Ultraljudsförbättrad kombucha-jäsning

Ultraljudsbehandling främjar jäsning i ultraljudsfermenterade livsmedel som kombucha, kimchi och andra fermenterade grönsaker genom att förbättra massöverföringen, störa mikrobiella celler, aktivera enzymer och förbättra homogeniteten, vilket i slutändan leder till accelererade jäsningshastigheter och produktionen av en produkt av överlägsen kvalitet. Ultraljudsbehandling initierar fördelaktiga förändringar i bioaktiva föreningar under mjölksyrajäsning, vilket ökar innehållet av näringsföreningar och fytokemikalier.

Kombucha och fermenterade drycker

Kombucha framställs genom jäsning av sockrat te med hjälp av en "Symbiotic Culture Of Bacteria and Yeast" (SCOBY), även kallad "moder"” eller "tesvamp”. Variationen och förhållandet mellan mikrobiella populationer i en SCOBY kan variera ganska mycket. Jästkomponenten omfattar i allmänhet Saccharomyces cerevisiae, tillsammans med andra arter av Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces och Kluyveromyces. Den bakteriella komponenten innehåller nästan alltid Komagataeibacter xylinus (tidigare Gluconacetobacter xylinus), som jäser alkoholer som produceras av jästen till ättiksyra och andra syror, vilket ökar surheten och begränsar etanolhalten.
På samma sätt inokuleras andra fermenterade drycker som fermenterade frukt- och grönsaksjuicer med bakterier och jäst.
En behandling med ultraljud kan förbättra jäsningseffektiviteten och kvalitetsegenskaperna hos den fermenterade drycken, inklusive näringsinnehåll och smak.

Ultraljudsintensifierad kombucha-jäsning

Ultraljudsvågor är välkända för att stimulera tillväxten av bakterier och jäst. En kontrollerad mild ultraljudsbehandling av kombuchakulturer (SCOBY, även känd som tesvamp, tesvamp eller manchurisk svamp) kan därför främja jäsningsprocessen och leda till högre kombuchaavkastning i en accelererad jäsningstid.
Ultraljudsstimulerad fermentering visar ökad membranpermeabilisering och därmed ökad massöverföring. Den sonomekaniska behandlingen med ultraljudsvågor perforerar mikroorganismernas cellväggar och plasmamembran (en process som kallas sonoporation). Vissa celler kan till och med brista. Dessa störda celler frigör tillväxtbefrämjande faktorer som vitaminer, nukleotider, aminosyror och enzymer som kan stimulera tillväxten av cellulärt intakta såväl som membrankomprometterade bakterier.
Ultraljudsbehandling före jäsning samt i fördröjnings- och logfaserna visade de mest framträdande effekterna på bakteriell tillväxtstimulering.

Fördelarna med ultraljudsbehandling på kombucha jäsning

Hur främjar ultraljud jäsningsprocessen och hjälper till att producera bättre kombucha, vegetabiliska jäsningar, koji, etc.? Ultraljudsbehandling intensfies jäsning på flera sätt, som visas nedan i samband med fermenterad kombucha. Kombucha är en fermenterad dryck som traditionellt tillverkas med sötat te och en symbiotisk kultur av bakterier och jäst (SCOBY). Utspädda fruktpuréer ger en näringsrik och smakrik bas för kombuchaproduktion. Nedan kommer du att lära dig hur ultraljud främjar produktionen av en

• Ökad massöverföring: Ultraljudsvågor skapar mikroskopiska kavitationsbubblor i vätskan, vilket leder till bildandet av mikroströmning, vätskestrålar och turbulens. Denna omrörning förbättrar massöverföringen genom att öka kontakten mellan de mikroorganismer som är ansvariga för jäsning och näringsämnena i mediet. Som ett resultat absorberas näringsämnen mer effektivt av de jäsande mikroorganismerna, vilket leder till accelererade jäsningshastigheter.
• Cellrubbning: Ultraljudsapparater är välkända för sin effektivitet av celllys och extraktion. Vid jäsning av livsmedel stör sonikatorer mikrobiella cellväggar och frigör intracellulära enzymer och metaboliter som ytterligare kan katalysera jäsningsreaktioner. Denna störning ökar frisättningen av smakföreningar, vitaminer och organiska syror från de mikrobiella cellerna, vilket bidrar till den fermenterade produktens smakkomplexitet och näringsrikedom. I ultraljudsfermenterad havtornskombucha kan en betydligt högre andel fenolföreningar mätas. (jfr Dornan et al., 2020)
• Beredning av näringsrika jäsningssubstrat: Ultraljudsextraktion hjälper till att förbereda ett jäsningssubstrat som ger många näringsämnen i tillgänglig form för mikrobiell nedbrytning. Detta innebär att i ultraljudsbehandlade jäsningssubstrat (t.ex. frukt- och grönsakspuréer) frigörs bioaktiva föreningar som stärkelse och socker från den intracellulära matrisen av växtceller. Mikrober kan lätt livnära sig på substratet, vilket påskyndar och förkortar jäsningsprocessen. Detsamma gäller för polyfenoler, flavonoider och vitaminer, som frigörs från intracellulära matriser och bidrar till det totala näringsvärdet i den fermenterade maten eller drycken.
• Förbättrad enzymaktivitet: Ultraljudsbehandling aktiverar eller förbättrar aktiviteten hos vissa enzymer som är involverade i jäsningsprocesser. Det ökar till exempel aktiviteten hos cellulas och amylas, enzymer som är avgörande för att bryta ner komplexa kolhydrater till enklare sockerarter, som sedan fermenteras av de mikroorganismer som finns i kombuchakulturen.
• Förbättrad homogenitet: Eftersom ultraljudsbehandling krafter alltid resulterar i blandning och blandning, säkerställer ultraljudsbehandlingen bättre homogenisering av jäsningsblandningen, vilket resulterar i enhetlig fördelning av näringsämnen och mikroorganismer i hela mediet. Denna enhetlighet främjar konsekvent jäsningskinetik och produktionen av en högkvalitativ kombuchaprodukt med önskvärda sensoriska egenskaper.

Ultraljudsstimulering av mikrobiell tillväxt är mest effektiv när ultraljud appliceras före jäsning eller i fördröjnings- och logfaserna.

Fallstudie: Ultraljudsstimulering av jäsning av äppeljuice

Forskning visade att ultraljudsbehandling vid fördröjning och logaritmiska faser under jäsningen av äppeljuice främjade mikrobiell tillväxt och intensifierade biotransformationen av äppelsyra till mjölksyra. Till exempel, efter ultraljudsbehandling vid lagfas i 0,5 timmar, mikrobiellt antal och mjölksyrahalt i de ultraljudsbehandlade proverna vid 58,3 W / L nådde 7,91 ± 0,01 Log CFU / ml och 133,70 ± 7,39 mg / L, vilket var betydligt högre än det i de icke-ultraljudsbehandlade proverna. Dessutom, ultraljud vid fördröjning och logaritmiska faser hade komplexa influenser på metabolismen av äppelfenoler såsom klorogensyra, koffeinsyra, procyanidin B2, katekin och gallussyra. Ultraljud kan positivt påverka hydrolysen av klorogensyra till koffeinsyra, omvandlingen av procyanidin B2 och dekarboxylering av gallussyra. Metabolismen av organiska syror och fria aminosyror i de sonikerade proverna var statistiskt korrelerad med fenolisk metabolism, vilket innebär att ultraljud kan gynna fenolisk härledning genom att förbättra den mikrobiella metabolismen av organiska syror och aminosyror. (jfr Wang et al., 2021)

Fallstudie: Ultraljudsförbättrad jäsning av sojamjölk

Forskargruppen Ewe et al. (2012) undersökte effekterna av ultraljud på metabolisk effektivitet hos stammar av laktobaciller (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) under jäsning av sojamjölk. Det observerades att ultraljudsbehandlingen permeabiliserade bakteriernas cellmembran. De permeabiliserade cellmembranen resulterade i en förbättrad internalisering av näringsämnen och efterföljande tillväxtförbättring (P ≺ 0,05). Högre amplituder och längre varaktigheter av ultraljudsbehandling främjade tillväxt av laktobaciller i sojamjölk, med livskraftiga räkningar som överstiger 9 log CFU/ml. De intracellulära och extracellulära β-glukosidasspecifika aktiviteterna hos laktobaciller förbättrades också (P ≺ 0,05) av ultraljud, vilket ledde till ökad bioomvandling av isoflavoner i sojamjölk, särskilt genistin och malonyl genistin till genistein. Resultat från denna studie visar att ultraljudsbehandling på laktobacillceller främjar (P ≺ 0,05) den β-glukosidasaktiviteten hos celler till förmån för förbättrad (P ≺ 0,05) biokonvertering av isoflavonglukosider till bioaktiva aglykoner i sojamjölk. (jfr Ewe et al., 2012)

Svepelektronmikroskop av laktobaciller utan behandling (A) och laktobaciller behandlade med ultraljud vid 60% amplitud i 3 min (B). Cirklar som visar brustna celler och celler med porer.
(Studie och bilder: ©Ewe et al., 2012)

Extraktion av näringsföreningar och smakämnen i kombucha och fermenterade drycker

Fermenterat te, juice och vegetabiliska drycker, t.ex. fermenterad äppel- eller mullbärsjuice eller fruktberikad kombucha, har stor nytta av en ultraljudsbehandling smak- och näringsmässigt. Ultraljudsvågorna stör cellulära strukturer i växtmaterial och frigör intracellulära föreningar som smakämnen, polyfenoler, antioxidanter och flavonoider. Samtidigt ger ultraljudshomogenisering en jämnt dispergerad och emulgerad dryck som förhindrar fasseparation och erbjuder ett tilltalande utseende för konsumenterna. Du kan se ett exempel på en ultraljudsbehandlad havtornsbärkombucha utan fasseparation i jämförelse med en obehandlad version nedan.
Läs mer om ultraljudssmak och näringsextraktion!

Fallstudie: Ultraljudskonserverad kombucha

Ultraljudsbehandling kan påverka mikrober genom att antingen stimulera eller inaktivera dem. Även enzymer påverkas av ultraljudsbehandling: Ultraljud kan ändra egenskaper hos enzymer, substrat och deras reaktioner. Dessa effekter av lågfrekvent ultraljud används inom livsmedelsbearbetning som ett icke-termiskt alternativ för att pastörisera mat och dryck. Ultraljudsbehandling erbjuder fördelen med exakt kontroll över processparametrarna såsom amplitud, tid, temperatur och tryck, vilket möjliggör en riktad inaktivering av mikroorganismer. Inaktiveringen av den mikrobiella belastningen i kombucha och fermenterade drycker gör det möjligt att öka hållbarheten och produktstabiliteten. En minskning av mikrober och enzymer underlättar kommersiell distribution på grund av en förlängd hållbarhet för slutprodukten. Ultraljud är en icke-termisk pastöriseringsmetod, som redan används i kommersiell livsmedelsbearbetning, såsom pastörisering av juicer. Speciellt vid högre amplituder inaktiverar ultraljud bakterier och jäst genom att skada cellväggarna. Detta resulterar i en långsammare eller avstannad mikrobiell tillväxt. Till exempel undersökte Kwaw et al. (2018) ultraljudet som icke-termisk pastöriseringsstrategi för mjölksyrafermenterad mullbärsjuice. Ultraljudsbehandlad fermenterad mullbärsjuice hade ett högre innehåll av fenolföreningar (1700,07 ± 2,44 μg/ml) än kontrollgruppen, en obehandlad fermenterad mullbärsjuice. "Bland de enskilda icke-termiska behandlingarna orsakade ultraljud en betydande (p < 0.05) ökning av fenoliska och antioxidativa egenskaper hos den mjölksyrafermenterade mullbärsjuicen jämfört med den pulserande ljusbehandlingen." (Kwaw et al., 2018) Även om kombucha är en dryck som är känd för sina livskulturer, kan en kontrollerad minskning av mikrober användas för att förlänga hållbarheten för kommersiellt distribuerade kombuchadrycker.
Regelbunden termisk pastörisering dödar alla levande jästsvampar och bakterier som normalt finns i kombucha och är en av de viktigaste faktorerna för dess hälsofrämjande effekter. Ultraljudspastörisering är en icke-termisk konserveringsmetod, som kan användas för att antingen minska antalet mikrober eller eliminera mikroorganismer helt. Detta innebär att kommersiella producenter kan applicera ultraljud vid lägre amplituder och under kortare perioder för att minska antalet bakterier och jäst utan att eliminera helt. På så sätt finns livskulturer fortfarande kvar i kombucha, om än i lägre antal så att hållbarheten och lagringstiderna förbättras.

Vetenskapligt bevisade resultat i ultraljudsbehandlad kombucha

Dornan et al. (2020) undersökte effekterna av lågfrekvent ultraljud på kombucha gjord med havtornsbär med hjälp av ultraljudssonikern UIP500hdT. Forskargruppen kunde visa flera positiva effekter av ultraljud på havtornsbärberedningen och efterföljande kombuchajäsning.

Ultraljud Havtorn Berry Extraktion

Ultraljudsbehandling av färska hela havtornsbär (även känd som sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) puréades med hjälp av en Vitamix-mixer i 2 minuter. En volym dH2O motsvarande 30 % av den ursprungliga purévolymen tillsattes och blandades. Ultraljud (90 W, 20 kHz, 10 min) applicerades på 200 ml av den utspädda purén med hjälp av ultraljudsprocessorn UIP500hdT (se bilden till vänster). Behandlingstiden valdes för att optimera näringsämnena och hålla provet i färskt tillstånd. Resultaten av ultraljudsextraktion visar en signifikant (P ≺ 0,05) ökning med 10% extraktionsutbyte från massa (från 19,04 ± 0,08 till 20,97 ± 0,29%) och med 7% för frö (från 14,81 ± 0,08 till 15,83 ± 0,28%). Denna ökning av oljeutbytet framhäver funktionaliteten av ultraljudsbehandling som en effektiv och grön teknik för att maximera råvaruvärdet. Ultraljud extraktion från havtorn bär resulterade i högre oljeutbyte och minskad bearbetningstid, energiförbrukning, och undvikande av farliga lösningsmedel.

Fallstudie: Ultraljudshomogenisering av havtornsbär kombucha

Den ultraljudsbehandlade havtornskombuchan (sanddorne) visade en signifikant förbättrad stabilitet hos produkten. På dag 21 av lagringen förblev den sonikerade bärkombuchan homogen. Det faktum att ingen syneres observerades i sonikerad bärkombucha för hela studien (21 dagar, se bild nedan) visar att ultraljud ensamt är en effektiv emulgeringsteknik som kan ge produktstabilitet och förhindra fasseparation.

Havtornspuré (P) utan och med ultraljudsbehandling (P+US) på dag 0 och 21.
Studie och bild: ©Dornan et al., 2020.

Ultraljud för att stoppa jäsning

Fyra prover av kombucha gjordes: K (kombucha), K+US (kombucha + ultraljud), K+S (kombucha + sackaros) och K+S+US (kombucha + sackaros + ultraljud). Alla prover bereddes med 200 ml havtornspuré (P) eller P+US och 12,5 g SCOBY. K bestod av P och SCOBY. K+US bestod av P+US och SCOBY. K+S bestod av P, 15,0 g sackaros och SCOBY. K+S+US bestod av P+US, 15,0 g sackaros och SCOBY. Alla prover fick jäsa på en mörk plats i rumstemperatur i fem dagar. En andra ultraljudsbehandling (90 W, 20 kHz, 10 min) tillämpades på K + US och K + S + US för att stoppa jäsningen på dag 5.

Ultraljud bevarande effekter på Kombucha

I havtorn kombucha, ultraljudsbehandling minskade initial mikrobiell belastning med 2,6 log CFU / ml, vilket stoppar jäsningsprocessen vid en vald tidpunkt för att förhindra överjäsning. Dessutom bidrar den kontrollerade mikrobiella reduktionen till att öka hållbarheten och stabiliteten hos slutprodukten, vilket underlättar den kommersiella distributionen av kombucha.
Läs mer om ultraljud som icke-termisk juice pastöriseringsmetod!

Övergripande resultat i ultraljudsbehandlad kombucha

Ultraljud minskade initial mikrobiell belastning med 2,6 log CFU/ml, ökade ORAC-värdet med 3% och ökade vattenlöslighetsindex (WSI) med 40% (från 6,64 till 9,29 g/g) utan syneres. Resultat från denna studie tyder på att tillämpningen av ultraljud kan förbättra fenolisk funktionalitet under jäsning och är kapabel att minska syneres, öka oljeutbytet, minska den mikrobiella belastningen och öka ORAC med minimal förlust av näringskvalitet. (jfr Dornan et al., 2020)

Ultraljudsutrustning för förbättrad kombuchabryggning

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsapparater, ultraljud bioreaktorer och tillbehör för förbättrad jäsning, extraktion och pastörisering processer som används i livsmedel & tillverkning av drycker. Hielscher ultraljudssystem för livsmedelsbearbetning används för många applikationer som är en säker, pålitlig och kostnadseffektiv teknik för att producera högkvalitativa livsmedel och drycker. Installation och drift av alla Hielscher ultraljudsprocessorer är enkel: De kräver endast lite utrymme, kan enkelt eftermonteras i befintliga bearbetningsanläggningar.
Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av att tillämpa kraftultraljud i maten & dryckesindustrin samt många andra industrigrenar. Våra ultraljudsprocessorer är utrustade med ultraljudslösningar och flödesceller (de våta delarna) som är lätta att rengöra (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. Den exakta inställningen av amplituder och möjligheten att växla mellan låga och höga amplituder är viktiga för att stimulera eller inaktivera mikroorganismer. Därmed kan samma ultraljud användas för att antingen stimulera mikrober som ökar jäsningen eller för att inaktivera mikroorganismer för pastörisering.
Toppmodern teknik, högpresterande och sofistikerad programvara gör Hielscher Ultrasonics’ Pålitliga arbetshästar i din fermenteringsprocess av livsmedel. Med ett litet fotavtryck och mångsidiga installationsalternativ kan Hielscher ultraljudsapparater enkelt integreras eller eftermonteras i befintliga produktionslinjer.

Processstandardisering med Hielscher Ultrasonics

Livsmedelsklassade produkter bör tillverkas i enlighet med god tillverkningssed (GMP) och enligt standardiserade bearbetningsspecifikationer. Hielscher Ultrasonics digitala extraktionssystem levereras med intelligent programvara, vilket gör det enkelt att ställa in och styra ultraljudsbehandlingsprocessen exakt. Automatisk dataregistrering skriver alla ultraljudsprocessparametrar som ultraljudsenergi (total och nettoenergi), amplitud, temperatur, tryck (när temperatur- och trycksensorer är monterade) med datum- och tidsstämpel på det inbyggda SD-kortet. Detta gör att du kan revidera varje ultraljudsbearbetat parti . Samtidigt säkerställs reproducerbarhet och kontinuerligt hög produktkvalitet.
Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Kontakta oss för att lära dig mer om funktionerna och kapaciteten hos våra ultraljudspastöriseringssystem. Vi diskuterar gärna din ansökan med dig!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: