Ультразвукове вдосконалення ферментації комбучі

Ультразвукова обробка сприяє ферментації в продуктах, що ферментуються за допомогою ультразвуку, таких як комбуча, кімчі та інші ферментовані овочі, покращуючи масоперенесення, руйнуючи мікробні клітини, активуючи ферменти та покращуючи однорідність, що в кінцевому підсумку призводить до прискорення швидкостей ферментації та виробництва продукту вищої якості. Ультразвукова обробка ініціює корисні зміни в біоактивних сполуках під час молочної ферментації, збільшуючи вміст поживних речовин та фітохімічних речовин.

Комбуча та ферментовані напої

Комбуча виробляється шляхом ферментації підсолодженого чаю за допомогою «Симбіотичної культури бактерій і дріжджів» (SCOBY), також відомої як «матка» або «чайний гриб». Різноманітність та співвідношення мікробних популяцій у SCOBY можуть суттєво відрізнятися. Дріжджовий компонент зазвичай включає Saccharomyces cerevisiae, а також інші види родів Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces та Kluyveromyces; бактеріальний компонент майже завжди включає Komagataeibacter xylinus (раніше Gluconacetobacter xylinus), який ферментує спирти, вироблені дріжджами, в оцтову та інші кислоти, підвищуючи кислотність та обмежуючи вміст етанолу.
Подібним чином інші ферментовані напої, такі як ферментовані фруктові та овочеві соки, інокулюються бактеріями та дріжджами.
Обробка ультразвуком може покращити ефективність ферментації та якісні характеристики ферментованого напою, включаючи поживну цінність та смак.

Ультразвукове інтенсифікування ферментації комбучі

Ультразвукові хвилі добре відомі своїм стимулюючим впливом на ріст бактерій і дріжджів. Тому контрольована м’яка ультразвукова обробка культур комбучі (SCOBY, також відомих як чайний гриб, чайна пліснява або маньчжурський гриб) може сприяти процесу ферментації та призводити до більшої кількості комбучі за прискорений час ферментації.
Ферментація, стимульована ультразвуком, демонструє посилений мембранний пермеабілізацію та, як наслідок, підвищене масоперенесення. Сономеханічна обробка ультразвуковими хвилями перфорує клітинні стінки та плазматичні мембрани мікроорганізмів (процес, який називається сонопорацією). Деякі клітини можуть навіть розриватися. Ці пошкоджені клітини вивільняють фактори росту, такі як вітаміни, нуклеотиди, амінокислоти та ферменти, які можуть стимулювати ріст як клітинно неушкоджених, так і бактерій з пошкодженими мембранами.
Ультразвукова обробка до ферментації, а також на лаг- та лог-фазах показала найбільш виражені ефекти стимулювання росту бактерій.

Переваги ультразвукової обробки для ферментації комбучі

Як ультразвук сприяє процесу ферментації та допомагає виробляти кращу комбучу, ферментовані овочі, кодзі тощо? Ультразвукова обробка інтенсифікує ферментацію кількома способами, які демонструються нижче в контексті ферментованої комбучі. Комбуча – це ферментований напій, який традиційно виготовляють із підсолодженого чаю та симбіотичної культури бактерій і дріжджів (SCOBY). Розведені фруктові пюре забезпечують поживну, ароматну основу для виробництва комбучі. Нижче ви дізнаєтеся, як ультразвукова обробка сприяє виробництву

• Посилене масоперенесення: Ультразвукові хвилі створюють мікроскопічні кавітаційні бульбашки в рідині, що призводить до утворення мікроструменів, рідинних струменів та турбулентності. Таке перемішування покращує масоперенесення, збільшуючи контакт між мікроорганізмами, відповідальними за ферментацію, та поживними речовинами в середовищі. В результаті поживні речовини більш ефективно поглинаються ферментуючими мікроорганізмами, що призводить до прискорення швидкостей ферментації.
• Руйнування клітин: Соникатори відомі своєю ефективністю в руйнуванні клітин та екстракції. У харчовій ферментації соникатори руйнують мікробні клітинні стінки, вивільняючи внутрішньоклітинні ферменти та метаболіти, які можуть додатково каталізувати реакції ферментації. Це руйнування посилює вивільнення смакових сполук, вітамінів та органічних кислот з мікробних клітин, сприяючи складності смаку та поживній цінності ферментованого продукту. У комбучі з обліпихи, ферментованій за допомогою ультразвуку, можна виміряти значно вищу частку фенольних сполук. (пор. Dornan et al., 2020)
• Підготовка поживних субстратів для ферментації: Ультразвукова екстракція допомагає підготувати субстрат для ферментації, який забезпечує багато поживних речовин у доступній формі для мікробного травлення. Це означає, що в субстратах для ферментації, оброблених ультразвуком (наприклад, фруктових та овочевих пюре), біоактивні сполуки, такі як крохмаль і цукри, вивільняються з внутрішньоклітинного матриксу рослинних клітин. Мікроби можуть легко живитися субстратом, що прискорює та скорочує процес ферментації. Те саме стосується поліфенолів, флавоноїдів та вітамінів, які вивільняються з внутрішньоклітинних матриксів і сприяють загальній поживній цінності ферментованих продуктів або напоїв.
• Посилена активність ферментів: Ультразвукова обробка активує або посилює активність певних ферментів, залучених до процесів ферментації. Наприклад, вона підвищує активність целюлази та амілази, ферментів, критично важливих для розщеплення складних вуглеводів на простіші цукри, які потім ферментуються мікроорганізмами, присутніми в культурі комбучі.
• Покращена однорідність: Оскільки результати ультразвукової обробки завжди передбачають змішування та гомогенізацію, ультразвукове оброблення забезпечує кращу гомогенізацію суміші для ферментації, що призводить до рівномірного розподілу поживних речовин і мікроорганізмів у середовищі. Ця однорідність сприяє стабільній кінетиці ферментації та виробництву комбучі високої якості з бажаними сенсорними характеристиками.

Ультразвукова стимуляція мікробного росту є найбільш ефективною, коли ультразвук застосовується до ферментації або на лаг- та лог-фазах.

Кейс-стаді: Ультразвукова стимуляція ферментації яблучного соку

Дослідження показали, що ультразвукова обробка на лаг- та логарифмічній фазах під час ферментації яблучного соку сприяла мікробному росту та інтенсифікувала біотрансформацію яблучної кислоти в молочну кислоту. Наприклад, після ультразвукової обробки на лаг-фазі протягом 0,5 h мікробний рахунок та вміст молочної кислоти в зразках, оброблених ультразвуком при 58,3 W/L, досягли 7,91 ± 0,01 Log CFU/mL та 133,70 ± 7,39 mg/L, що було значно вище, ніж у зразках без ультразвукової обробки. Крім того, ультразвукова обробка на лаг- та логарифмічній фазах мала комплексний вплив на метаболізм фенольних сполук яблучного соку, таких як хлорогенова кислота, кофеїнова кислота, проціанідін B2, катехін та галова кислота. Ультразвук міг позитивно впливати на гідроліз хлорогенової кислоти до кофеїнової кислоти, трансформацію проціанідину B2 та декарбоксилювання галової кислоти. Метаболізм органічних кислот та вільних амінокислот у зразках, оброблених ультразвуком, статистично корелював з метаболізмом фенольних сполук, що свідчить про те, що ультразвук може сприяти утворенню похідних фенольних сполук, покращуючи мікробний метаболізм органічних кислот та амінокислот. (пор. Wang et al., 2021)

Кейс-стаді: Покращення ферментації соєвого молока за допомогою ультразвуку

Дослідницька група Ewe et al. (2012) вивчила вплив ультразвуку на метаболічну ефективність штамів лактобацил (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) під час ферментації соєвого молока. Було спостережено, що ультразвукова обробка підвищила проникність клітинних мембран бактерій. Підвищена проникність клітинних мембран призвела до покращеної інтерналізації поживних речовин та подальшого посилення росту (P ≺ 0,05). Вищі амплітуди та довші тривалості ультразвукової обробки сприяли росту лактобацил у соєвому молоці, причому кількість життєздатних клітин перевищувала 9 log CFU/mL. Внутрішньоклітинна та позаклітинна специфічна активність β-глюкозидази лактобацил також підвищувалася (P ≺ 0,05) внаслідок ультразвукової обробки, що призводило до посиленої біоконверсії ізофлавонів у соєвому молоці, зокрема геністину та малоїлгеністину в геністеїн. Результати цього дослідження показують, що ультразвукова обробка клітин лактобацил сприяє (P ≺ 0,05) активності β-глюкозидази клітин для посилення (P ≺ 0,05) біоконверсії ізофлавонових глюкозидів у біоактивні аглікони в соєвому молоці. (пор. Ewe et al., 2012)

Скануючі електронні мікрографії лактобацил без обробки (A) та лактобацил, оброблених ультразвуком при амплітуді 60% протягом 3 хв (B). Кола вказують на розірвані клітини та клітини з порами.
(Дослідження та зображення: ©Ewe et al., 2012)

Екстракція поживних сполук та смакових речовин у комбучі та ферментованих напоях

Ферментований чай, соки та овочеві напої, наприклад, ферментований яблучний або шовковичний сік або комбуча з фруктовими добавками, значно виграють у смаковому та поживному відношенні від ультразвукової обробки. Ультразвукові хвилі руйнують клітинні структури рослинної сировини та вивільняють внутрішньоклітинні сполуки, такі як смакові речовини, поліфеноли, антиоксиданти та флавоноїди. Водночас ультразвукова гомогенізація забезпечує однорідно диспергований та емульгований напій, запобігаючи фазовому розшаруванню та пропонуючи привабливий вигляд для споживачів. Приклад комбучі з ягід обліпихи, обробленої ультразвуком, без фазового розшарування, у порівнянні з необробленою версією, наведено нижче.
Дізнайтеся більше про ультразвукову екстракцію смакових та поживних речовин!

Кейс: Комбуча, консервована ультразвуком

Ультразвукова обробка може впливати на мікроби, стимулюючи або інактивуючи їх. Також ферменти зазнають впливу ультразвукової обробки: ультразвук може змінювати характеристики ферментів, субстратів та їхніх реакцій. Ці ефекти низькочастотного ультразвуку використовуються у харчовій промисловості як нетермічна альтернатива пастеризації харчових продуктів та напоїв. Ультразвукова обробка пропонує перевагу точного контролю над параметрами процесу, такими як амплітуда, час, температура та тиск, що дозволяє цільово інактивувати мікроорганізми. Інактивація мікробного навантаження в комбучі та ферментованих напоях дозволяє збільшити термін придатності та стабільність продукту. Зменшення кількості мікробів та ферментів сприяє комерційній дистрибуції завдяки подовженому терміну придатності кінцевого продукту. Ультразвукова обробка є нетермічним методом пастеризації, який вже використовується у комерційній харчовій промисловості, наприклад, для пастеризації соків. Особливо при вищих амплітудах ультразвук інактивує бактерії та дріжджі, пошкоджуючи клітинні стінки. Це призводить до уповільнення або припинення мікробного росту. Наприклад, Kwaw et al. (2018) досліджували ультразвукову обробку як нетермічну стратегію пастеризації для ферментованого шовковичного соку з молочною кислотою. Ферментований шовковичний сік, оброблений ультразвуком, мав вищий вміст фенольних сполук (1700,07 ± 2,44 μg/mL), ніж контрольний зразок, ферментований шовковичний сік без обробки. “Серед окремих нетермічних методів обробки ультразвукова обробка спричинила значне (p < 0,05) підвищення фенольних та антиоксидантних властивостей ферментованого шовковичного соку з молочною кислотою порівняно з обробкою імпульсним світлом.” (Kwaw et al., 2018)
Хоча комбуча є напоєм, відомим своїми живими культурами, контрольоване зменшення кількості мікробів можна використовувати для подовження терміну придатності комерційно розповсюджуваних напоїв комбуча.
Звичайна термічна пастеризація вбиває всі живі дріжджі та бактерії, які зазвичай присутні в комбучі і є одним із основних факторів її оздоровчих ефектів. Ультразвукова пастеризація є нетермічним методом консервації, який можна використовувати для зменшення кількості мікробів або повного усунення мікроорганізмів. Це означає, що комерційні виробники можуть застосовувати ультразвук при нижчих амплітудах і протягом коротших періодів, щоб знизити кількість бактерій і дріжджів, не усуваючи їх повністю. Таким чином, живі культури все ще присутні в комбучі, хоча й у меншій кількості, що покращує термін придатності та строки зберігання.

Науково доведені результати для комбучі, обробленої ультразвуком

Dornan et al. (2020) досліджували вплив низькочастотного ультразвуку на комбучу, виготовлену з ягід обліпихи, використовуючи соникатор UIP500hdT. Дослідницька група змогла продемонструвати кілька корисних ефектів ультразвукової обробки на підготовку ягід обліпихи та подальшу ферментацію комбучі.

Ультразвукова екстракція ягід обліпихи

Свіжі цілі ягоди обліпихи (також відомі як sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) подрібнювали в блендері Vitamix протягом 2 хв. Додавали об’єм dH2O, що дорівнював 30% від початкового об’єму пюре, і змішували. Ультразвук (90 W, 20 kHz, 10 хв) застосовували до 200 mL розведеного пюре, використовуючи ультразвуковий процесор UIP500hdT (див. зображення ліворуч). Час обробки було обрано для оптимізації поживних речовин і підтримки зразка у стані, близькому до свіжого. Результати ультразвукової екстракції демонструють значне (P ≺ 0,05) збільшення виходу екстракції на 10% з м’якоті (з 19,04 ± 0,08 до 20,97 ± 0,29%) і на 7% з насіння (з 14,81 ± 0,08 до 15,83 ± 0,28%). Це збільшення виходу олії підкреслює функціональність ультразвукової обробки як ефективної та екологічної технології для максимізації цінності сировини. Ультразвукова екстракція з ягід обліпихи призвела до вищого виходу олії та зменшення часу обробки, споживання енергії та уникнення небезпечних розчинників.

Кейс-стаді: Ультразвукова гомогенізація комбучі з ягід обліпихи

Комбуча з ягід обліпихи (sanddorne), оброблена ультразвуком, показала значно покращену стабільність продукту. До 21-го дня зберігання комбуча з ягід, оброблена ультразвуком, залишалася гомогенною. Той факт, що синерезис не спостерігався в комбучі з ягід, обробленій ультразвуком, протягом усього дослідження (21 день, див. зображення нижче), показує, що ультразвук сам по собі є ефективним методом емульгації, здатним забезпечити стабільність продукту та запобігти фазовому розшаруванню.

Пюре з обліпихи (P) без обробки ультразвуком і з обробкою ультразвуком (P+US) на 0-й і 21-й день.
Дослідження та зображення: ©Dornan et al., 2020.

Ультразвукова обробка для зупинки ферментації

Було виготовлено чотири зразки комбучі: K (комбуча), K+US (комбуча + ультразвук), K+S (комбуча + сахароза) та K+S+US (комбуча + сахароза + ультразвук). Усі зразки були підготовлені з використанням 200 mL пюре з ягід обліпихи (P) або P+US і 12,5 g SCOBY. K складалася з P і SCOBY. K+US складалася з P+US і SCOBY. K+S складалася з P, 15,0 g сахарози та SCOBY. K+S+US складалася з P+US, 15,0 g сахарози та SCOBY. Усі зразки залишали ферментувати в темному місці при кімнатній температурі протягом п’яти днів. Другу ультразвукову обробку (90 W, 20 kHz, 10 хв) застосовували до K+US і K+S+US для зупинки ферментації на 5-й день.

Ефекти ультразвукової консервації на комбучу

У комбучі з ягід обліпихи ультразвукова обробка зменшила початкове мікробне навантаження на 2,6 log CFU/mL, зупинивши процес ферментації у вибраний час, щоб запобігти надмірній ферментації. Крім того, контрольоване зменшення кількості мікробів допомагає збільшити термін придатності та стабільність кінцевого продукту, що сприяє комерційному розповсюдженню комбучі.
Дізнайтеся більше про ультразвукову обробку як метод нетермічної пастеризації соків!

Загальні результати для комбучі, обробленої ультразвуком

Ультразвукова обробка зменшила початкове мікробне навантаження на 2,6 log CFU/mL, підвищила значення ORAC на 3% та індекс розчинності у воді (WSI) на 40% (з 6,64 до 9,29 g/g) без синерезису. Результати цього дослідження свідчать про те, що застосування ультразвукової обробки може посилити фенольну функціональність під час ферментації та здатна зменшувати синерезис, підвищувати вихід олії, зменшувати мікробне навантаження та підвищувати ORAC із мінімальними втратами харчової якості. (пор. Dornan et al., 2020)

Ультразвукове обладнання для покращеного приготування комбучі

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективні ультразвукові гомогенізатори, ультразвукові біореактори та аксесуари для покращення процесів ферментації, екстракції та пастеризації, що використовуються у виробництві продуктів харчування та напоїв. Ультразвукові системи обробки харчових продуктів Hielscher використовуються для різноманітних застосувань, будучи безпечною, надійною та економічно ефективною технологією для виробництва високоякісних продуктів харчування та напоїв. Встановлення та експлуатація всіх ультразвукових процесорів Hielscher є простими: вони потребують лише мало місця та можуть бути легко модернізовані в існуючих виробничих потужностях.
Hielscher Ultrasonics має багаторічний досвід у застосуванні потужного ультразвуку в харчовій та напоїв промисловості, а також у багатьох інших галузях промисловості. Наші ультразвукові процесори обладнані сонотродами та проточними комірками (мокрими частинами), які легко очищуються (clean-in-place CIP / sterilize-in-place SIP). Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Точне налаштування амплітуд та можливість перемикання між низькими та високими амплітудами є важливими для стимулювання або інактивації мікроорганізмів. Таким чином, один і той самий ультразвуковий гомогенізатор можна використовувати або для стимулювання мікробів, підвищуючи ферментацію, або для інактивації мікроорганізмів для пастеризації.
Передові технології, висока ефективність та складне програмне забезпечення роблять Hielscher Ultrasonics надійними «робочими конячками» у вашому процесі ферментації продуктів харчування. Завдяки невеликим розмірам та різноманітним варіантам встановлення, ультразвукові гомогенізатори Hielscher можуть бути легко інтегровані або модернізовані в існуючі виробничі лінії.

Стандартизація процесу з Hielscher Ultrasonics

Продукти харчового класу слід виробляти відповідно до Настановами з належної виробничої практики (GMP) та за стандартизованими специфікаціями обробки. Цифрові системи екстракції Hielscher Ultrasonics постачаються з інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє легко встановлювати та точно контролювати процес ультразвукової обробки. Автоматичний запис даних фіксує всі параметри ультразвукового процесу, такі як енергія ультразвуку (загальна та чиста енергія), амплітуда, температура, тиск (коли встановлені датчики температури та тиску) з позначкою дати та часу на вбудованій SD-картці. Це дозволяє переглянути кожну партію, оброблену ультразвуком. Водночас забезпечується відтворюваність та постійно висока якість продукції.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та в складних середовищах.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про характеристики та можливості наших систем ультразвукової пастеризації. Ми будемо раді обговорити з вами ваше застосування!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових гомогенізаторів: