Ultraljudsförbättrad kombuchafermentering

Ultraljudsbehandling främjar fermentering i ultraljudsfermenterade livsmedel som kombucha, kimchi och andra fermenterade grönsaker genom att förbättra massöverföringen, sönderdela mikrobiella celler, aktivera enzymer och förbättra homogeniteten, vilket i slutändan leder till snabbare fermentering och framställning av en produkt av överlägsen kvalitet. Ultraljudsbehandling initierar gynnsamma förändringar i bioaktiva föreningar under mjölksyrafermentering, vilket ökar innehållet av näringsämnen och fytokemikalier.

Kombucha och fermenterade drycker

Kombucha framställs genom att sockrat te fermenteras med en ”symbiotisk kultur av bakterier och jäst” (SCOBY), som också vanligen kallas ”moder” eller ”tesvamp”. Sammansättningen av och proportionerna mellan mikrobiella populationer i en SCOBY kan variera ganska avsevärt. 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; bakteriekomponenten omfattar nästan alltid Komagataeibacter xylinus (tidigare Gluconacetobacter xylinus), som fermenterar alkoholer som produceras av jästsvamparna till ättiksyra och andra syror, vilket ökar surhetsgraden och begränsar etanolhalten.
På liknande sätt inokuleras andra fermenterade drycker, som fermenterade frukt- och grönsaksjuicer, med bakterier och jäst.
Behandling med ultraljud kan förbättra fermenteringseffektiviteten och den fermenterade dryckens kvalitetsegenskaper, inklusive näringsinnehåll och smak.

Ultraljudsintensifierad kombuchafermentering

Ultraljudsvågor är välkända för att stimulera tillväxten av bakterier och jäst. En kontrollerad, mild ultraljudsbehandling av kombuchakulturer (SCOBY, även känd som tesvamp eller manchurisk svamp) kan därför främja fermenteringsprocessen och ge högre kombuchautbyte på kortare fermenteringstid.
Ultraljudsstimulerad fermentering uppvisar 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 sönderdelade celler frigör tillväxtfrämjande faktorer som vitaminer, nukleotider, aminosyror och enzymer som skulle kunna stimulera tillväxten av såväl intakta bakterieceller som bakterier med skadade membran.
Ultraljudsbehandling före fermentering samt under lag- och logfaserna visade de mest framträdande effekterna på stimuleringen av bakterietillväxt.

Fördelarna med ultraljudsbehandling vid kombuchafermentering

Hur främjar ultraljud fermenteringsprocessen och bidrar till att framställa bättre kombucha, fermenterade grönsaker, koji osv.? Ultraljudsbehandling intensifierar fermenteringen på flera sätt, vilka visas nedan med fermenterad kombucha som exempel. Kombucha är en fermenterad dryck som traditionellt framställs av sötat te och en symbiotisk kultur av bakterier och jäst (SCOBY). Utspädda fruktpuréer ger en näringsrik och smakrik bas för kombuchaproduktion. Nedan får du veta hur ultraljudsbehandling främjar framställningen av en

• Ökad massöverföring: Ultraljudsvågor skapar mikroskopiska kavitationsbubblor i vätskan, vilket leder till att mikroströmningar, vätskestrålar och turbulens bildas. Denna omrörning förbättrar massöverföringen genom att öka kontakten mellan de mikroorganismer som ansvarar för fermenteringen och näringsämnena i mediet. Som ett resultat tas näringsämnen upp effektivare av de fermenterande mikroorganismerna, vilket leder till snabbare fermentering.
• Cellsönderdelning: Ultraljudsapparater är välkända för sin effektivitet vid cellys och extraktion. Vid livsmedelsfermentering bryter ultraljudsapparater sönder mikrobiella cellväggar och frigör intracellulära enzymer och metaboliter som kan katalysera fermenteringsreaktionerna ytterligare. Denna sönderdelning ökar frisättningen av smakämnen, vitaminer och organiska syror från de mikrobiella cellerna, vilket bidrar till den fermenterade produktens smakkomplexitet och näringsrikedom. I ultraljudsfermenterad havtornskombucha kan en signifikant högre andel fenoliska föreningar uppmätas. (jfr Dornan et al., 2020)
• Beredning av näringsrika fermenteringssubstrat: Ultraljudsextraktion hjälper till att bereda ett fermenteringssubstrat som tillhandahåller många näringsämnen i en form som är tillgänglig för mikrobiell nedbrytning. Det innebär att bioaktiva föreningar som stärkelse och sockerarter frigörs från växtcellernas intracellulära matris i ultraljudsbehandlade fermenteringssubstrat (t.ex. frukt- och grönsakspuréer). Mikrober kan lätt tillgodogöra sig substratet, vilket påskyndar och förkortar fermenteringsprocessen. Detsamma gäller polyfenoler, flavonoider och vitaminer, som frigörs från intracellulära matriser och bidrar till det totala näringsvärdet hos det fermenterade livsmedlet eller de fermenterade dryckerna.
• Ökad enzymaktivitet: Ultraljudsbehandling aktiverar eller ökar aktiviteten hos vissa enzymer som deltar i fermenteringsprocesser. Den ökar till exempel aktiviteten hos cellulas och amylas, enzymer som är avgörande för att bryta ned komplexa kolhydrater till enklare sockerarter, som sedan fermenteras av de mikroorganismer som finns i kombuchakulturen.
• Förbättrad homogenitet: Eftersom krafterna vid ultraljudsbehandling alltid leder till omrörning och blandning säkerställer ultraljudsbehandlingen bättre homogenisering av fermenteringsblandningen, vilket ger en jämn fördelning av näringsämnen och mikroorganismer i hela mediet. Denna jämnhet främjar enhetlig fermenteringskinetik och framställning av en högkvalitativ kombuchaprodukt med önskvärda sensoriska egenskaper.

Ultraljudsstimulering av mikrobiell tillväxt är mest effektiv när ultraljud appliceras före fermenteringen eller under lag- och logfaserna.

Fallstudie: Ultraljudsstimulering av fermentering av äppeljuice

Forskning visade att ultraljudsbehandling under lagfasen och den logaritmiska fasen vid fermentering av äppeljuice främjade mikrobiell tillväxt och intensifierade biotransformationen av äppelsyra till mjölksyra. Efter ultraljudsbehandling under lagfasen i 0,5 h vid 58,3 W/L nådde exempelvis antalet mikroorganismer och mjölksyrahalten i de ultraljudsbehandlade proverna 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL respektive 133,70 ± 7,39 mg/L, vilket var signifikant högre än i proverna som inte hade ultraljudsbehandlats. Dessutom hade ultraljudsbehandling under lagfasen och den logaritmiska fasen komplexa effekter på metabolismen av fenoliska föreningar i äpplen, såsom klorogensyra, koffeinsyra, procyanidin B2, katekin och gallussyra. Ultraljud kunde påverka hydrolysen av klorogensyra till koffeinsyra, omvandlingen av procyanidin B2 och dekarboxyleringen av gallussyra positivt. Metabolismen av organiska syror och fria aminosyror i de ultraljudsbehandlade proverna var statistiskt korrelerad med metabolismen av fenoliska föreningar, vilket tyder på att ultraljud kan gynna bildningen av fenoliska derivat genom att förbättra den mikrobiella metabolismen av organiska syror och aminosyror. (jfr Wang et al., 2021)

Fallstudie: Förbättrad fermentering av sojamjölk med ultraljud

Forskargruppen Ewe et al. (2012) undersökte effekterna av ultraljud på den metaboliska effektiviteten hos stammar av laktobaciller (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) under fermentering av sojamjölk. Man observerade att ultraljudsbehandlingen permeabiliserade bakteriernas cellmembran. De permeabiliserade cellmembranen resulterade i ett förbättrat näringsupptag och efterföljande ökad tillväxt (P ≺ 0,05). Högre amplituder och längre ultraljudsbehandlingstider främjade tillväxten av laktobaciller i sojamjölk, med halter av livskraftiga celler som översteg 9 log CFU/mL. Även laktobacillernas intracellulära och extracellulära specifika β-glukosidasaktiviteter ökade (P ≺ 0,05) genom ultraljudsbehandling, vilket ledde till ökad biokonversion av isoflavoner i sojamjölk, särskilt genistin och malonylgenistin till genistein. Resultaten från denna studie visar att ultraljudsbehandling av laktobacillceller främjar (P ≺ 0,05) cellernas β-glukosidasaktivitet, vilket bidrar till ökad (P ≺ 0,05) biokonversion av isoflavonglukosider till bioaktiva aglykoner i sojamjölk. (jfr Ewe et al., 2012)

Svepelektronmikroskopbilder av obehandlade laktobaciller (A) och laktobaciller som behandlats med ultraljud vid 60% amplitud i 3 min (B). Cirklarna visar sönderbrutna celler och celler med porer.
(Studie och bilder: ©Ewe et al., 2012)

Extraktion av näringsämnen och smakämnen i kombucha och fermenterade drycker

Fermenterade te-, juice- och grönsaksdrycker, t.ex. fermenterad äppel- eller mullbärsjuice eller fruktsmaksatt kombucha, gynnas avsevärt av ultraljudsbehandling när det gäller smak och näringsinnehåll. Ultraljudsvågorna bryter upp cellstrukturer i växtmaterial och frigör intracellulära ämnen som smakämnen, polyfenoler, antioxidanter och flavonoider. Samtidigt ger ultraljudshomogenisering en jämnt dispergerad och emulgerad dryck, vilket förhindrar fasseparation och ger ett tilltalande utseende för konsumenterna. Nedan kan du se ett exempel på ultraljudsbehandlad havtärskombucha utan fasseparation i jämförelse med en obehandlad variant.
Läs mer om extraktion av smak- och näringsämnen med ultraljud!

Fallstudie: Kombucha konserverad med ultraljud

Ultraljudsbehandling kan påverka mikrober genom att antingen stimulera eller inaktivera dem. Även enzymer påverkas av ultraljudsbehandling: ultraljud kan förändra egenskaperna hos enzymer, substrat och deras reaktioner. Dessa effekter av lågfrekvent ultraljud används inom livsmedelsbearbetning som ett icke-termiskt alternativ för att pastörisera livsmedel och drycker. Ultraljudsbehandling erbjuder fördelen med exakt kontroll över processparametrar som amplitud, tid, temperatur och tryck, vilket möjliggör riktad inaktivering av mikroorganismer. Inaktivering 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 genom en förlängd hållbarhet hos slutprodukten. Ultraljudsbehandling är en icke-termisk pastöriseringsmetod som redan används inom kommersiell livsmedelsbearbetning, såsom pastörisering av juicer. Särskilt vid högre amplituder inaktiverar ultraljud bakterier och jäst genom att skada cellväggarna. Detta leder till långsammare eller avstannad mikrobiell tillväxt. Exempelvis undersökte Kwaw et al. (2018) ultraljud som en icke-termisk pastöriseringsstrategi för mjölksyrafermenterad mullbärsjuice. Ultraljudsbehandlad fermenterad mullbärsjuice hade ett högre innehåll av fenoliska föreningar (1700,07 ± 2,44 μg/mL) än kontrollen, en obehandlad fermenterad mullbärsjuice. ”Bland de enskilda icke-termiska behandlingarna orsakade ultraljudsbehandling en signifikant (p < 0,05) ökning av de fenoliska och antioxidativa egenskaperna hos den mjölksyrafermenterade mullbärsjuicen jämfört med behandlingen med pulserat ljus.” (Kwaw et al., 2018)
Även om kombucha är en dryck som är känd för sina levande kulturer kan en kontrollerad minskning av mängden mikroorganismer användas för att förlänga hållbarheten hos kommersiellt distribuerade kombuchadrycker.
Vanlig värmepastörisering dödar alla levande jästsvampar och bakterier som normalt finns i kombucha och som är en av de viktigaste faktorerna bakom dess hälsofrämjande effekter. Ultraljudspastörisering är en icke-termisk konserveringsmetod som kan användas för att antingen minska antalet mikroorganismer eller eliminera dem helt. Detta innebär att kommersiella producenter kan använda ultraljud vid lägre amplituder och under kortare perioder för att minska antalet bakterier och jästsvampar utan att eliminera dem helt. Därmed finns levande kulturer fortfarande kvar i kombuchan, men i lägre antal, så att hållbarheten och lagringstiden förbättras.

Vetenskapligt bevisade resultat i ultraljudsbehandlad kombucha

Dornan et al. (2020) undersökte effekterna av lågfrekvent ultraljud på kombucha framställd av havtornsbär med hjälp av ultraljudsapparaten UIP500hdT. Forskargruppen kunde påvisa flera gynnsamma effekter av ultraljudsbehandling på beredningen av havtornsbären och den efterföljande kombuchafermenteringen.

Ultraljudsextraktion av havtornsbär

Vid ultraljudsbehandlingen av färska hela havtornsbär (även kända som sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) purerades bären med en Vitamix-mixer i 2 min. En volym dH2O motsvarande 30% av den ursprungliga purévolymen tillsattes och blandades in. Ultraljud (90 W, 20 kHz, 10 min) applicerades på 200 mL av den utspädda purén med ultraljudsprocessorn UIP500hdT (se bilden till vänster). Behandlingstiden valdes för att optimera näringsämnena och bibehålla provet i ett färskliknande tillstånd. Resultaten av ultraljudsextraktionen visar en signifikant (P ≺ 0,05) ökning av extraktionsutbytet med 10% från fruktkött (från 19,04 ± 0,08 till 20,97 ± 0,29%) och med 7% från frön (från 14,81 ± 0,08 till 15,83 ± 0,28%). Denna ökning av oljeutbytet framhäver ultraljudsbehandlingens funktion som en effektiv och miljövänlig teknik för att maximera råvaruvärdet. Ultraljudsextraktion av havtornsbär gav högre oljeutbyte, kortare bearbetningstid och lägre energiförbrukning samt gjorde det möjligt att undvika farliga lösningsmedel.

Fallstudie: Ultraljudshomogenisering av havtornskombucha

Den ultraljudsbehandlade kombuchan av havtornsbär (sanddorne) uppvisade en signifikant förbättrad produktstabilitet. Efter 21 dagars lagring var den ultraljudsbehandlade bärkombuchan fortfarande homogen. Att ingen syneres observerades i den ultraljudsbehandlade bärkombuchan under hela studien (21 dagar, se bilden nedan) visar att enbart ultraljud är en effektiv emulgeringsteknik som kan åstadkomma produktstabilitet och förhindra fasseparation.

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

Ultraljudsbehandling för att stoppa fermentering

Fyra kombuchaprover framställdes: 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 fermentera på en mörk plats vid rumstemperatur i fem dagar. En andra ultraljudsbehandling (90 W, 20 kHz, 10 min) applicerades på K+US och K+S+US för att stoppa fermenteringen dag 5.

Ultraljudets konserverande effekter på kombucha

I havtornskombucha minskade ultraljudsbehandlingen den initiala mikrobiella belastningen med 2,6 log CFU/mL och stoppade därmed fermenteringsprocessen vid en vald tidpunkt för att förhindra överfermentering. Dessutom bidrar den kontrollerade minskningen av mängden mikroorganismer till att öka slutproduktens hållbarhet och stabilitet, vilket underlättar kommersiell distribution av kombucha.
Läs mer om ultraljudsbehandling som en icke-termisk metod för pastörisering av juice!

Övergripande resultat för ultraljudsbehandlad kombucha

Ultraljudsbehandling minskade den initiala mikrobiella belastningen med 2,6 log CFU/mL, ökade ORAC-värdet med 3% och ökade vattenlöslighetsindexet (WSI) med 40% (från 6,64 till 9,29 g/g) utan syneres. Resultaten från denna studie tyder på att användning av ultraljudsbehandling kan förbättra fenolföreningarnas funktionalitet under fermenteringen och kan minska syneresen, 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 utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsapparater, ultraljudsbioreaktorer och tillbehör för förbättrade fermenterings-, extraktions- och pastöriseringsprocesser inom livsmedels- och dryckestillverkning. Hielschers ultraljudssystem för livsmedelsbearbetning används för många olika tillämpningar och är en säker, tillförlitlig och kostnadseffektiv teknik för att producera livsmedel och drycker av hög kvalitet. Installation och drift av alla Hielschers ultraljudsprocessorer är enkel: De kräver endast lite utrymme och kan enkelt eftermonteras i befintliga processanläggningar.
Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av användning av effektultraljud inom livsmedels- och dryckesindustrin samt många andra industribranscher. Våra ultraljudsprocessorer är utrustade med lättrengjorda sonotroder och flödesceller (de vätskeberörda delarna), som kan rengöras på plats (CIP) och steriliseras på plats (SIP). Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. 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 ultraljudsapparat användas antingen för att stimulera mikrober och öka fermenteringen eller för att inaktivera mikroorganismer för pastörisering.
Den senaste tekniken, hög prestanda och sofistikerad programvara gör utrustningen från Hielscher Ultrasonics till tillförlitliga arbetshästar i din livsmedelsfermenteringsprocess. Med litet utrymmesbehov och mångsidiga installationsalternativ kan Hielschers ultraljudsapparater enkelt integreras eller eftermonteras i befintliga produktionslinjer.

Processstandardisering med Hielscher Ultrasonics

Produkter av livsmedelskvalitet bör tillverkas i enlighet med god tillverkningssed (GMP) och standardiserade processpecifikationer. Hielscher Ultrasonics digitala extraktionssystem levereras med intelligent programvara som gör det enkelt att ställa in och styra ultraljudsbehandlingsprocessen exakt. Automatisk dataregistrering sparar alla ultraljudsprocessparametrar, såsom ultraljudsenergi (total- och nettoenergi), amplitud, temperatur och tryck (när temperatur- och trycksensorer är monterade), med datum- och tidsstämpel på det inbyggda SD-kortet. Detta gör att du kan granska varje ultraljudsbehandlat parti. Samtidigt säkerställs reproducerbarhet och en genomgående hög produktkvalitet.
Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Kontakta oss nu för att få veta mer om funktionerna och kapaciteten hos våra ultraljudssystem för pastörisering. Vi diskuterar gärna din tillämpning med dig!

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: