Ultrazvučno sladovanje i klijanje slada
- Sladovanje je dugotrajan proces: močenje i hidratacija zrna sjemena zahtijevaju mnogo vremena i uglavnom daju neujednačene rezultate.
- Ultrazvučnom obradom brzina, stopa i prinos klijanja ječma mogu se znatno poboljšati.
Proizvodnja slada
Slad / sladovano zrno široko se koristi za proizvodnju piva, viskija, sladnih šejkova, sladnog octa, kao i aditiva za hranu. Tokom procesa sladovanja osušeno zrno (npr. ječam) močи se u vodi kako bi započelo klijanje. Tokom klijanja oslobađaju se postojeći enzimi, proizvode se novi enzimi, a stanične stijenke endosperma se razgrađuju kako bi se oslobodio njihov stanični sadržaj, kao i kako bi se dio uskladištenih proteina razgradio na aminokiseline. Kada se postigne određeni stepen klijanja, proces klijanja se zaustavlja postupkom sušenja. Sladovanjem zrna razvijaju se enzimi – naime α-amilaza i β-amilaza – potrebni za pretvaranje škroba iz zrna u šećere. Različite vrste šećera uključuju monosaharid glukozu, disaharid maltozu, trisaharid maltotriozu i više šećere zvane maltodekstrini. Močenje i klijanje zrna prilično su dugotrajni, s obzirom na to da močenje traje 1-2 dana, a klijanje dodatnih 4-6 dana. Zbog toga je proizvodnja slada dugotrajna i skupa.
Ječam koji klija
Ultrazvučno poboljšano sladovanje
Rješenje: ultrazvučna obrada (sonikacija)
- Ultrazvučna obrada (sonikacija) poboljšava kapacitet i brzinu klijanja zrna ječma.
Učinci ultrazvuka:
- Brže i bolje močenje
- Brže klijanje
- Potpunije klijanje
- Aktivacija enzima
- Veća stopa ekstrakcije
- Slad visokog kvaliteta
Ove ultrazvukom pokrenute učinke uzrokuju poboljšana enzimska aktivnost i mikropukotine koje na sjemenu izaziva ultrazvučna kavitacija. Zrno ječma može upiti više vode u kraćem vremenskom periodu, što dovodi do znatno poboljšane hidratacije sjemena. Brza hidratacija i ujednačeno klijanje važni su za dobar kvalitet slada jer su neproklijala sjemena sklona bakterijskim i gljivičnim oštećenjima.
Sladovanje je složen proces koji uključuje mnoge enzime; važni su α-amilaza, β-amilaza, α-glukozidaza i granični dekstrin. Tokom sladovanja ječam prolazi kroz nepotpun prirodni proces klijanja koji uključuje niz enzimskih razgradnji endosperma zrna ječma. Kao rezultat te enzimske razgradnje razgrađuju se stanične stijenke endosperma, a zrnca škroba oslobađaju se iz matriksa endosperma u koji su ugrađena. Ultrazvuk aktivira enzime i poboljšava stopu ekstrakcije unutarćelijskog materijala, npr. škroba i proteina. Molekule arabinoksilana sklone su stvaranju makromolekularnih agregata u razrijeđenim otopinama polisaharida. Ultrazvučna obrada pomaže da se agregati polisaharida učinkovito smanje. Razgradnjom polisaharida škroba nastaju fermentabilni ugljikohidrati. Takvi ugljikohidrati pretvaraju se u alkohol u koraku fermentacije pri proizvodnji piva.
Svi ovi ultrazvučni učinci na biohemijske procese tokom sladovanja rezultiraju kraćim vremenom klijanja i višom stopom klijanja / prinosom. Skraćivanje perioda klijanja donosi značajne komercijalne prednosti za industriju sladovanja i pivarstva.
Yaldagard et al. (2008) pokazali su da ultrazvuk „ima potencijal da se koristi u procesima sladovanja kao metoda obrade sjemena radi skraćivanja perioda klijanja i poboljšanja postotka ukupnog klijanja.“
Brže klijanje ultrazvučnom obradom
Protokol ultrazvučne predsjetvene pripreme sjemena ječma
Sjemena ječma Hordeum vulgare (9% sadržaja vlage; čuvana na sobnoj temperaturi 3 mjeseca nakon žetve)
Ultrazvučni uređaj UP200H (200W, 24kHz) opremljen sonotrodom S3 (radijalni oblik, promjer 3mm, maks. dubina uranjanja 90mm)
Protokol:
Vrh sonotrode uronjen je približno 9 mm u procesnu otopinu koja se sastojala od vode i sjemena ječma. Svi eksperimenti izvedeni su na uzorcima (10 g sjemena ječma) dispergiranim u 80 mL vode iz vodovoda uz direktnu ultrazvučnu obradu (sistem sa sondom) pri unosu snage od 20, 60 i 100%, uz dodatno miješanje ili protresanje. To je primijenjeno kako bi se izbjegli stojni talasi ili stvaranje područja bez čvrste tvari radi ravnomjerne raspodjele ultrazvučnih talasa. Ultrazvučni uređaj bio je podešen na pulsni način rada, uz kontrolu radnog ciklusa, kako bi se smanjilo stvaranje slobodnih radikala. Ciklus je za sve eksperimente podešen na 50%. Otopina je obrađivana pri konstantnoj temperaturi od 30°C u trajanju od 5, 10 i 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultati:
Ultrazvučne obrade rezultiraju većom hidratacijom i bržim klijanjem u kraćem vremenu.
Najveće klijanje sjemena (otprilike 100%) zabilježeno je pri postavci snage od 100%. Kod sjemena koje je ultrazvučno obrađivano 5, 10 i 15 min pri punoj snazi (postavka snage uređaja od 100%) stopa klijanja povećana je sa ~93,3% (sjemena bez ultrazvučne obrade) na 97,2%, 98% odnosno 99,4%. Ovi rezultati mogu se pripisati mehaničkim učincima ultrazvukom izazvane kavitacije koja povećava upijanje vode kroz stanične stijenke. Ultrazvučna obrada pojačava prijenos mase i olakšava prodiranje vode kroz staničnu stijenku u unutrašnjost ćelije. Kolaps kavitacijskih mjehurića u blizini staničnih stijenki narušava strukturu ćelije i omogućava dobar prijenos mase zahvaljujući ultrazvučnim tečnim mlazovima.
Metoda je znatno skratila vrijeme potrebno za početak klijanja sjemena. Dlakavi korijeni pojavili su se brže u obrađenim uzorcima i obilno su rasli u poređenju sa sjemenima bez ultrazvučne obrade. Pri korištenju ječma obrađenog kako je gore navedeno, period klijanja skraćen je na 4 do 5 dana (ovisno o ultrazvučnoj snazi i trajanju izlaganja) sa uobičajenih 7 dana. Nadalje, srednje vrijeme klijanja smanjilo se sa 6,66 dana pri postavci snage od 20% na 4,04 dana pri postavci ultrazvučne snage od 100% nakon vremena obrade od 15 min. Analiza dobijenih podataka pokazuje da su na stepen klijanja i srednje vrijeme klijanja znatno utjecale različite postavke ultrazvučne snage tokom testa klijanja. Svi eksperimenti rezultirali su povećanim klijanjem sjemena ječma u poređenju s kontrolom bez ultrazvučne obrade (Sl. 1). Najduže srednje vrijeme klijanja zabilježeno je pri postavci snage od 20%, a najkraće srednje vrijeme klijanja pri postavci snage od 100% (Sl. 2).
Veća stopa klijanja i prinos uz ultrazvuk
Dokazano je da ultrazvučna obrada (sonikacija) također poboljšava klijanje sjemena slanutka, pšenice, paradajza, paprike, mrkve, rotkvice, kukuruza, riže, lubenice, suncokreta i mnogih drugih.
Ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics isporučuje pouzdane ultrazvučne uređaje velike snage za laboratorijsku, stolnu i industrijsku upotrebu. Za pripremu sjemena (priming) i sladovanje u komercijalnom obimu preporučujemo vam naše industrijske ultrazvučne sisteme kao što su UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ili UIP16000 (16kW). Višestruki reaktori s protočnom ćelijom i pribor upotpunjuju naš asortiman proizvoda. Svi Hielscher sistemi izuzetno su robusni i izrađeni za rad 24/7.
Kako biste testirali i optimizirali ultrazvučnu pripremu sjemena (priming) i klijanje, nudimo vam mogućnost posjete našem potpuno opremljenom ultrazvučnom procesnom laboratoriju i tehničkom centru!
Kontaktirajte nas još danas! Rado ćemo s vama razgovarati o vašem procesu!
UIP1000hdT
uz ultrazvuk
- Ubrzano klijanje
- Veći prinos
Kontaktirajte 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 rad na Univerzitetu u Kalmaru, School of Pure and Applied Natural Sciences, 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 i sladu
Proces sladovanja
Pri sladovanju žitno zrno klija, a proces obuhvata tri koraka: močenje, klijanje i sušenje u sušari (kilning). Tokom močenja zrnu se dodaje voda koja aktivira enzime. Konvencionalno močenje traje 1-2 dana. Nakon 1-2 dana zrna ječma dostignu sadržaj vode od 40-45%. U tom trenutku ječam se vadi iz vode za močenje i počinje klijanje.
Tokom klijanja stvaraju se ili aktiviraju brojni enzimi koji su kasnije, u procesu šrotanja i ukomljavanja (mashing), od presudnog značaja. β-glukani se razgrađuju djelovanjem endo-β-1,4-glukanaze i endo-β-1,3-glukanaze. Endo-β-1,4-glukanaza već je prisutna u ječmu, ali je endo-β-1,3-glukanaza prisutna samo u sladu. Budući da β-glukani stvaraju gel i time mogu uzrokovati probleme pri filtraciji, u sladu su poželjni visok sadržaj β-glukanaze i nizak sadržaj β-glukana. Sadržaj škroba se smanjuje, a sadržaj šećera povećava tokom klijanja, a škrob se razgrađuje djelovanjem α-amilaze i β-amilaze. U ječmu nema α-amilaze; ona se stvara tokom klijanja, dok je β-amilaza već prisutna u ječmu. Proteini se također razgrađuju tokom klijanja. Peptidaze razgrađuju 35 – 40 % proteina u topljive tvari. Nakon 5 do 6 dana klijanje je završeno, a njegovi životni procesi inaktiviraju se sušenjem u sušari (kilning). Pri sušenju se voda uklanja propuštanjem vrućeg zraka kroz slad. Time se zaustavljaju klijanje i modifikacije, a umjesto toga Maillardovim reakcijama nastaju spojevi boje i okusa.
Enzimi u procesu sladovanja i kuhanja piva
Najvažniji enzimi za hidrolizu škroba u ječmu jesu enzimi α-amilaza i β-amilaza koji kataliziraju hidrolizu škroba u šećere. Amilaza razgrađuje polisaharide, naime škrob, do maltoze. β-amilaza je prisutna u neaktivnom obliku prije klijanja, dok se α-amilaza i proteaze pojavljuju kada klijanje započne. Budući da α-amilaza može djelovati bilo gdje na supstratu, ona obično djeluje brže od β-amilaze. β-amilaza katalizira hidrolizu druge α-1,4 glikozidne veze, odcjepljujući odjednom dvije jedinice glukoze / maltozu.
Drugi enzimi, poput proteaza, razgrađuju proteine u zrnu u oblike koje kvasac može iskoristiti. Ovisno o tome kada se proces sladovanja zaustavi, dobiva se poželjan omjer škroba i enzima te djelomično pretvoren škrob u fermentabilne šećere. Slad također sadrži male količine drugih šećera, kao što su saharoza i fruktoza, koji nisu produkti modifikacije škroba, nego su se već nalazili u zrnu. Daljnja pretvorba u fermentabilne šećere postiže se tokom procesa ukomljavanja.
Hidroliza škroba
Tokom enzimske hidrolize enzimi kataliziraju proces saharifikacije, što znači da se ugljikohidrati (škrob) razgrađuju na svoje 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. Topljivi proteini važni su za zadržavanje i stabilnost pjene piva.
Arabinoksilani i β-glukan u ječmu
Arabinoksilani i β-glukan topljiva su prehrambena vlakna. Ekstrakti slada mogu sadržavati visoke razine arabinoksilana, što može uzrokovati poteškoće pri filtraciji jer viskozni ekstrakti mogu znatno pogoršati performanse procesa kuhanja piva. Za proces kuhanja piva visok sadržaj β-glukana u ječmu može dovesti do nedovoljne razgradnje staničnih stijenki, što zauzvrat otežava difuziju enzima, klijanje i mobilizaciju rezervi zrna, te stoga smanjuje ekstrakt slada. Zaostali β-glukan može također dovesti do jako viskozne sladovine, što izaziva problem filtracije u pivari, a može sudjelovati i u zrenju piva, uzrokujući hladnu mutnoću. Arabinoksilani se nalaze u staničnim stijenkama ječma, zobi, pšenice, raži, kukuruza, riže, sirka i prosa. Ekstraktabilnost i arabinoksilana i β-glukana znatno se povećava ultrazvučnom obradom (sonikacijom).
Antioksidansi u ječmu
Ječam sadrži više od 50 proantocijanidina, uključujući oligomerni i polimerni flavan-3-ol, katehin i galokatehin. Dimerni proantocijanin B3 i procijanidin B3 najzastupljeniji su u ječmu.
Poznato je da antioksidansi mogu odgoditi ili spriječiti reakcije oksidacije i reakcije slobodnih radikala kisika, zbog čega su važni u procesu sladovanja i kuhanja piva. Antioksidansi (npr. sulfiti, formaldehid, askorbat) koriste se kao aditivi u procesu kuhanja piva radi poboljšanja stabilnosti okusa piva. Oko 80% fenolnih spojeva u pivu potječe iz slada ječma.