Ултразвуково малцуване и покълване на малца
- Малцуването е времеемък процес: накисването и хидратирането на зърнените семена отнемат много време и дават предимно неравномерни резултати.
- Чрез ултразвукова обработка скоростта, процентът и добивът при покълване на ечемика могат да бъдат значително подобрени.
Производство на малц
Малцът / малцуваното зърно се използва широко за производство на бира, уиски, малцови шейкове, малцов оцет, както и като хранителна добавка. По време на малцуването изсушеното зърно (напр. ечемик) се накисва във вода, за да започне покълването. При покълването се освобождават съществуващи ензими, образуват се нови ензими и се разрушават клетъчните стени на ендосперма, за да се освободи клетъчното съдържание и да се разгради част от запасния белтък до аминокиселини. Когато се достигне определена степен на покълване, процесът се прекратява чрез сушене. Чрез малцуването на зърното се образуват ензимите – а именно α-амилаза и β-амилаза – необходими за превръщането на нишестето в зърното в захари. Различните видове захари включват монозахарида глюкоза, дизахарида малтоза, тризахарида малтотриоза и висши захари, наречени малтодекстрини. Накисването и покълването на зърното отнемат доста време, като накисването продължава 1–2 дни, а покълването изисква още 4–6 дни. Това прави производството на малц времеемко и скъпо.
Покълващ ечемик
Малцуване, подобрено чрез ултразвук
Решението: ултразвукова обработка
- Ултразвуковата обработка подобрява кълняемостта и скоростта на покълване на ечемичните зърна.
Ефектите на ултразвука:
- По-бързо и по-добро накисване
- По-бързо покълване
- По-пълно покълване
- Активиране на ензимите
- По-висока скорост на екстракция
- Висококачествен малц
Тези ефекти, предизвикани от ултразвука, се дължат на подобрена ензимна активност и микропукнатини, причинени от ултразвуковата кавитация върху семето. Ечемичното зърно може да абсорбира повече вода за по-кратък период от време, което води до значително подобрено хидратиране на семената. Бързото хидратиране и равномерното покълване са важни за доброто качество на малцуването, тъй като непокълналите семена са податливи на увреждане от бактерии и гъбички.
Малцуването е сложен процес, в който участват много ензими; сред важните са α-амилаза, β-амилаза, α-глюкозидаза и граничен декстрин. По време на малцуването ечемикът преминава през непълен процес на естествено покълване, който включва поредица от ензимни разграждания на ендосперма на ечемичното зърно. В резултат на това ензимно разграждане клетъчните стени на ендосперма се разграждат и нишестените гранули се освобождават от матрицата на ендосперма, в която са вградени. Ултразвукът активира ензимите и подобрява скоростта на екстракция на вътреклетъчния материал, напр. нишесте и белтъци. Молекулите на арабиноксилана имат склонност да образуват макромолекулни агрегати в разредени разтвори на полизахариди. Ултразвуковата обработка спомага за ефективното намаляване на полизахаридните агрегати. При разграждането на полизахарида нишесте се образуват ферментируеми въглехидрати. Тези въглехидрати се превръщат в алкохол на етапа на ферментация при производството на бира.
Всички тези ултразвукови ефекти върху биохимичните процеси по време на малцуването водят до по-кратко време за покълване и по-висок процент на покълване / добив. Съкращаването на периода на покълване води до значителни търговски ползи за малцовата и пивоварната промишленост.
Yaldagard и съавт. (2008) показват, че ултразвукът „има потенциал да се използва в процесите на малцуване като метод за обработка на семена с цел намаляване на периода на покълване и подобряване на общия процент на покълване.“
По-бързо покълване чрез ултразвукова обработка
Протокол за ултразвукова предсеитбена подготовка на семена от ечемик
Ечемични семена Hordeum vulgare (9% съдържание на влага; съхранявани при стайна температура в продължение на 3 месеца след прибирането на реколтата)
Ултразвуково устройство UP200H (200W, 24kHz), оборудвано със сонотрод S3 (радиална форма, диаметър 3mm, максимална дълбочина на потапяне 90mm)
Протокол:
Върхът на сонотрода е потопен на приблизително 9 mm в работния разтвор, състоящ се от вода и ечемични семена. Всички експерименти са проведени с проби (10 g ечемични семена), диспергирани в 80 mL чешмяна вода, чрез директна ултразвукова обработка (система със сонда) при подавана мощност 20, 60 и 100%, с допълнително разбъркване или разклащане. Това е приложено за избягване на стоящи вълни или образуване на области без твърд материал, с цел равномерно разпределение на ултразвуковите вълни. Ултразвуковото устройство е настроено в импулсен режим с управление на коефициента на запълване, за да се намали образуването на свободни радикали. Коефициентът на запълване е настроен на 50% за всички експерименти. Разтворът е обработван при постоянна температура 30°C в продължение на 5, 10 и 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Резултати:
Ултразвуковите обработки водят до по-добро хидратиране и по-бързо покълване за по-кратко време.
Най-високият процент на покълване на семената (приблизително 100%) е отчетен при настройка на мощността 100%. За семената, обработени с ултразвук в продължение на 5, 10 и 15 min при пълна мощност (настройка на мощността на устройството 100%), процентът на покълване се увеличава от ~93,3% (семена без ултразвукова обработка) съответно до 97,2%, 98% и 99,4%. Тези резултати може да се дължат на механични ефекти от предизвиканата от ултразвука кавитация, която увеличава поглъщането на вода от клетъчните стени. Ултразвуковата обработка подобрява масообмена и улеснява проникването на вода през клетъчната стена във вътрешността на клетката. Колапсът на кавитационните мехурчета в близост до клетъчните стени нарушава клетъчната структура и позволява добър масообмен благодарение на ултразвуковите течни струи.
Методът значително намалява времето, необходимо за започване на покълването на семената. Тънките коренчета се появяват по-бързо в обработените проби и растат обилно в сравнение със семената без ултразвукова обработка. При използване на ечемик, обработен по описания по-горе начин, периодът на покълване се съкращава от обичайните 7 дни до 4 до 5 дни (в зависимост от ултразвуковата мощност и времето на въздействие). Освен това след обработка с продължителност 15 min средното време за покълване намалява от 6,66 дни при настройка на мощността 20% до 4,04 дни при настройка на ултразвуковата мощност 100%. Анализът на получените данни показва, че степента на покълване и средното време за покълване са значително повлияни от различните настройки на ултразвуковата мощност по време на теста за покълване. Всички експерименти водят до повишено покълване на ечемичните семена в сравнение с контролната проба без ултразвукова обработка (фиг. 1). Максималното средно време за покълване е отчетено при настройка на мощността 20%, а минималното средно време за покълване е отчетено при настройка на мощността 100% (фиг. 2).
По-висок процент на покълване и добив чрез ултразвук
Доказано е също, че ултразвуковата обработка подобрява покълването на семената на нахут, пшеница, домат, пипер, морков, репичка, царевица, ориз, диня, слънчоглед и много други.
Ултразвуково оборудване
Hielscher Ultrasonics доставя надеждни ултразвукови устройства с висока мощност за лабораторна, настолна и промишлена употреба. За предпокълващата подготовка на семената и малцуването в промишлен мащаб ви препоръчваме нашите промишлени ултразвукови системи, като UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) или UIP16000 (16kW). Разнообразни реактори с проточни клетки и принадлежности допълват нашата продуктова гама. Всички системи Hielscher са изключително издръжливи и са конструирани за работа 24/7.
За изпитване и оптимизиране на ултразвуковата предпокълваща подготовка на семената и покълването ви предлагаме възможността да посетите нашата напълно оборудвана лаборатория за ултразвукови процеси и технически център!
Свържете се с нас още днес! С удоволствие ще обсъдим вашия процес с вас!
UIP1000hdT
ултразвук
- Ускорено покълване
- По-висок добив
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Източници
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Подобряване на покълването на семената на четири вида култури чрез ултразвукова техника. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): Изследване на белтъчния състав на ечемика по време на процеса на производство на бира чрез SE-HPLC. Дипломна работа в Университета в Калмар, Факултет по фундаментални и приложни природни науки, Швеция.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Приложение на ултразвукови вълни като техника за предпокълваща подготовка с цел ускоряване и подобряване на покълването на ечемични семена: оптимизиране на метода чрез подхода на Тагучи. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Ефективността на ултразвуковата обработка за стимулиране на покълването на ечемични семена и тяхната α-амилазна активност. Международно списание за биологично, биомолекулно, селскостопанско, хранително и биотехнологично инженерство 1/10, 2007.
Факти за ечемика и малца
Процесът на малцуване
При малцуването зърното на житните култури покълва, а процесът включва три етапа: накисване, покълване и сушене в малцова сушилня. По време на накисването към зърната се добавя вода, която активира ензимите. Конвенционалното накисване отнема 1–2 дни. След 1–2 дни ечемичните зърна достигат водно съдържание 40–45%. В този момент ечемикът се изважда от водата за накисване и започва покълването.
По време на покълването се образуват или активират няколко ензима, които по-късно са от съществено значение в процеса на майшуване. β-глюканите се разграждат от endo-β-1,4-glucanase и endo-β-1,3-glucanase. Endo-β-1,4-glucanase вече присъства в ечемика, но endo-β-1,3-glucanase присъства само в малца. Тъй като β-глюканите образуват гелове и поради това могат да причинят проблеми при филтрирането, в малца са желателни високо съдържание на β-глюканаза и ниско съдържание на β-глюкан. По време на покълването съдържанието на нишесте намалява, а съдържанието на захари се увеличава, като нишестето се разгражда от α-амилаза и β-амилаза. В ечемика няма α-амилаза; тя се образува по време на покълването, докато β-амилазата вече присъства в ечемика. Белтъците също се разграждат по време на покълването. Пептидазите разграждат 35 – 40 % от белтъците до разтворим материал. След 5 до 6 дни покълването е завършено и жизнените процеси се инактивират чрез сушене в малцова сушилня. При това сушене водата се отстранява чрез пропускане на горещ въздух през малца. Това спира покълването и модификациите, а вместо тях чрез реакции на Майар се образуват съединения, придаващи цвят, вкус и аромат.
Ензими в процесите на малцуване и пивоварство
Най-важните ензими за хидролизата на нишестето в ечемика са α-амилазата и β-амилазата, които катализират хидролизата на нишестето до захари. Амилазата разгражда полизахаридите, а именно нишестето, до малтоза. β-амилазата присъства в неактивна форма преди покълването, докато α-амилазата и протеазите се появяват след началото на покълването. Тъй като α-амилазата може да действа навсякъде върху субстрата, тя обикновено действа по-бързо от β-амилазата. β-амилазата катализира хидролизата на втората α-1,4 гликозидна връзка, като отцепва две глюкозни единици / малтоза наведнъж.
Други ензими, като протеазите, разграждат белтъците в зърното до форми, които могат да бъдат използвани от дрождите. В зависимост от момента, в който се прекратява процесът на малцуване, се получават предпочитано съотношение нишесте / ензими и частично превръщане на нишестето във ферментируеми захари. Малцът съдържа и малки количества други захари, като захароза и фруктоза, които не са продукти на модификацията на нишестето, а вече са присъствали в зърното. Допълнителното превръщане във ферментируеми захари се осъществява по време на процеса на майшуване.
Хидролиза на нишестето
По време на ензимната хидролиза ензимите катализират процеса на озахаряване, което означава, че въглехидратите (нишестето) се разграждат до съставящите ги захарни молекули. Чрез хидролизата енергийният ресурс (нишестето) се превръща в захари, които зародишът използва за растеж.
Белтъци в ечемика
Ечемикът има белтъчно съдържание от 8 до 15%. Ечемичните белтъци допринасят съществено за качеството на малца и бирата. Разтворимите белтъци са важни за задържането и стабилността на бирената пяна.
Арабиноксилани и β-глюкан в ечемика
Арабиноксиланите и β-глюканът са разтворими хранителни влакнини. Малцовите екстракти могат да съдържат високи нива на арабиноксилани, които могат да причинят затруднения при филтрирането, тъй като вискозните екстракти могат значително да влошат ефективността на пивоварните процеси. При пивоварството високото съдържание на β-глюкан в ечемика може да доведе до недостатъчно разграждане на клетъчните стени, което от своя страна възпрепятства дифузията на ензимите, покълването и мобилизирането на запасите в зърното и по този начин намалява малцовия екстракт. Остатъчният β-глюкан може също да доведе до силно вискозна пивна мъст, създавайки проблем с филтрирането в пивоварната, и може да участва в съзряването на бирата, причинявайки студово помътняване. Арабиноксилани се намират в клетъчните стени на ечемика, овеса, пшеницата, ръжта, царевицата, ориза, соргото и просото. Възможността за екстракция както на арабиноксиланите, така и на β-глюкана се увеличава значително чрез ултразвукова обработка.
Антиоксиданти в ечемика
Ечемикът съдържа повече от 50 проантоцианидина, включително олигомерен и полимерен flavan-3-ol, катехин и галокатехин. Димерният proanthocyanin B3 и procyanidin B3 са най-разпространените сред тях в ечемика.
Антиоксидантите са известни със способността си да забавят или предотвратяват окислителни реакции и реакции на свободни кислородни радикали, което ги прави важни в процесите на малцуване и пивоварство. Антиоксидантите (напр. сулфити, формалдехид, аскорбат) се използват като добавки в пивоварния процес с цел подобряване на стабилността на вкуса и аромата на бирата. Около 80% от фенолните съединения в бирата произхождат от ечемичния малц.