Ультразвукове покращене бродіння чайного гриба

Ультразвукова обробка сприяє ферментації в ультразвуково ферментованих продуктах, таких як чайний гриб, кімчі та інші ферментовані овочі, посилюючи масообмін, руйнуючи мікробні клітини, активуючи ферменти та покращуючи однорідність, що в кінцевому підсумку призводить до прискорення швидкості бродіння та виробництва продукту вищої якості. Ультразвук ініціює корисні зміни біологічно активних сполук під час молочнокислого бродіння, збільшуючи вміст поживних сполук та фітохімічних речовин.

Комбуча та ферментовані напої

Комбуча виробляється шляхом ферментації зацукрованого чаю за допомогою «симбіотичної культури бактерій і дріжджів» (SCOBY), яку також зазвичай називають «матір'ю»” або «чайний гриб»”. Різноманіття і співвідношення мікробних популяцій в SCOBY може варіюватися досить значно. Дріжджовий компонент зазвичай включає Saccharomyces cerevisiae, поряд з іншими видами Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera/Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces і Kluyveromyces; бактеріальний компонент майже завжди включає Komagataeibacter xylinus (раніше Gluconacetobacter xylinus), який зброджує спирти, що виробляються дріжджами, в оцтову та інші кислоти, підвищуючи кислотність і обмежуючи вміст етанолу.
Подібним чином інші ферментовані напої, такі як ферментовані фруктові та овочеві соки, інокульуються бактеріями та дріжджами.
Обробка ультразвуком може покращити ефективність бродіння та якісні характеристики ферментованого напою, включаючи вміст поживних речовин та смак.

Ультразвуково посилена ферментація чайного гриба

Добре відомо, що ультразвукові хвилі стимулюють ріст бактерій і дріжджів. Таким чином, контрольована м'яка ультразвукова обробка культур комбучі (SCOBY, також відома як чайний гриб, чайний гриб або маньчжурський гриб) може сприяти процесу ферментації та призвести до вищих врожаїв комбучі за прискорений час ферментації.
Ферментація, стимульована ультразвуком, показує посилену проникність мембрани і тим самим збільшує масообмін. Сономеханічна обробка ультразвуковими хвилями перфорує клітинні стінки і плазматичні мембрани мікроорганізмів (цей процес називається сонопорацією). Деякі клітини можуть навіть розірватися. Ці пошкоджені клітини вивільняють фактори, що сприяють росту, такі як вітаміни, нуклеотиди, амінокислоти та ферменти, які можуть стимулювати ріст клітинно неушкоджених, а також скомпрометованих мембранами бактерій.
Ультразвукова обробка перед ферментацією, а також у фазах затримки та логарифмічної обробки показала найбільш помітний вплив на стимуляцію росту бактерій.

Переваги ультразвукового розчину при бродінні чайного гриба

Як ультразвук сприяє процесу бродіння і допомагає виробляти більш якісну чайний гриб, овочеві ферменти, коджі і т.д.? Ультразвукова хвороба підсилює бродіння декількома способами, які продемонстровані нижче в контексті ферментованої чайного гриба. Комбуча — це ферментований напій, який традиційно готується з підсолодженого чаю та симбіотичної культури бактерій і дріжджів (SCOBY). Розбавлені фруктові пюре забезпечують багату поживними речовинами ароматну основу для виробництва комбучі. Нижче ви дізнаєтеся, як ультразвук сприяє виробленню

• Збільшення масообміну: Ультразвукові хвилі створюють в рідині мікроскопічні кавітаційні бульбашки, що призводять до утворення мікропотоків, струменів рідини і турбулентностей. Це перемішування посилює масообмін за рахунок збільшення контакту між мікроорганізмами, відповідальними за бродіння, і поживними речовинами в середовищі. В результаті поживні речовини ефективніше засвоюються бродильними мікроорганізмами, що призводить до прискорення швидкості бродіння.
• Руйнування клітин: Ультразвукові апарати добре відомі своєю ефективністю лізису та екстракції клітин. Під час ферментації їжі ультразвукові апарати руйнують клітинні стінки мікроорганізмів, вивільняючи внутрішньоклітинні ферменти та метаболіти, які можуть додатково каталізувати реакції бродіння. Це порушення посилює вивільнення смакових сполук, вітамінів та органічних кислот з мікробних клітин, сприяючи складності смаку та насиченості поживними речовинами ферментованого продукту. В обліпиховій чайному грибі ультразвукового бродіння можна виміряти значно більшу фракцію фенольних сполук. (пор. Дорнан та ін., 2020)
• Підготовка багатих поживними речовинами субстратів для бродіння: Ультразвукова екстракція допомагає приготувати субстрат для бродіння, який забезпечує багато поживних речовин у доступній формі для перетравлення мікроорганізмів. Це означає, що в субстратах для ферментації, оброблених ультразвуком (наприклад, фруктових та овочевих пюре) біологічно активні сполуки, такі як крохмаль і цукор, вивільняються з внутрішньоклітинного матриксу рослинних клітин. Мікроби можуть охоче харчуватися субстратом, що прискорює і скорочує процес бродіння. Те ж саме стосується поліфенолів, флавоноїдів і вітамінів, які вивільняються з внутрішньоклітинних матриць і сприяють загальній поживній цінності ферментованої їжі або напоїв.
• Посилена активність ферментів: Ультразвук активізує або підсилює активність деяких ферментів, що беруть участь в процесах бродіння. Наприклад, він підвищує активність целюлази та амілази, ферментів, що мають вирішальне значення для розщеплення складних вуглеводів на простіші цукри, які потім ферментуються мікроорганізмами, присутніми в культурі чайного гриба.
• Покращена однорідність: Оскільки сили ультразвуку завжди призводять до змішування та змішування, ультразвукова обробка забезпечує кращу гомогенізацію ферментаційної суміші, що призводить до рівномірного розподілу поживних речовин та мікроорганізмів по всьому середовищу. Ця однорідність сприяє послідовній кінетиці ферментації та виробництву високоякісного продукту комбучі з бажаними сенсорними атрибутами.

Ультразвукова стимуляція росту мікроорганізмів найбільш ефективна при застосуванні ультразвуку перед ферментацією або в фазах лаг і логарифмічних.

Приклад з практики: Ультразвукова стимуляція бродіння яблучного соку

Дослідження показали, що ультразвукова обробка на лагових і логарифмічних фазах під час бродіння яблучного соку сприяла росту мікроорганізмів і посилювала біотрансформацію яблучної кислоти в молочну. Наприклад, після ультразвукового дослідження у фазі затримки протягом 0,5 год кількість мікроорганізмів та вміст молочної кислоти в зразках, оброблених ультразвуком, при 58,3 Вт/л досягали 7,91 ± 0,01 Log КУО/мл та 133,70 ± 7,39 мг/л, що було значно вище, ніж у неультразвукових зразках. Крім того, ультразвук на лаговій та логарифмічній фазах мав комплексний вплив на метаболізм яблучних фенолів, таких як хлорогенова кислота, кавова кислота, проціанідин В2, катехін та галова кислота. Ультразвук може позитивно впливати на гідроліз хлорогенової кислоти до кавової, перетворення проціанідину В2 і декарбоксилювання галової кислоти. Метаболізм органічних кислот і вільних амінокислот в ультразвукових зразках статистично корелював з фенольним метаболізмом, що означає, що ультразвук може принести користь фенольному отриманню шляхом поліпшення мікробного метаболізму органічних кислот і амінокислот. (пор. Wang et al., 2021)

Приклад з практики: Ультразвуково покращене бродіння соєвого молока

Дослідницька група Ewe et al. (2012) досліджувала вплив ультразвуку на метаболічну ефективність штамів лактобактерій (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) під час бродіння соєвого молока. Було помічено, що ультразвукова обробка проникає в клітинні мембрани бактерій. Проникнення клітинних мембран призвело до покращення інтерналізації поживних речовин і подальшого посилення росту (Р ≺ 0,05). Вищі амплітуди та довші тривалості ультразвукового лікування сприяли зростанню лактобактерій у соєвому молоці, життєздатні показники яких перевищували 9 log КУО/мл. Внутрішньоклітинна та позаклітинна β-глюкозидазна специфічна активність лактобактерій також була посилена (Р ≺ 0,05) за допомогою ультразвуку, що призвело до підвищення біоперетворення ізофлавонів у соєвому молоці, зокрема геністину та малонілгеністину на геністеїн. Результати цього дослідження показують, що ультразвукове лікування клітин лактобактерій сприяє (Р ≺ 0,05) активності β-глюкозидази клітин на користь посиленої (Р ≺ 0,05) біоперетворення ізофлавонглюкозидів в біологічно активні аглікони в соєвому молоці. (пор. Еве та ін., 2012)

Скануючі електронні мікрофотографії лактобактерій без лікування (А) і лактобактерій, оброблених ультразвуком з амплітудою 60% протягом 3 хв (В). Кола, що показують розірвані клітини і клітини з порами.
(Дослідження та зображення: ©Ewe et al., 2012)

Екстракція поживних сполук та ароматизаторів у комбучі та ферментованих напоях

Ферментований чай, сік та овочеві напої, наприклад, ферментований яблучний або шовковичний сік або комбуча з фруктами, значно покращують смак та поживні речовини від ультразвукової терапії. Ультразвукові хвилі руйнують клітинні структури рослинної сировини та вивільняють внутрішньоклітинні сполуки, такі як ароматизатори, поліфеноли, антиоксиданти та флавоноїди. У той же час ультразвукова гомогенізація забезпечує рівномірно дисперсний та емульгований напій, запобігаючи розділенню фаз і пропонуючи привабливий зовнішній вигляд для споживачів. Нижче ви можете побачити приклад обробленого ультразвуком чайного гриба з обліпихою без поділу фаз в порівнянні з необробленим варіантом.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий смак та екстракцію поживних речовин!

Приклад з практики: Комбуча, консервована ультразвуком

Лікування ультразвуком може впливати на мікроби, стимулюючи або інактивуючи їх. Також на ферменти впливає ультразвук: ультразвук може змінювати характеристики ферментів, субстратів та їх реакцій. Ці ефекти низькочастотного ультразвуку використовуються в харчовій промисловості як нетермічна альтернатива пастеризації їжі та напоїв. Перевага ультразвуку полягає в точному контролі параметрів процесу, таких як амплітуда, час, температура та тиск, що дозволяє цілеспрямовано інактивувати мікроорганізми. Інактивація мікробного навантаження в комбучі та ферментованих напоях дозволяє збільшити термін зберігання та стабільність продукту. Зменшення кількості мікробів і ферментів полегшує комерційну дистрибуцію завдяки тривалому терміну придатності кінцевого продукту. Ультразвук – це нетермічний метод пастеризації, який використовується вже в комерційній переробці харчових продуктів, наприклад, при пастеризації соків. Особливо при великих амплітудах ультразвук інактивує бактерії та дріжджі, пошкоджуючи клітинні стінки. Це призводить до уповільнення або зупинки росту мікробів. Наприклад, Kwaw et al. (2018) досліджували ультразвукову стратегію як стратегію нетермічної пастеризації соку шовковиці, ферментованого молочною кислотою. Ферментований сік шовковиці, оброблений ультразвуком, мав вищий вміст фенольних сполук (1700,07 ± 2,44 мкг/мл), ніж контрольний, необроблений ферментований сік шовковиці. «Серед індивідуальних нетермічних процедур ультразвук викликав значну (р < 0.05) підвищення фенольних та антиоксидантних властивостей соку шовковиці, збродженого молочною кислотою, порівняно з обробкою імпульсним світлом. (Kwaw та ін., 2018) Незважаючи на те, що комбуча є напоєм, відомим своїми культурами життя, для продовження терміну придатності комерційно розповсюджуваних напоїв комбучі можна використовувати контрольоване зменшення кількості мікробів.
Регулярна термічна пастеризація вбиває всі живі дріжджі та бактерії, які зазвичай присутні в комбучі та є одним з основних факторів її оздоровчого впливу. Ультразвукова пастеризація – це метод нетермічного консервування, який може бути використаний як для зменшення кількості мікроорганізмів, так і для повного знищення мікроорганізмів. Це означає, що комерційні виробники можуть застосовувати ультразвук з меншою амплітудою і протягом коротших періодів, щоб знизити кількість бактерій і дріжджів без повного видалення. Таким чином, життєві культури все ще присутні в чайному грибі, хоча і в меншій кількості, що дозволяє скоротити термін придатності та час зберігання.

Науково доведені результати в ультразвуковій обробці чайного гриба

Dornan et al. (2020) досліджували вплив низькочастотного ультразвуку на комбучу, виготовлену з ягід обліпихи за допомогою сонікатора UIP500hdT. Дослідницька група змогла продемонструвати численні сприятливі ефекти ультразвуку на препарат з ягід обліпихи та подальшу ферментацію комбучі.

Ультразвукова екстракція ягід обліпихи

Соніка зі свіжих цілих ягід обліпихи (також відомої як санддорна; H. rhamnoides cv. Sunny) пюрируювали за допомогою блендера Vitamix протягом 2 хв. Був доданий і змішаний об'єм dH2O, що дорівнював 30% від початкового об'єму пюре. Ультразвук (90 Вт, 20 кГц, 10 хв) застосовували на 200 мл розведеного пюре за допомогою ультразвукового процесора UIP500hdT (див. малюнок ліворуч). Час обробки було обрано з урахуванням оптимізації поживних речовин та підтримки зразка у свіжому стані. Результати ультразвукової екстракції демонструють достовірне (Р ≺ 0,05) збільшення на 10% виходу екстракції з пульпи (з 19,04 ± 0,08 до 20,97 ± 0,29%) і на 7% для насіння (з 14,81 ± 0,08 до 15,83 ± 0,28%). Таке збільшення виходу олії підкреслює функціональність ультразвуку як ефективної та екологічної технології для максимізації вартості сировини. Ультразвукова екстракція з ягід обліпихи дозволила підвищити вихід олії та скоротити час обробки, енергоспоживання та уникнути використання небезпечних розчинників.

Приклад з практики: Ультразвукова гомогенізація чайного гриба з ягід обліпихи

Оброблена ультразвуком обліпихова (санддорна) ягідна комбуча показала значно покращену стабільність продукту. До 21 дня зберігання ультразвукова ягода чайного гриба залишалася однорідною. Той факт, що в ультразвуковому ягідному чайному грибі не спостерігалося синерезису протягом усього дослідження (21 день, див. малюнок нижче), показує, що лише ультразвук є ефективним методом емульгування, здатним забезпечити стабільність продукту та запобігти розділенню фаз.

Пюре з обліпихи (Р) без та з ультразвуковою терапією (Р+УЗД) на 0 та 21 день.
Дослідження та фото: ©Dornan et al., 2020.

Ультразвук для зупинки бродіння

Було виготовлено чотири зразки чайного гриба: K (чайний гриб), K+US (комбуча + ультразвук), K+S (комбуча + сахароза) та K+S+US (комбуча + сахароза + ультразвук). Всі зразки були приготовлені з використанням 200 мл пюре з обліпихи (P) або P+US і 12,5 г SCOBY. К складався з П і СКОБІ. K+US складалася з P+US та SCOBY. К+С складався з Р, 15,0 г сахарози та SCOBY. K+S+US складалися з P+US, 15,0 г сахарози та SCOBY. Всі зразки залишали бродити в темному місці при кімнатній температурі на п'ять днів. Друга процедура ультразвуку (90 Вт, 20 кГц, 10 хв) була застосована до K+US та K+S+US, щоб зупинити бродіння на 5-й день.

Ультразвуковий консервуючий вплив на чайний гриб

У чайного гриба обліпихи ультразвукове дослідження знижувало початкове мікробне навантаження на 2,6 log КУО/мл, тим самим зупиняючи процес бродіння в обраний час, щоб запобігти надмірному бродінням. Крім того, контрольоване зменшення мікроорганізмів допомагає збільшити термін зберігання та стабільність кінцевого продукту, що полегшує комерційне розповсюдження чайного гриба.
Дізнайтеся більше про ультразвук як нетермічний метод пастеризації соків!

Загальні результати комбучі з ультразвуковою обробкою

Ультразвукове дослідження знижувало початкове мікробне навантаження на 2,6 log КУО/мл, збільшувало значення ORAC на 3% та підвищувало індекс розчинності у воді (WSI) на 40% (з 6,64 до 9,29 г/г) без синерезису. Результати цього дослідження свідчать про те, що застосування ультразвуку може посилити фенольну функціональність під час ферментації і здатне зниження синерезису, збільшення виходу олії, зниження мікробного навантаження та збільшення ORAC з мінімальною втратою поживних якостей. (пор. Дорнан та ін., 2020)

Ультразвукове обладнання для покращеного заварювання чайного гриба

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високоефективні ультразвукові апарати, ультразвукові біореактори та аксесуари для покращення процесів ферментації, екстракції та пастеризації, що використовуються в харчових продуктах & виробництво напоїв. Ультразвукові системи обробки харчових продуктів Hielscher використовуються для різноманітних застосувань, будучи безпечною, надійною та економічно ефективною технологією для виробництва високоякісних харчових продуктів та напоїв. Установка і експлуатація всіх ультразвукових процесорів Hielscher прості: вони вимагають зовсім невеликого простору, можуть бути легко модернізовані в існуючі обробні приміщення.
Hielscher Ultrasonics має багаторічний досвід у застосуванні силового ультразвуку в харчових продуктах & промисловості напоїв, а також багатьох інших галузей промисловості. Наші ультразвукові процесори оснащені простими в очищенні (чистий на місці CIP / стерилізований на місці SIP) сонотродами і проточними комірками (мокрі частини). Ультразвук Hielscher’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Точна настройка амплітуд і можливість перемикання між низькими і високими амплітудами важливі для стимуляції або інактивації мікроорганізмів. Таким чином, один і той же ультразвуковий апарат може бути використаний або для стимуляції мікробів, що посилюють бродіння, або для інактивації мікроорганізмів для пастеризації.
Найсучасніші технології, висока продуктивність і складне програмне забезпечення роблять Hielscher Ultrasonics’ Надійні робочі коні в процесі ферментації їжі. Завдяки невеликій площі та універсальним можливостям установки, ультразвукові апарати Hielscher можна легко інтегрувати або модернізувати в існуючі виробничі лінії.

Стандартизація процесів за допомогою Hielscher Ultrasonics

Харчова продукція повинна вироблятися відповідно до належної виробничої практики (GMP) і відповідно до стандартизованих специфікацій обробки. Цифрові системи екстракції Hielscher Ultrasonics оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням, що дозволяє легко встановлювати та точно контролювати процес ультразвукового випромінювання. Автоматичний запис даних записує всі параметри ультразвукового процесу, такі як енергія ультразвуку (загальна і чиста енергія), амплітуда, температура, тиск (при встановленні датчиків температури і тиску) з позначкою дати і часу на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглядати кожну оброблену ультразвуком партію . При цьому забезпечується відтворюваність і незмінно висока якість продукції.
Hielscher Ultrasonics’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах.
Будь ласка, зв'яжіться з нами, щоб дізнатися більше про особливості та можливості наших систем ультразвукової пастеризації. Будемо раді обговорити з Вами Вашу заявку!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: