تصنيع المالت بالموجات فوق الصوتية وإنبات حبوب المالت
- تصنيع المالت عملية تستغرق وقتًا طويلًا: فنقع بذور الحبوب وترطيبها يستغرقان الكثير من الوقت، وتكون النتائج في معظم الأحيان غير متجانسة.
- يمكن تحسين سرعة إنبات الشعير ومعدله ومردوده بدرجة كبيرة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
إنتاج المالت
يُستخدم المالت / الحبوب المملّتة على نطاق واسع لصنع البيرة والويسكي والمشروبات المخفوقة بالمالت وخل المالت، وكذلك بوصفه مضافًا غذائيًا. أثناء عملية تصنيع المالت، تُنقع الحبوب المجففة (مثل الشعير) في الماء لبدء الإنبات. وأثناء الإنبات، تتحرر الإنزيمات الموجودة، وتُنتَج إنزيمات جديدة، وتتفكك جدران خلايا السويداء لتحرير محتوياتها الخلوية، وكذلك لتحليل بعض البروتين المخزن إلى أحماض أمينية. وعند بلوغ درجة معينة من الإنبات، تُوقَف عملية الإنبات بالتجفيف. يؤدي تصنيع المالت من الحبوب إلى تكوّن الإنزيمات – وهي α-أميلاز وβ-أميلاز – اللازمة لتحويل نشويات الحبوب إلى سكريات. وتشمل أنواع السكريات المختلفة الغلوكوز أحادي السكاريد، والمالتوز ثنائي السكاريد، والمالتوتريوز ثلاثي السكاريد، والسكريات الأعلى التي تُسمى مالتودكسترينات. يستغرق نقع الحبوب وإنباتها وقتًا طويلًا، إذ يستغرق النقع 1–2 يوم، ويستغرق الإنبات 4–6 أيام إضافية. وهذا يجعل إنتاج المالت طويل المدة ومكلفًا.
شعير في طور الإنبات
تحسين تصنيع المالت بالموجات فوق الصوتية
الحل: المعالجة بالموجات فوق الصوتية
- تُحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية قدرة حبوب الشعير على الإنبات وسرعته.
تأثيرات الموجات فوق الصوتية:
- نقع أسرع وأفضل
- إنبات أسرع
- إنبات أكثر اكتمالًا
- تنشيط الإنزيمات
- معدل استخلاص أعلى
- مالت عالي الجودة
تنتج هذه التأثيرات التي تُحفّزها الموجات فوق الصوتية عن تحسّن النشاط الإنزيمي والشقوق الدقيقة التي يُحدثها التجويف بالموجات فوق الصوتية في البذرة. ويمكن لحبة الشعير امتصاص كمية أكبر من الماء خلال فترة زمنية أقصر، مما يؤدي إلى تحسّن كبير في ترطيب البذور. ويُعد الترطيب السريع والإنبات المتجانس مهمين للحصول على جودة جيدة للمالت، لأن البذور غير المنبتة عرضة للتلف البكتيري والفطري.
تصنيع المالت عملية معقدة تشمل العديد من الإنزيمات؛ ومن أهمها α-أميلاز وβ-أميلاز وα-غلوكوزيداز والدكسترين الحدّي. وأثناء تصنيع المالت، يخضع الشعير لعملية إنبات طبيعية غير مكتملة تتضمن سلسلة من عمليات التحلل الإنزيمي لسويداء حبة الشعير. ونتيجة لهذا التحلل الإنزيمي، تتحلل جدران خلايا السويداء، وتتحرر حبيبات النشا من مصفوفة السويداء التي تكون مطمورة فيها. تُنشّط الموجات فوق الصوتية الإنزيمات وتُحسّن معدل استخلاص المواد داخل الخلايا، مثل النشا والبروتينات. وتميل جزيئات الأرابينوكسيلان إلى تكوين تجمعات جزيئية ضخمة في محاليل عديدات السكاريد المخففة. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تقليل تجمعات عديدات السكاريد بفاعلية. ويؤدي تحلل النشا، وهو عديد السكاريد، إلى إنتاج كربوهيدرات قابلة للتخمير. وتتحول هذه الكربوهيدرات إلى كحول في مرحلة التخمير من تصنيع البيرة.
تؤدي جميع هذه التأثيرات للموجات فوق الصوتية على العمليات الكيميائية الحيوية أثناء تصنيع المالت إلى وقت إنبات أقصر و معدل / مردود إنبات أعلى. ويؤدي تقصير فترة الإنبات إلى فوائد تجارية كبيرة لصناعة المالت والبيرة.
أظهر Yaldagard et al. (2008) أن الموجات فوق الصوتية “يمكن استخدامها في عمليات تصنيع المالت بوصفها طريقة لمعالجة البذور لتقليل فترة الإنبات وتحسين النسبة المئوية للإنبات الكلي.”
إنبات أسرع بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية
بروتوكول تهيئة بذور الشعير بالموجات فوق الصوتية
بذور الشعير Hordeum vulgare (محتوى رطوبة 9%؛ خُزّنت في درجة حرارة الغرفة لمدة 3 أشهر بعد الحصاد)
جهاز الموجات فوق الصوتية UP200H (200W, 24kHz) مزوّد بسونوترود S3 (شكل شعاعي، قطره 3mm، وأقصى عمق غمر له 90mm)
البروتوكول:
غُمر طرف البوق بعمق يقارب 9 mm في محلول المعالجة المكوّن من الماء وبذور الشعير. أُجريت جميع التجارب على عينات (10 g من بذور الشعير) مشتتة في 80 mL من ماء الصنبور، باستخدام المعالجة المباشرة بالموجات فوق الصوتية (نظام المسبار) عند قدرة إدخال تبلغ 20 و60 و100%، مع تحريك أو رجّ إضافي. واستُخدم ذلك لتجنب الموجات الواقفة أو تكوّن مناطق خالية من المواد الصلبة، ولتحقيق توزيع متجانس للموجات فوق الصوتية. ضُبط جهاز الموجات فوق الصوتية على نمط النبضات باستخدام التحكم في دورة التشغيل، لتقليل تكوّن الجذور الحرة. وضُبطت دورة التشغيل على 50% في جميع التجارب. عولج المحلول عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 30°C لمدة 5 و10 و15 min. [Yaldagard et al. 2008]
النتائج:
تؤدي المعالجات بالموجات فوق الصوتية إلى ترطيب أعلى وإنبات أسرع خلال وقت أقصر.
سُجّل أعلى إنبات للبذور (نحو 100%) عند ضبط القدرة على 100%. وبالنسبة إلى البذور المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 و10 و15 min عند القدرة الكاملة (ضبط قدرة الجهاز على 100%)، ارتفع معدل الإنبات من ~93.3% (البذور غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية) إلى 97.2% و98% و99.4%، على التوالي. ويمكن أن تُعزى هذه النتائج إلى التأثيرات الميكانيكية الناتجة عن التجويف المُحدَث بالموجات فوق الصوتية، الذي يزيد امتصاص جدران الخلايا للماء. تُعزّز المعالجة بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة وتُسهّل نفاذ الماء عبر جدار الخلية إلى داخلها. ويؤدي انهيار فقاعات التجويف بالقرب من جدران الخلايا إلى تفكيك البنية الخلوية وإتاحة انتقال جيد للكتلة بفعل النفاثات السائلة الناتجة عن الموجات فوق الصوتية.
قلّلت هذه الطريقة بدرجة كبيرة الوقت اللازم لبدء إنبات البذور. وظهرت الجذور الشعرية بسرعة أكبر في العينات المعالجة ونمت بغزارة مقارنة بالبذور غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وعند استخدام الشعير المعالج بالطريقة المذكورة أعلاه، قُصّرت فترة الإنبات إلى 4 إلى 5 أيام (بحسب قدرة الموجات فوق الصوتية ومدة التعرض) بدلًا من المدة المعتادة البالغة 7 أيام. علاوة على ذلك، انخفض متوسط وقت الإنبات من 6.66 أيام عند ضبط القدرة على 20% إلى 4.04 أيام عند ضبط قدرة الموجات فوق الصوتية على 100% بعد مدة معالجة قدرها 15 min. ويشير تحليل البيانات الناتجة إلى أن مدى الإنبات ومتوسط وقته تأثرا بدرجة كبيرة بإعدادات قدرة الموجات فوق الصوتية المختلفة أثناء اختبار الإنبات. وأسفرت جميع التجارب عن زيادة إنبات بذور الشعير مقارنة بالعينة الضابطة غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية (الشكل 1). وسُجّل أعلى متوسط لوقت الإنبات عند ضبط القدرة على 20%، وسُجّل أدنى متوسط لوقت الإنبات عند ضبط القدرة على 100% (الشكل 2).
معدل ومردود إنبات أعلى باستخدام الموجات فوق الصوتية
ثبت أيضًا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تُعزّز إنبات بذور الحمص والقمح والطماطم والفلفل والجزر والفجل والذرة والأرز والبطيخ ودوار الشمس والعديد من النباتات الأخرى.
معدات الموجات فوق الصوتية
تُوفّر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية موثوقة وعالية القدرة للاستخدام المختبري وعلى منضدة العمل وللاستخدام الصناعي. ولتهيئة البذور وتصنيع المالت على نطاق تجاري، نوصي بأنظمتنا الصناعية للموجات فوق الصوتية، مثل UIP2000hdT (2kW)، UIP4000hdT (4kW)، UIP10000 (10kW) أو UIP16000 (16kW). وتُكمل مفاعلات خلايا التدفق المتنوعة والملحقات مجموعة منتجاتنا. تتميز جميع أنظمة Hielscher بمتانة فائقة، وهي مصممة للتشغيل 24/7.
لاختبار تهيئة البذور وإنباتها بالموجات فوق الصوتية وتحسينهما، نُتيح لكم زيارة مختبر عمليات الموجات فوق الصوتية ومركزنا التقني المجهّزين بالكامل!
تواصلوا معنا اليوم! يسعدنا مناقشة عمليتكم معكم!
UIP1000hdT
الموجات فوق الصوتية
- تسريع الإنبات
- مردود أعلى
تواصلوا معنا! / اسألونا!
المصادر والمراجع
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): تعزيز إنبات بذور أربعة أنواع من المحاصيل باستخدام تقنية الموجات فوق الصوتية. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): دراسة تركيب بروتينات الشعير أثناء عملية تصنيع البيرة باستخدام SE-HPLC. أعمال مشروع التخرج في جامعة Kalmar، كلية العلوم الطبيعية البحتة والتطبيقية، السويد.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): تطبيق الموجات فوق الصوتية بوصفها تقنية لتهيئة البذور لتسريع إنبات بذور الشعير وتعزيزه: تحسين الطريقة باستخدام نهج Taguchi. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): فاعلية المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تحفيز إنبات بذور الشعير ونشاط إنزيم ألفا-أميلاز فيها. المجلة الدولية للهندسة البيولوجية والجزيئية الحيوية والزراعية والغذائية والتكنولوجيا الحيوية 1/10 ، 2007.
حقائق عن الشعير والمالت
عملية تصنيع المالت
في تصنيع المالت، تنبت حبوب النجيليات، وتشمل العملية ثلاث خطوات: النقع والإنبات والتجفيف في الفرن. أثناء النقع، يُضاف الماء إلى الحبوب، مما يُنشّط الإنزيمات. ويستغرق النقع التقليدي 1–2 يوم. وبعد 1–2 يوم، يصل محتوى الماء في حبوب الشعير إلى 40–45%. وعند هذه النقطة، يُزال الشعير من ماء النقع ويبدأ الإنبات.
أثناء الإنبات، تتكوّن أو تُنشّط عدة إنزيمات تكون ضرورية لاحقًا في عملية الهرس. وتتحلل غلوكانات β بواسطة endo-β-1,4-glucanase وendo-β-1,3-glucanase. يوجد endo-β-1,4-glucanase بالفعل في الشعير، لكن endo-β-1,3-glucanase لا يوجد إلا في المالت. ونظرًا إلى أن غلوكانات β تُكوّن هلامًا، مما قد يسبب مشكلات في الترشيح، يُفضّل أن يحتوي المالت على نسبة مرتفعة من β-غلوكاناز ونسبة منخفضة من β-غلوكان. ينخفض محتوى النشا ويزداد محتوى السكر أثناء الإنبات، ويتحلل النشا بواسطة α-أميلاز وβ-أميلاز. لا يوجد α-أميلاز في الشعير؛ إذ يُنتَج أثناء الإنبات، بينما يوجد β-أميلاز بالفعل في الشعير. وتتحلل البروتينات أيضًا أثناء الإنبات. وتُحلّل الببتيدازات 35 – 40 % من البروتينات إلى مواد قابلة للذوبان. وبعد 5 إلى 6 أيام، يكتمل الإنبات وتُعطّل عملياته الحيوية بالتجفيف في الفرن. وفي هذه المرحلة، يُزال الماء بتمرير الهواء الساخن عبر المالت. ويؤدي ذلك إلى إيقاف الإنبات والتعديلات، وتتكوّن بدلًا منها مركبات اللون والنكهة بفعل تفاعلات ميلارد.
الإنزيمات في عملية تصنيع المالت والبيرة
أهم الإنزيمات المسؤولة عن التحلل المائي للنشا في الشعير هي إنزيما α-أميلاز وβ-أميلاز، اللذان يُحفّزان التحلل المائي للنشا إلى سكريات. يُحلّل الأميلاز عديدات السكاريد، وتحديدًا النشا، إلى مالتوز. يوجد β-أميلاز في صورة غير نشطة قبل الإنبات، بينما يظهر α-أميلاز والبروتيازات بمجرد بدء الإنبات. وبما أن α-أميلاز يمكن أن يعمل في أي موضع على الركيزة، فإنه يميل إلى العمل بسرعة أكبر من β-أميلاز. يُحفّز β-أميلاز التحلل المائي للرابطة الغليكوسيدية α-1,4 الثانية، فاصلًا وحدتي غلوكوز / مالتوز دفعة واحدة.
تُحلّل إنزيمات أخرى، مثل البروتيازات، بروتينات الحبوب إلى أشكال يمكن للخميرة استخدامها. وبحسب توقيت إيقاف عملية تصنيع المالت، تُحصَل على نسبة مرغوبة من النشا / الإنزيمات، ويكون النشا قد تحوّل جزئيًا إلى سكريات قابلة للتخمير. ويحتوي المالت أيضًا على كميات صغيرة من سكريات أخرى، مثل السكروز والفركتوز، وهي ليست نواتج لتعديل النشا، بل كانت موجودة أصلًا في الحبوب. ويُنجَز مزيد من التحويل إلى سكريات قابلة للتخمير أثناء عملية الهرس.
التحلل المائي للنشا
أثناء التحلل المائي الإنزيمي، تُحفّز الإنزيمات عملية التسكير، أي تفكيك الكربوهيدرات (النشا) إلى جزيئات السكر المكوّنة لها. وبالتحلل المائي، يتحول مصدر الطاقة (النشا) إلى سكريات يستهلكها الجنين للنمو.
البروتينات في الشعير
يتراوح محتوى البروتين في الشعير من 8 إلى 15%. وتُسهم بروتينات الشعير إسهامًا أساسيًا في جودة المالت والبيرة. وتُعد البروتينات القابلة للذوبان مهمة للاحتفاظ برغوة البيرة وثباتها.
الأرابينوكسيلانات وβ-غلوكان في الشعير
الأرابينوكسيلانات وβ-غلوكان ألياف غذائية قابلة للذوبان. ويمكن أن تحتوي مستخلصات المالت على مستويات مرتفعة من الأرابينوكسيلانات، مما قد يسبب صعوبات أثناء الترشيح، لأن المستخلصات اللزجة قد تُضعف أداء عمليات تصنيع البيرة بدرجة كبيرة. وفي عملية تصنيع البيرة، قد يؤدي ارتفاع محتوى β-غلوكان في الشعير إلى عدم تحلل جدران الخلايا بصورة كافية، مما يعيق بدوره انتشار الإنزيمات والإنبات وتعبئة مخزونات الحبة، ومن ثم يقلل مستخلص المالت. وقد يؤدي β-غلوكان المتبقي أيضًا إلى نقيع بيرة شديد اللزوجة، مما يسبب مشكلة في الترشيح داخل مصنع البيرة، وقد يشارك في إنضاج البيرة، مسببًا العكارة الباردة. توجد الأرابينوكسيلانات في جدران خلايا الشعير والشوفان والقمح والجاودار والذرة والأرز والذرة الرفيعة والدخن. وتزداد قابلية استخلاص كل من الأرابينوكسيلانات وβ-غلوكان بدرجة كبيرة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
مضادات الأكسدة في الشعير
يحتوي الشعير على أكثر من 50 من البروأنثوسيانيدينات، بما فيها فلافان-3-أول قليل الوحدات وبوليمري الشكل، والكاتيشين والغالو كاتيشين. ويُعد البروأنثوسيانين B3 ثنائي الوحدات والبروسيانيدين B3 الأكثر وفرة في الشعير.
تُعرف مضادات الأكسدة بقدرتها على تأخير تفاعلات الأكسدة وتفاعلات الجذور الحرة للأكسجين أو منعها، مما يجعلها مهمة في عملية تصنيع المالت والبيرة. وتُستخدم مضادات الأكسدة (مثل الكبريتيت والفورمالدهيد والأسكوربات) بوصفها مضافات في عملية تصنيع البيرة لتحسين ثبات نكهتها. ويُشتق نحو 80% من المركبات الفينولية في البيرة من مالت الشعير.