхер ултразвучних процесора је једноставан: захтевају само мало простора, лако се могу накнадно уградити у постојеће процесне капацитете.
Хиелсцхер Ултрасоницс има дугогодишње искуство у примени ултразвука снаге у храни & индустрије пића као и многе друге индустријске гране. Наши ултразвучни процесори су опремљени сонотродама и проточним ћелијама (мокри делови) које се лако чисте (ЦИП за чишћење на месту / стерилизација на месту СИП). Хиелсцхер Ултрасоницс’ индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. Прецизно подешавање амплитуда и могућност пребацивања између ниских и високих амплитуда важни су за стимулисање или инактивацију микроорганизама. На тај начин, исти ултразвучни апарат се може користити или за стимулисање микроба који повећавају ферментацију или за инактивацију микроорганизама за пастеризацију.
Најсавременија технологија, врхунски и софистицирани софтвер чине Хиелсцхер Ултрасоницс’ поуздани радни коњи у вашем процесу ферментације хране. Са малим отиском и разноврсним могућностима инсталације, Хиелсцхер ултрасоникатори се могу лако интегрисати или накнадно уградити у постојеће производне линије.

Стандардизација процеса са Хиелсцхер Ултрасоницс

Prehrambeni proizvodi treba da budu proizvedeni u skladu sa dobrim proizvodnim praksama (GMP) i pod standardizovanim specifikacijama za preradu. Hielscher ultrazvuk’ Digitalni sistemi za ekstrakciju dolaze sa inteligentnim softverom, što olakšava precizno podešavanje i kontrolu procesa ultrazvuka. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve ultrazvučne procesne parametre kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su montirani senzori temperature i pritiska) sa datumom i vremenom na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućava da revidirate svaku ultrazvučno obrađenu partiju. Istovremeno, obezbeđena je ponovljivost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.
Hielscher Ultrasonics’ индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Робусност Хиелсцхерове ултразвучне опреме омогућава 24/7 рад у тешким условима иу захтевним окружењима.
Молимо контактирајте нас да сазнате више о карактеристикама и могућностима наших ултразвучних система за пастеризацију. Биће нам драго да разговарамо о вашој пријави са вама!

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: