Lên men Kombucha được cải thiện bằng siêu âm

Sonication thúc đẩy quá trình lên men trong thực phẩm lên men siêu âm như kombucha, kim chi và các loại rau lên men khác bằng cách tăng cường chuyển khối lượng, phá vỡ các tế bào vi sinh vật, kích hoạt enzyme và cải thiện tính đồng nhất, cuối cùng dẫn đến tốc độ lên men tăng tốc và sản xuất một sản phẩm chất lượng cao. Sonication bắt đầu những thay đổi có lợi trong các hợp chất hoạt tính sinh học trong quá trình lên men lactic, làm tăng hàm lượng các hợp chất dinh dưỡng và hóa chất thực vật.

Kombucha và đồ uống lên men

Kombucha được sản xuất bằng cách lên men trà có đường bằng cách sử dụng "Nuôi cấy cộng sinh vi khuẩn và nấm men" (SCOBY), còn thường được gọi là "mẹ” hoặc "nấm trà”. Sự đa dạng và tỷ lệ của quần thể vi sinh vật trong SCOBY có thể thay đổi khá đáng kể. Thành phần nấm men thường bao gồm Saccharomyces cerevisiae, cùng với các loài Zygosaccharomyces, Candida, Kloeckera / Hanseniaspora, Torulaspora, Pichia, Brettanomyces/Dekkera, Saccharomyces, Lachancea, Saccharomycoides, Schizosaccharomyces, và Kluyveromyces; thành phần vi khuẩn hầu như luôn bao gồm Komagataeibacter xylinus (trước đây là Gluconacetobacter xylinus), lên men rượu do nấm men sản xuất thành axit axetic và các axit khác, làm tăng độ axit và hạn chế hàm lượng ethanol.
Tương tự, các loại đồ uống lên men khác như nước ép trái cây và rau quả lên men được tiêm vi khuẩn và nấm men.
Điều trị bằng siêu âm có thể cải thiện hiệu quả lên men và các tính năng chất lượng của đồ uống lên men bao gồm hàm lượng chất dinh dưỡng và hương vị.

Lên men Kombucha tăng cường siêu âm

Sóng siêu âm nổi tiếng để kích thích sự phát triển của vi khuẩn và nấm men. Do đó, một sonication nhẹ có kiểm soát của nuôi cấy kombucha (SCOBY, còn được gọi là nấm trà, nấm trà hoặc nấm Mãn Châu) do đó có thể thúc đẩy quá trình lên men và dẫn đến năng suất kombucha cao hơn trong thời gian lên men nhanh.
Lên men kích thích siêu âm cho thấy tăng cường thấm màng và do đó tăng chuyển khối lượng. Việc xử lý sonomechanical bằng sóng siêu âm làm thủng thành tế bào và màng plasma của vi sinh vật (một quá trình gọi là sonoporation). Một số tế bào thậm chí có thể bị vỡ. Những tế bào bị gián đoạn này giải phóng các yếu tố thúc đẩy tăng trưởng như vitamin, nucleotide, axit amin và enzyme có thể kích thích sự phát triển của vi khuẩn còn nguyên vẹn về mặt tế bào cũng như màng bị tổn thương.
Điều trị siêu âm lên men trước cũng như trong giai đoạn trễ và nhật ký cho thấy tác dụng nổi bật nhất đối với kích thích tăng trưởng của vi khuẩn.

Lợi ích của sonication trên quá trình lên men Kombucha

Làm thế nào để siêu âm thúc đẩy quá trình lên men và giúp sản xuất kombucha tốt hơn, lên men rau, koji, vv? Sonication làm tăng quá trình lên men theo nhiều cách, được chứng minh dưới đây trong bối cảnh kombucha lên men. Kombucha là một loại đồ uống lên men truyền thống được làm bằng trà ngọt và nuôi cấy cộng sinh vi khuẩn và nấm men (SCOBY). Trái cây xay nhuyễn pha loãng cung cấp một cơ sở giàu chất dinh dưỡng, hương vị để sản xuất kombucha. Dưới đây, bạn sẽ tìm hiểu làm thế nào ultrasonication thúc đẩy việc sản xuất một

• Tăng chuyển khối lượng: Sóng siêu âm tạo ra bong bóng xâm thực siêu nhỏ trong chất lỏng, dẫn đến sự hình thành của microstreaming, máy bay phản lực chất lỏng và nhiễu loạn. Sự khuấy trộn này giúp tăng cường chuyển khối lượng bằng cách tăng sự tiếp xúc giữa các vi sinh vật chịu trách nhiệm lên men và các chất dinh dưỡng trong môi trường. Kết quả là, các chất dinh dưỡng được hấp thụ hiệu quả hơn bởi các vi sinh vật lên men, dẫn đến tốc độ lên men tăng tốc.
• Phá vỡ tế bào: Sonicators nổi tiếng với hiệu quả ly giải và chiết xuất tế bào. Trong quá trình lên men thực phẩm, sonicators phá vỡ thành tế bào vi sinh vật, giải phóng các enzyme nội bào và chất chuyển hóa có thể xúc tác thêm cho các phản ứng lên men. Sự gián đoạn này giúp tăng cường giải phóng các hợp chất hương vị, vitamin và axit hữu cơ từ các tế bào vi sinh vật, góp phần vào sự phức tạp về hương vị và sự phong phú về chất dinh dưỡng của sản phẩm lên men. Trong kombucha seabuckthorn lên men ultrasonically, một phần cao hơn đáng kể của các hợp chất phenolic có thể được đo. (xem Dornan và cộng sự, 2020)
• Chuẩn bị chất nền lên men giàu chất dinh dưỡng: Khai thác siêu âm giúp chuẩn bị một chất nền lên men cung cấp nhiều chất dinh dưỡng ở dạng có sẵn cho tiêu hóa vi sinh vật. Điều này có nghĩa là trong chất nền lên men được xử lý bằng siêu âm (ví dụ như trái cây và rau quả xay nhuyễn) các hợp chất hoạt tính sinh học như tinh bột và đường được giải phóng khỏi ma trận nội bào của tế bào thực vật. Vi khuẩn có thể dễ dàng ăn chất nền, giúp tăng tốc và rút ngắn quá trình lên men. Điều tương tự cũng xảy ra với polyphenol, flavonoid và vitamin, được giải phóng từ ma trận nội bào và góp phần vào giá trị dinh dưỡng tổng thể của thực phẩm hoặc đồ uống lên men.
• Tăng cường hoạt động của enzyme: Sonication kích hoạt hoặc tăng cường hoạt động của một số enzyme liên quan đến quá trình lên men. Ví dụ, nó làm tăng hoạt động của cellulase và amylase, các enzyme quan trọng để phá vỡ carbohydrate phức tạp thành các loại đường đơn giản hơn, sau đó được lên men bởi các vi sinh vật có trong nuôi cấy kombucha.
• Cải thiện tính đồng nhất: Như sonication lực lượng kết quả luôn luôn trong trộn và pha trộn, điều trị siêu âm đảm bảo đồng nhất tốt hơn của hỗn hợp lên men, dẫn đến phân phối đồng đều các chất dinh dưỡng và vi sinh vật trong toàn bộ môi trường. Tính đồng nhất này thúc đẩy động học lên men nhất quán và sản xuất một sản phẩm kombucha chất lượng cao với các thuộc tính cảm giác mong muốn.

Kích thích siêu âm sự phát triển của vi sinh vật có hiệu quả nhất khi siêu âm được áp dụng lên men trước hoặc trong giai đoạn trễ và log.

Nghiên cứu điển hình: Kích thích siêu âm của quá trình lên men nước ép táo

Nghiên cứu cho thấy điều trị siêu âm ở giai đoạn trễ và logarit trong quá trình lên men nước táo thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật và tăng cường biến đổi sinh học của axit malic thành axit lactic. Ví dụ, sau khi sonication ở giai đoạn trễ trong 0,5 giờ, số lượng vi khuẩn và hàm lượng axit lactic trong các mẫu được xử lý siêu âm ở 58,3 W / L đạt 7,91 ± 0,01 Log CFU / mL và 133,70 ± 7,39 mg / L, cao hơn đáng kể so với các mẫu không sonicated. Hơn nữa, ultrasonication ở giai đoạn lag và logarit có ảnh hưởng phức tạp đến sự trao đổi chất của phenolics táo như axit chlorogenic, axit caffeic, procyanidin B2, catechin và axit gallic. Siêu âm có thể ảnh hưởng tích cực đến quá trình thủy phân axit chlorogenic thành axit caffeic, sự biến đổi procyanidin B2 và decarboxyl hóa axit gallic. Sự trao đổi chất của axit hữu cơ và axit amin tự do trong các mẫu sonicated có tương quan thống kê với chuyển hóa phenolic, ngụ ý rằng siêu âm có thể có lợi cho dẫn xuất phenolic bằng cách cải thiện sự chuyển hóa vi sinh vật của axit hữu cơ và axit amin. (xem Wang và cộng sự, 2021)

Nghiên cứu điển hình: Ultrasonically cải thiện lên men sữa đậu nành

Nhóm nghiên cứu của Ewe et al. (2012) đã điều tra ảnh hưởng của siêu âm đối với hiệu quả trao đổi chất của các chủng lactobacilli (Lactobacillus acidophilus BT 1088, L. fermentum BT 8219, L. acidophilus FTDC 8633, L. gasseri FTDC 8131) trong quá trình lên men sữa đậu nành. Nó đã được quan sát thấy rằng điều trị siêu âm thấm vào màng tế bào của vi khuẩn. Các màng tế bào thấm dẫn đến sự nội hóa chất dinh dưỡng được cải thiện và tăng cường tăng trưởng tiếp theo (P ≺ 0,05). Biên độ cao hơn và thời gian điều trị sonication dài hơn thúc đẩy sự phát triển của lactobacilli trong sữa đậu nành, với số lượng khả thi vượt quá 9 log CFU / mL. Các hoạt động cụ thể β-glucosidase nội bào và ngoại bào của lactobacilli cũng được tăng cường (P ≺ 0,05) bằng siêu âm, dẫn đến tăng chuyển đổi sinh học của isoflavone trong sữa đậu nành, đặc biệt là genistin và malonyl genistin thành genistein. Kết quả từ nghiên cứu này cho thấy điều trị siêu âm trên các tế bào lactobacilli thúc đẩy (P ≺ 0,05) hoạt động β-glucosidase của các tế bào vì lợi ích của việc tăng cường (P ≺ 0,05) isoflavone glucoside chuyển đổi sinh học thành aglycone hoạt tính sinh học trong sữa đậu nành. (xem Ewe và cộng sự, 2012)

Quét kính hiển vi điện tử của lactobacilli mà không cần điều trị (A) và lactobacilli được điều trị bằng siêu âm ở biên độ 60% trong 3 phút (B). Vòng tròn cho thấy các tế bào bị vỡ và các tế bào có lỗ chân lông.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Ewe et al., 2012)

Chiết xuất các hợp chất dinh dưỡng và hương vị trong kombucha và đồ uống lên men

Trà, nước trái cây và đồ uống rau lên men, ví dụ như nước ép táo hoặc dâu tằm lên men hoặc kombucha ngâm trái cây, có lợi đáng kể về hương vị và chất dinh dưỡng từ điều trị siêu âm. Các sóng siêu âm phá vỡ cấu trúc tế bào của nguyên liệu thực vật và giải phóng các hợp chất nội bào như hương vị, polyphenol, chất chống oxy hóa và flavonoid. Đồng thời, đồng nhất siêu âm cung cấp một loại đồ uống phân tán và nhũ hóa đồng đều ngăn chặn sự tách pha và mang lại vẻ ngoài hấp dẫn cho người tiêu dùng. Bạn có thể thấy một ví dụ về một quả hắc mai biển được xử lý bằng siêu âm berry kombucha mà không tách pha so với phiên bản không được xử lý dưới đây.
Đọc thêm về hương vị siêu âm và khai thác chất dinh dưỡng!

Nghiên cứu điển hình: Kombucha được bảo quản bằng siêu âm

Điều trị siêu âm có thể ảnh hưởng đến vi khuẩn bằng cách kích thích hoặc bất hoạt chúng. Ngoài ra các enzyme bị ảnh hưởng bởi sonication: Siêu âm có thể thay đổi đặc tính của enzyme, chất nền và phản ứng của chúng. Những hiệu ứng của siêu âm tần số thấp được sử dụng trong chế biến thực phẩm như là một thay thế không nhiệt để thanh trùng thực phẩm và đồ uống. Sonication cung cấp lợi thế của việc kiểm soát chính xác các thông số quá trình như biên độ, thời gian, nhiệt độ và áp suất, cho phép bất hoạt mục tiêu của vi sinh vật. Việc bất hoạt tải lượng vi sinh vật trong kombucha và đồ uống lên men cho phép tăng thời hạn sử dụng và tính ổn định của sản phẩm. Việc giảm vi khuẩn và enzyme tạo điều kiện phân phối thương mại do thời hạn sử dụng kéo dài của sản phẩm cuối cùng. Ultrasonication là một phương pháp thanh trùng không nhiệt, được sử dụng đã được sử dụng trong chế biến thực phẩm thương mại như thanh trùng nước ép. Đặc biệt là ở biên độ cao hơn, siêu âm làm bất hoạt vi khuẩn và nấm men bằng cách làm hỏng thành tế bào. Điều này dẫn đến sự phát triển của vi sinh vật chậm hơn hoặc ngừng hoạt động. Ví dụ, Kwaw et al. (2018) đã điều tra siêu âm như chiến lược thanh trùng không nhiệt cho nước ép dâu lên men axit lactic. Nước ép dâu tằm lên men được xử lý bằng siêu âm có hàm lượng hợp chất phenolic cao hơn (1700,07 ± 2,44 μg / mL) so với đối chứng, một loại nước ép dâu lên men chưa được xử lý. "Trong số các phương pháp điều trị không nhiệt cá nhân, siêu âm gây ra một đáng kể (p < 0.05) upsurge in the phenolic and antioxidant properties of the lactic acid-fermented mulberry juice compared to the pulsed light treatment.” (Kwaw et al., 2018) Trong khi kombucha là một loại đồ uống được biết đến với nền văn hóa cuộc sống của nó, việc giảm vi khuẩn có kiểm soát có thể được sử dụng để kéo dài thời hạn sử dụng của đồ uống kombucha được phân phối thương mại.
Thanh trùng nhiệt thường xuyên giết chết tất cả các loại nấm men và vi khuẩn sống thường có trong kombucha và là một trong những yếu tố chính cho tác dụng tăng cường sức khỏe của nó. Thanh trùng siêu âm là một phương pháp bảo quản không nhiệt, có thể được sử dụng để giảm số lượng vi sinh vật hoặc loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất thương mại có thể áp dụng siêu âm ở biên độ thấp hơn và trong thời gian ngắn hơn để giảm số lượng vi khuẩn và nấm men mà không cần loại bỏ hoàn toàn. Qua đó, văn hóa sống vẫn còn hiện diện trong kombucha, mặc dù với số lượng thấp hơn để thời hạn sử dụng và thời gian lưu trữ được cải thiện.

Kết quả đã được khoa học chứng minh trong Kombucha được điều trị bằng siêu âm

Dornan et al. (2020) đã điều tra tác động của siêu âm tần số thấp đối với kombucha được làm bằng quả hắc mai biển bằng cách sử dụng sonicator UIP500hdT. Nhóm nghiên cứu có thể chứng minh nhiều tác dụng có lợi của ultrasonication trên việc chuẩn bị quả hắc mai biển và lên men kombucha sau đó.

Siêu âm Sea Buckthorn Berry khai thác

Sonication của quả hắc mai biển tươi nguyên chất (còn được gọi là sanddorne; H. rhamnoides cv. Sunny) được xay nhuyễn bằng máy xay sinh tố Vitamix trong 2 phút. Một thể tích dH2O bằng 30% thể tích xay nhuyễn ban đầu đã được thêm vào và pha trộn. Siêu âm (90 W, 20 kHz, 10 phút) đã được áp dụng cho 200 mL xay nhuyễn pha loãng bằng bộ xử lý siêu âm UIP500hdT (xem hình bên trái). Thời gian điều trị được chọn để tối ưu hóa các chất dinh dưỡng và duy trì mẫu ở trạng thái tươi. Kết quả khai thác siêu âm cho thấy một sự gia tăng đáng kể (P ≺ 0, 05) bởi 10% năng suất khai thác từ bột giấy (từ 19,04 ± 0,08 đến 20,97 ± 0,29%) và 7% cho hạt giống (từ 14,81 ± 0,08 đến 15,83 ± 0,28%). Sự gia tăng sản lượng dầu này làm nổi bật chức năng của sonication như một công nghệ xanh và hiệu quả để tối đa hóa giá trị nguyên liệu thô. Khai thác siêu âm từ quả hắc mai biển dẫn đến năng suất dầu cao hơn và giảm thời gian xử lý, tiêu thụ điện năng và tránh các dung môi nguy hiểm.

Nghiên cứu điển hình: Siêu âm Homogenization của Sea Buckthorn Berry Kombucha

Các kombucha berry hắc mai biển được xử lý bằng siêu âm (sanddorne) cho thấy sự ổn định được cải thiện đáng kể của sản phẩm. Đến ngày thứ 21 của việc lưu trữ, kombucha berry sonicated vẫn đồng nhất. Thực tế là không có sự hiệp đồng nào được quan sát thấy trong kombucha berry sonicated trong toàn bộ nghiên cứu (21 ngày, xem hình dưới đây) cho thấy siêu âm một mình là một kỹ thuật nhũ tương hóa hiệu quả có thể tạo ra sự ổn định của sản phẩm và ngăn ngừa tách pha.

Seabuckthorn xay nhuyễn (P) không có và với điều trị siêu âm (P + US) vào ngày 0 và 21.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Dornan et al., 2020.

Ultrasonication để ngăn chặn quá trình lên men

Bốn mẫu kombucha đã được tạo ra: K (kombucha), K + US (kombucha + siêu âm), K + S (kombucha + sucrose) và K + S + US (kombucha + sucrose + siêu âm). Tất cả các mẫu được chuẩn bị bằng cách sử dụng 200 ml hắc mai biển xay nhuyễn (P) hoặc P + US và 12,5 g SCOBY. K bao gồm P và SCOBY. K+US bao gồm P+US và SCOBY. K+S bao gồm P, 15,0 g sucrose và SCOBY. K+S+US bao gồm P+US, 15,0 g sucrose và SCOBY. Tất cả các mẫu được để lên men trong một nơi tối tăm ở nhiệt độ phòng trong năm ngày. Một xử lý sonication thứ hai (90 W, 20 kHz, 10 phút) đã được áp dụng cho K + US và K + S + US để ngăn chặn quá trình lên men vào ngày thứ 5.

Tác dụng bảo quản siêu âm trên Kombucha

Trong kombucha hắc mai biển, sonication làm giảm tải lượng vi sinh vật ban đầu bằng 2,6 log CFU / mL, do đó tạm dừng quá trình lên men tại một thời điểm được lựa chọn để ngăn chặn quá trình lên men. Hơn nữa, việc giảm vi sinh vật được kiểm soát giúp tăng thời hạn sử dụng và tính ổn định của sản phẩm cuối cùng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối kombucha thương mại.
Đọc thêm về ultrasonication như phương pháp thanh trùng nước trái cây không nhiệt!

Kết quả tổng thể trong Ultrasonically điều trị Kombucha

Ultrasonication giảm tải lượng vi sinh vật ban đầu bằng 2,6 log CFU / mL, tăng giá trị ORAC bằng 3% và tăng chỉ số hòa tan trong nước (WSI) bằng 40% (từ 6,64 đến 9,29 g / g) mà không cần syneresis. Kết quả từ nghiên cứu này cho thấy rằng ứng dụng của ultrasonication có thể tăng cường chức năng phenolic trong quá trình lên men và có khả năng giảm sức mạnh tổng hợp, tăng năng suất dầu, giảm tải lượng vi sinh vật và tăng ORAC với sự mất chất lượng dinh dưỡng tối thiểu. (xem Dornan và cộng sự, 2020)

Thiết bị siêu âm để cải thiện sản xuất bia Kombucha

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối ultrasonicators hiệu suất cao, lò phản ứng sinh học siêu âm và phụ kiện để cải thiện quá trình lên men, khai thác, và thanh trùng được sử dụng trong thực phẩm & sản xuất đồ uống. Hệ thống chế biến thực phẩm siêu âm Hielscher được sử dụng cho các ứng dụng đa dạng là một công nghệ an toàn, đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí để sản xuất thực phẩm và đồ uống chất lượng cao. Cài đặt và hoạt động của tất cả các bộ vi xử lý siêu âm Hielscher rất đơn giản: Chúng chỉ đòi hỏi ít không gian, có thể dễ dàng trang bị thêm vào các cơ sở chế biến hiện có.
Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm trong việc ứng dụng siêu âm công suất trong thực phẩm & ngành nước giải khát cũng như nhiều ngành công nghiệp khác. Bộ xử lý siêu âm của chúng tôi được trang bị sonotrodes và tế bào dòng chảy (các bộ phận ướt) dễ làm sạch (CIP làm sạch tại chỗ / khử trùng tại chỗ SIP). Siêu âm Hielscher’ Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Việc điều chỉnh chính xác biên độ và tùy chọn chuyển đổi giữa biên độ thấp và cao là rất quan trọng để kích thích hoặc bất hoạt vi sinh vật. Qua đó, cùng một ultrasonicator có thể được sử dụng để kích thích vi khuẩn tăng lên men hoặc bất hoạt vi sinh vật để thanh trùng.
Công nghệ hiện đại, hiệu suất cao và phần mềm tinh vi tạo nên Hielscher Ultrasonics’ Ngựa làm việc đáng tin cậy trong quá trình lên men thực phẩm của bạn. Với một dấu chân nhỏ và các tùy chọn cài đặt linh hoạt, Hielscher ultrasonicators có thể dễ dàng tích hợp hoặc retro-trang bị vào dây chuyền sản xuất hiện có.

Tiêu chuẩn hóa quá trình với Hielscher Ultrasonics

Các sản phẩm cấp thực phẩm phải được sản xuất theo Thực hành sản xuất tốt (GMP) và theo các thông số kỹ thuật chế biến được tiêu chuẩn hóa. Hệ thống chiết xuất kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonic đi kèm với phần mềm thông minh, giúp dễ dàng thiết lập và kiểm soát quá trình siêu âm một cách chính xác. Ghi dữ liệu tự động ghi tất cả các thông số quá trình siêu âm như năng lượng siêu âm (tổng năng lượng và năng lượng ròng), biên độ, nhiệt độ, áp suất (khi cảm biến nhiệt độ và áp suất được gắn) với ngày và giờ stamp trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi từng lô được xử lý siêu âm. Đồng thời, khả năng tái tạo và chất lượng sản phẩm cao liên tục được đảm bảo.
Hielscher Siêu âm’ Bộ xử lý siêu âm công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Vui lòng liên hệ với chúng tôi để biết thêm về các tính năng và khả năng của hệ thống thanh trùng siêu âm của chúng tôi. Chúng tôi rất vui khi được thảo luận về đơn đăng ký của bạn với bạn!

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: