Ultrazvučno sladenje i klijanje slada
- Sladiranje je dugotrajan proces: namakanje i hidratacija sjemena zrna zahtijeva dosta vremena i postiže uglavnom neujednačene rezultate.
- Ultrazvukom se brzina klijanja, brzina i prinos ječma mogu značajno poboljšati.
Proizvodnja slada
Slad / sladno zrno se široko koristi za pravljenje piva, viskija, sladnih šejkova, sladnog sirćeta, kao i aditiva za hranu. Tokom procesa sladovanja, osušeno zrno (npr. ječam) se namače u vodi kako bi počelo klijanje. Tokom klijanja oslobađaju se postojeći enzimi, stvaraju se novi enzimi, a stanični zidovi endosperma se razbijaju kako bi se oslobodio njihov ćelijski sadržaj, kao i da bi se razgradio dio pohranjenog proteina u aminokiseline. Kada se postigne određeni stepen klijanja, proces klijanja se zaustavlja procesom sušenja. Sladom zrna, enzimi – odnosno α-amilaze i β-amilaze – razvijeni su potrebni za modifikaciju skroba žitarica u šećere. Različite vrste šećera uključuju monosaharid glukozu, disaharid maltozu, trisaharid maltotriozu i više šećere zvane maltodekstrini. Namakanje i klijanje zrna je dosta dugotrajno, s obzirom na to da namakanje traje 1-2 dana, a klijanje dodatnih 4-6 dana. To čini proizvodnju slada dugotrajnom i skupom.
Ultrazvučno poboljšano sladovanje
Rješenje: sonikacija
- Sonication poboljšava kapacitet klijanja i brzinu zrna ječma.
Efekti ultrazvuka:
- Brže i bolje namakanje
- Brže klijanje
- Potpuna klijavost
- Aktivacija enzima
- veća brzina ekstrakcije
- Visok kvalitet slada
Ovi ultrazvučno inicirani efekti su uzrokovani poboljšanom enzimskom aktivnošću i mikro fisurama izazvanim ultrazvučna kavitacija na semenu. Zrno ječma može apsorbirati više vode u kraćem vremenskom periodu, što dovodi do značajnog poboljšana hidratacija od semena. Brza hidratacija i ravnomjerna klijavost važni su za dobar kvalitet slada jer je neproklijalo sjeme sklono bakterijskim i gljivičnim oštećenjima.
Sladiranje je složen proces koji uključuje mnogo enzima; važni su α-amilaza, β-amilaza, α-glukozidaza i limit dekstrin. Tokom sladovanja, ječam prolazi kroz nepotpuni prirodni proces klijanja koji uključuje niz enzimskih degradacija endosperma ječmenog zrna. Kao rezultat ove razgradnje enzima, stanični zidovi endosperma se razgrađuju, a granule škroba se oslobađaju iz matriksa endosperma u koji su ugrađene. Ultrazvuk aktivira enzime i poboljšava brzinu ekstrakcije intracelularnog materijala, npr. škroba, proteina. Molekule arabinoksilana imaju tendenciju da formiraju makromolekularne agregate u razrijeđenim otopinama polisaharida. Ultrazvučna obrada pomaže efikasnom smanjenju nakupina polisaharida. Razgradnjom polisaharidnog škroba nastaju fermentabilni ugljikohidrati. Takvi ugljikohidrati se pretvaraju u alkohol u fazi fermentacije u proizvodnji piva.
Svi ovi ultrazvučni efekti na biohemijske procese tokom sladovanja rezultiraju a kraće vrijeme klijanja i a veća klijavost/prinos. Skraćivanje perioda klijanja rezultira značajnim komercijalne koristi za industriju slada i pivare.
Yaldagard et al. (2008) je pokazao da ultrazvuk “ima potencijal da se koristi u procesima slada kao metoda tretiranja sjemena kako bi se smanjio period klijanja i poboljšao postotak ukupne klijavosti.”
Ultrazvučni protokol pranja sjemena ječma
Sjeme ječma Hordeum vulgare (9% sadržaja vlage; čuvati na sobnoj temperaturi 3 mjeseca nakon berbe)
Ultrazvučni uređaj UP200H (200W, 24kHz) opremljen sonotrodom S3 (radijalni oblik, prečnik 3mm, maks. dubina uranjanja 90mm)
protokol:
Vrh roga bio je uronjen cca. 9 mm u procesni rastvor koji se sastoji od vode i sjemena ječma. Svi eksperimenti su izvedeni na uzorcima (10 g sjemena ječma) dispergiranim u 80 mL vode iz slavine uz direktnu sonikaciju (sistem sonde) pri ulaznoj snazi od 20, 60 i 100%, uz dodatno miješanje ili mućkanje. Ovo je korišćeno da bi se izbegli stojni talasi ili formiranje čvrstih slobodnih regiona za ujednačenu distribuciju ultrazvučnih talasa. Ultrazvučni uređaj je postavljen na pulsirajući režim, koristeći kontrolu radnog ciklusa, kako bi se smanjilo stvaranje slobodnih radikala. Ciklus je postavljen na 50% za sve eksperimente. Rastvor je obrađen na konstantnoj temperaturi od 30°C 5, 10 i 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultati:
Ultrazvučni tretmani rezultiraju većom hidratacijom i bržim klijanjem za kraće vrijeme.
Najveća klijavost semena (otprilike 100%) zabeležena je pri postavci snage 100%. Za seme koje je sonicirano 5, 10 i 15 minuta pri punoj snazi (100% podešavanje snage uređaja), stopa klijanja je povećana sa ~93,3% (nesonicirano seme) na 97,2%, 98% i 99,4%. respektivno. Ovi rezultati se mogu pripisati mehaničkim efektima zbog ultrazvučno indukovane kavitacije koja povećava upijanje vode od strane ćelijskih zidova. Sonikacija poboljšava prijenos mase i olakšava prodiranje vode kroz ćelijski zid u unutrašnjost ćelije. Kolaps kavitacionih mjehurića u blizini ćelijskih zidova narušava ćelijsku strukturu i omogućava dobar prijenos mase zahvaljujući ultrazvučnim mlazovima tekućine.
Metoda je značajno smanjila vrijeme potrebno za početak klijanja sjemena. Korijen dlake pojavio se brže u tretiranim uzorcima i rastao je u izobilju u poređenju sa sjemenkama koje nisu obrađene sondom. Kada se koristi ječam tretiran kao gore, period klijanja je skraćen na 4 do 5 dana (u zavisnosti od ultrazvučne snage i vremena ekspozicije) sa uobičajenih 7 dana. Nadalje, srednje vrijeme klijanja smanjeno je sa 6,66 dana za postavku snage 20% na 4,04 dana za postavku snage ultrazvuka od 100% nakon vremena obrade od 15 minuta. Analiza dobijenih podataka pokazuje da su na stepen klijanja i srednje vrijeme klijanja značajno uticale različite postavke ultrazvučne snage tokom testa klijanja. Svi eksperimenti su rezultirali povećanom klijavošću sjemena ječma u odnosu na kontrolu bez ultrazvuka (slika 1). Maksimalno srednje vrijeme klijanja je zabilježeno za postavku snage 20%, a minimalno srednje vrijeme klijanja je zabilježeno za postavku snage 100% (slika 2).
Dokazano je da ultrazvuk poboljšava klijavost sjemena slanutka, pšenice, paradajza, paprike, šargarepe, rotkvice, kukuruza, pirinča, lubenice, suncokreta i mnogih drugih.
ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics isporučuje pouzdane ultrasonikatore velike snage za laboratorijsku, stočnu i industrijsku upotrebu. Za pripremu sjemena i slad u komercijalnim razmjerima, preporučujemo vam naše industrijske ultrazvučne sisteme kao što su UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ili UIP16000 (16kW). Reaktori s protočnim ćelijama i dodatna oprema upotpunjuju naš asortiman proizvoda. Svi Hielscher sistemi su izuzetno robusni i napravljeni za rad 24/7.
Za testiranje i optimizaciju ultrazvučnog pražnjenja i klijanja sjemena, nudimo vam mogućnost posjete našoj potpuno opremljenoj ultrazvučnoj procesnoj laboratoriji i tehničkom centru!
Kontaktirajte nas danas! Drago nam je da s vama razgovaramo o vašem procesu!
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Goussous, SJ; Samarah, NH; Alqudah, AM; Othman, MO (2010): Poboljšanje klijanja sjemena četiri vrste usjeva korištenjem ultrazvučne tehnike. Eksperimentalna poljoprivreda, 46/02, 2010. 231-242.
- Nilsson, Frida (2009): Studija sastava proteina ječma tokom procesa kuvanja piva koristeći SE-HPLC. Diplomski projekat radi na Univerzitetu u Kalmaru, Školi čistih i primijenjenih prirodnih nauka, Švedska.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Primjena ultrazvučnih talasa kao tehnike pranja za ubrzavanje i poboljšanje klijanja sjemena ječma: optimizacija metode Taguchi pristupom. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Učinkovitost ultrazvučnog tretmana na stimulaciju klijanja sjemena ječma i njegovu aktivnost alfa-amilaze. Međunarodni časopis za biološko, biomolekularno, poljoprivredno, prehrambeno i biotehnološko inženjerstvo 1/10, 2007.
Činjenice o ječmu & slad
Proces sladovanja
U sladu zrno žitarica klija i uključuje tri koraka: namakanje, klijanje i sušenje. Tokom namakanja zrnima se dodaje voda koja aktivira enzime. Konvencionalno namakanje traje 1-2 dana. Nakon 1-2 dana zrna ječma dostižu sadržaj vode od 40-45%. U ovom trenutku, ječam se uklanja iz vode za natapanje i počinje klijanje.
Tokom klijanja formira se ili aktivira nekoliko enzima, koji su kasnije u procesu gnječenja bitni. β-glukane razlažu endo-β-1,4-glukanaza i endo-β-1,3-glukanaza. Endo-β-1,4-glukanaza je već prisutna u ječmu, ali endo-β-1,3-glukanaza je prisutna samo u sladu. Budući da β-glukani formiraju gel i na taj način mogu izazvati probleme u filtraciji, visok sadržaj β-glukanaze i nizak sadržaj β-glukana su poželjni u sladu. Sadržaj škroba se smanjuje, a sadržaj šećera povećava tokom klijanja, a škrob se razgrađuje α-amilazom i β-amilazom. U ječmu nema α-amilaze; proizvodi se tokom klijanja, dok je β-amilaza već prisutna u ječmu. Proteini se takođe razgrađuju tokom klijanja. Peptidaze razgrađuju 35 – 40 % proteina u rastvorljiv materijal. Nakon 5 do 6 dana klijavost je završena i njeni životni procesi se inaktiviraju pečenjem. Prilikom sušenja voda se uklanja propuštanjem vrućeg zraka kroz slad. Ovo zaustavlja klijanje i modifikacije, a umjesto toga spojevi boje i okusa nastaju Maillardovim reakcijama.
Enzimi u sladu & Proces pivarstva
Najvažniji enzimi za hidrolizu škroba u ječmu su enzimi α-amilaze i β-amilaze koji kataliziraju hidrolizu škroba u šećere. Amilaza razgrađuje polisaharide, odnosno skrob, do maltoze. β-amilaza je prisutna u neaktivnom obliku prije klijanja, dok se α-amilaza i proteaze pojavljuju nakon početka klijanja. Budući da α-amilaza može djelovati bilo gdje na supstratu, ona ima tendenciju bržeg djelovanja od β-amilaze. β-amilaza katalizira hidrolizu druge α-1,4 glikozidne veze, cijepajući dvije jedinice glukoze/maltozu odjednom.
Drugi enzimi, kao što su proteaze, razgrađuju proteine u zrnu u oblike koje može koristiti kvasac. Ovisno o tome kada je proces sladenja zaustavljen, dobiva se željeni omjer skrob/enzim i djelomično pretvoren skrob u šećere koji se mogu fermentirati. Slad također sadrži male količine drugih šećera, kao što su saharoza i fruktoza, koji nisu produkti modifikacije škroba, ali su već bili u zrnu. Dalja konverzija u šećere koji se mogu fermentirati se postiže tokom procesa gnječenja.
Hidroliza škroba
Tokom enzimske hidrolize, enzimi kataliziraju proces saharifikacije što znači da se ugljikohidrati (škrob) razgrađuju na sastavne molekule šećera. Hidrolizom se energetski resurs (škrob) pretvara u šećere koje klica troši za rast.
Proteini u ječmu
Ječam ima sadržaj proteina od 8 do 15%. Proteini ječma bitno doprinose kvaliteti slada i piva. Rastvorljivi proteini su važni za zadržavanje i stabilnost piva.
Arabinoksilani i β-glukan u ječmu
Arabinoksilani i β-glukan su rastvorljiva dijetalna vlakna. Ekstrakti slada mogu sadržavati visoke razine arabinoksilana što može uzrokovati poteškoće tokom filtracije jer viskozni ekstrakti mogu značajno pogoršati performanse procesa pivarstva. Za proces proizvodnje piva, visok sadržaj β-glukana u ječmu može dovesti do nedovoljne degradacije ćelijskih zidova, što zauzvrat ometa difuziju enzima, klijanje i mobilizaciju rezervi jezgra, a samim tim i smanjuje ekstrakt slada. Zaostali β-glukan takođe može dovesti do visoko viskozne sladovine, što dovodi do problema sa filtracijom u pivari i može učestvovati u sazrevanju piva, uzrokujući hladnoću. Arabinoksilani se nalaze u ćelijskim zidovima ječma, ovsa, pšenice, raži, kukuruza, riže, sirka i prosa. Ekstrahabilnost i arabinoksilana i β-glukana značajno se povećava ultrazvukom.
Antioksidansi u ječmu
Ječam sadrži više od 50 proantocijanidina uključujući oligomerne i polimerne flavan-3-ol, katehin i galokatehin. Dimerni proantocijanin B3 i procijanidin B3 su najzastupljeniji u ječmu.
Antioksidansi su poznati po svojoj sposobnosti da odgode ili spriječe reakcije oksidacije i reakcije slobodnih radikala kisika, što ih čini važnim u procesu sladovanja i pivarstva. Antioksidansi (npr. sulfiti, formaldehid, askorbat) se koriste kao aditivi u procesu kuhanja kako bi se poboljšala stabilnost okusa piva. Oko 80% fenolnih jedinjenja u pivu se dobija iz ječmenog slada.