Ultrazvukové sladování a klíčení sladu
- Sladování je časově náročný proces: namáčení a hydratace semen zrna zabere spoustu času a dosahuje se většinou nerovnoměrných výsledků.
- Ultrazvukem lze výrazně zlepšit rychlost klíčení, rychlost a výnos ječmene.
Výroba sladu
Slad / sladové obilí je široce používáno k výrobě piva, whisky, sladových koktejlů, sladového octa a potravinářských přídatných látek. Během sladovacího procesu se sušené zrno (např. ječmen) namočí do vody, aby se začalo klíčit. Během klíčení se uvolňují stávající enzymy, produkují se nové enzymy a buněčné stěny endospermu se rozbíjejí, aby se uvolnil jejich buněčný obsah a také se rozložila část uloženého proteinu na aminokyseliny. Po dosažení určitého stupně klíčení se proces klíčení zastaví procesem sušení. Tím, že se sladovnická zrna enzymy – Jmenovitě α-amyláza a β-amyláza – potřebné pro modifikaci škrobů zrna na cukry. Mezi různé druhy cukru patří monosacharid glukóza, disacharid maltóza, trisacharid maltotrióza a vyšší cukry zvané maltodextriny. Máčení a klíčení zrna je poměrně časově náročné, vezmeme-li v úvahu, že máčení trvá 1-2 dny a klíčení dalších 4-6 dní. Díky tomu je výroba sladu časově náročná a nákladná.
Ultrazvukem vylepšené sladovnictví
Řešení: Sonikace
- Sonikace zlepšuje klíčivost a rychlost zrn ječmene.
Účinky ultrazvuku:
- Rychlejší a lepší namáčení
- Rychlejší klíčení
- Úplnější klíčení
- Aktivace enzymů
- Vyšší rychlost odsávání
- Vysoce kvalitní slad
Tyto ultrazvukem iniciované účinky jsou způsobeny zlepšenou enzymatickou aktivitou a mikrotrhlinami vyvolanými Ultrazvuková kavitace na semeni. Zrno ječmene může absorbovat více vody za kratší dobu, což vede k výraznému Zlepšená hydratace semen. Pro dobrou sladovnickou kvalitu je důležitá rychlá hydratace a rovnoměrné klíčení, protože nevyklíčená semena jsou náchylná k poškození bakteriemi a plísněmi.
Sladování je složitý proces, který zahrnuje mnoho enzymů; Důležité jsou α-amyláza, β-amyláza, α-glukosidáza a limit dextrínu. Během sladování prochází ječmen neúplným přirozeným procesem klíčení, který zahrnuje řadu enzymových degradací endospermu zrna ječmene. V důsledku této degradace enzymu dochází k degradaci buněčných stěn endospermu a škrobové granule se uvolňují z matrice endospermu, ve kterém jsou zapuštěny. Ultrazvuk aktivuje enzymy a zlepšuje rychlost extrakce intracelulárního materiálu, např. škrobu, proteinů. Molekuly arabinoxylanu mají tendenci tvořit makromolekulární agregáty ve zředěných roztocích polysacharidů. Ultrazvuku pomáhá účinně snižovat agregáty polysacharidů. Degradací polysacharidového škrobu vznikají zkvasitelné sacharidy. Tyto sacharidy se přeměňují na alkohol ve fermentačním kroku výroby piva.
Všechny tyto ultrazvukové účinky na biochemické procesy během sladování mají za následek a kratší doba klíčení a a vyšší klíčivost / výnos. Zkrácení doby klíčení má za následek významné Komerční výhody pro sladařský a pivovarnický průmysl.
Yaldagard et al. (2008) ukázal, že ultrazvuk “má potenciál být použit ve sladovnických procesech jako metoda úpravy semen ke zkrácení doby klíčení a zlepšení procenta celkové klíčivosti.”
Ultrazvukový protokol pro plnění semen ječmene
semena ječmene Hordeum vulgare (9% obsah vlhkosti; skladujte při pokojové teplotě po dobu 3 měsíců po sklizni)
Ultrazvukový přístroj UP200H (200W, 24kHz) vybavený sonotrodou S3 (radiální tvar, průměr 3mm, max. hloubka ponoru 90mm)
Protokol:
Špička rohoviny byla ponořena cca 9 mm do procesního roztoku skládajícího se z vody a semen ječmene. Všechny experimenty byly provedeny na vzorcích (10 g semen ječmene) dispergovaných v 80 ml vodovodní vody s přímou sonikací (sondový systém) při příkonu 20, 60 a 100%, s dalším mícháním nebo protřepáním. Toho bylo využito, aby se zabránilo stojatým vlnám nebo tvorbě pevných volných oblastí pro rovnoměrné rozložení ultrazvukových vln. Ultrazvukové zařízení bylo nastaveno do pulzačního režimu pomocí řízení pracovního cyklu, aby se snížila tvorba volných radikálů. Cyklus byl nastaven na 50 % pro všechny experimenty. Roztok byl zpracován při konstantní teplotě 30 °C po dobu 5, 10 a 15 minut. [Yaldagard et al. 2008]
Výsledky:
Ultrazvukové ošetření má za následek vyšší hydrataci a rychlejší klíčení v kratším čase.
Nejvyšší klíčivost semen (přibližně 100 %) byla zaznamenána při nastavení 100% výkonu. U semen sonikovaných po dobu 5, 10 a 15 minut při plném výkonu (nastavení výkonu zařízení na 100%) se klíčivost zvýšila z ~ 93,3% (nesonikovaná semena) na 97,2%, 98% a 99,4%. Tyto výsledky lze připsat mechanickým účinkům v důsledku ultrazvukem vyvolané kavitace, která zvyšuje absorpci vody buněčnými stěnami. Sonikace zvyšuje přenos hmoty a usnadňuje pronikání vody buněčnou stěnou do vnitřku buňky. Kolaps kavitačních bublin v blízkosti buněčných stěn narušuje buněčnou strukturu a umožňuje dobrý přenos hmoty díky ultrazvukovým kapalinovým paprskům.
Tato metoda výrazně zkrátila dobu potřebnou k zahájení klíčení semen. Vlasové kořínky se v ošetřených vzorcích objevovaly rychleji a rostly hojně ve srovnání s nesonikovanými semeny. Při použití ječmene ošetřeného výše uvedeným způsobem se doba klíčení zkrátila na 4 až 5 dní (v závislosti na ultrazvukovém výkonu a době expozice) z obvyklých 7 dnů. Kromě toho se průměrná doba klíčení snížila z 6,66 dne pro nastavení 20% výkonu na 4,04 dne pro nastavení ultrazvukového výkonu na 100 % po době zpracování 15 minut. Analýza výsledných dat naznačuje, že rozsah klíčení a průměrná doba klíčení byly významně ovlivněny různými nastaveními ultrazvukového výkonu během testu klíčení. Všechny experimenty vedly ke zvýšené klíčivosti semen ječmene ve srovnání s nesonikovanou kontrolou (obr. 1). Maximální průměrná doba klíčení byla zaznamenána pro nastavení 20% výkonu a minimální průměrná doba klíčení byla zaznamenána pro nastavení 100% výkonu (obr. 2).
Je také prokázáno, že sonikace zvyšuje klíčení semen cizrny, pšenice, rajčat, papriky, mrkve, ředkvičky, kukuřice, rýže, melounu, slunečnice a mnoha dalších.
Ultrazvuková zařízení
Hielscher Ultrasonics dodává spolehlivé vysoce výkonné ultrasonicators pro laboratorní, stolní a průmyslové použití. Pro základní nátěr a sladování semen v komerčním měřítku vám doporučujeme naše průmyslové ultrazvukové systémy, jako je UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) nebo UIP16000 (16 kW). Náš sortiment doplňují reaktory s průtokovými články a příslušenství. Všechny systémy Hielscher jsou extrémně robustní a postavené pro provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu.
Chcete-li otestovat a optimalizovat ultrazvukové plnění a klíčení semen, nabízíme vám možnost navštívit naši plně vybavenou ultrazvukovou procesní laboratoř a technické centrum!
Kontaktujte nás ještě dnes! Jsme rádi, že s vámi můžeme prodiskutovat váš proces!
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Odkazy
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Zvýšení klíčivosti semen čtyř druhů plodin pomocí ultrazvukové techniky. Experimentální zemědělství, 46/02, 2010. 231-242.
- Nilsson, Frida (2009): Studium proteinového složení ječmene během procesu vaření piva pomocí SE-HPLC. Studijní projekt pracuje na University of Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences, Švédsko.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Aplikace ultrazvukových vln jako základní techniky pro urychlení a zvýšení klíčivosti semen ječmene: optimalizace metody pomocí Taguchiho přístupu. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Účinnost ultrazvukového ošetření na stimulaci klíčení semen ječmene a jeho aktivitu alfa-amylázy. Mezinárodní časopis biologického, biomolekulárního, zemědělského, potravinářského a biotechnologického inženýrství 1/10, 2007.
Fakta o ječmeni & slad
Sladovnický proces
Při sladování klíčí obilné zrno a zahrnuje tři kroky: máčení, klíčení a hvozdění. Během louhování se do zrn přidává voda, která aktivuje enzymy. Konvenční máčení trvá 1-2 dny. Po 1-2 dnech dosáhla zrna ječmene obsahu vody 40-45%. V tomto okamžiku se ječmen vyjme z máčecí vody a začne klíčení.
Během klíčení se tvoří nebo aktivuje několik enzymů, které jsou později v procesu rmutování nezbytné. β-glukany se štěpí endo-β-1,4-glukanázou a endo-β-1,3-glukanázou. Endo-β-1,4-glukanáza je již přítomna v ječmeni, ale endo-β-1,3-glukanáza je přítomna pouze ve sladu. Vzhledem k tomu, že β-glukany tvoří gel, a tím mohou způsobit problémy při filtraci, je ve sladu žádoucí vysoký obsah β-glukanázy a nízký obsah β-glukanu. Obsah škrobu se během klíčení snižuje a obsah cukru zvyšuje a škrob je degradován α-amylázou a β-amylázou. V ječmeni není přítomna žádná α-amyláza; Vyrábí se během klíčení, zatímco β-amyláza je již přítomna v ječmeni. Bílkoviny jsou také degradovány během klíčení. Peptidázy rozkládají 35 – 40 % bílkovin na rozpustný materiál. Po 5 až 6 dnech je klíčení ukončeno a jeho životní procesy jsou inaktivovány hvozděním. Při hvozdění se voda odstraňuje průchodem horkého vzduchu přes slad. Tím se zastaví klíčení a modifikace a místo toho se pomocí Maillardových reakcí vytvoří barevné a chuťové sloučeniny.
Enzymy ve sladovnictví & Proces vaření piva
Nejdůležitějšími enzymy pro hydrolýzu škrobu v ječmeni jsou enzymy α-amyláza a β-amyláza, které katalyzují hydrolýzu škrobu na cukry. Amyláza degraduje polysacharidy, jmenovitě škrob, na maltózu. β-amyláza je přítomna v neaktivní formě před klíčením, zatímco α-amyláza a proteázy se objevují po zahájení klíčení. Vzhledem k tomu, že α-amyláza může působit kdekoli na substrátu, má tendenci být rychlejší než β-amyláza. β-amyláza katalyzuje hydrolýzu druhé α-1,4 glykosidické vazby a odštěpuje dvě glukózové jednotky / maltózu najednou.
Jiné enzymy, jako jsou proteázy, rozkládají bílkoviny v zrnu na formy, které mohou kvasinky využít. V závislosti na tom, kdy je proces sladování zastaven, se získá preferovaný poměr škrob / enzym a částečně se škrob přemění na zkvasitelné cukry. Slad také obsahuje malé množství dalších cukrů, jako je sacharóza a fruktóza, které nejsou produkty modifikace škrobu, ale byly již v zrnu. Další přeměny na zkvasitelné cukry je dosaženo během procesu rmutování.
Hydrolýza škrobu
Během enzymatické hydrolýzy enzymy katalyzují proces cukernatění, což znamená, že sacharidy (škrob) jsou rozděleny na molekuly cukru, které jsou jeho součástí. Hydrolýzou se energetický zdroj (škrob) přeměňuje na cukry, které klíček spotřebovává pro růst.
Bílkoviny v ječmeni
Ječmen má obsah bílkovin 8 až 15 %. Bílkoviny z ječmene se zásadně podílejí na kvalitě sladu a piva. Rozpustné proteiny jsou důležité pro zachování a stabilitu pivní pěny.
Arabinoxylany a β-glukan v ječmeni
Arabinoxylany a β-glukan jsou rozpustná vláknina. Sladové extrakty mohou obsahovat vysoké hladiny arabinoxylanů, což může způsobit potíže při filtraci, protože viskózní extrakty mohou výrazně zhoršit výkon pivovarských procesů. Pro proces vaření piva může vysoký obsah β-glukanu v ječmeni vést k nedostatečné degradaci buněčných stěn, což zase brání difúzi enzymů, klíčení a mobilizaci zásob zrna, a tím snižuje sladový extrakt. Zbytkový β-glukan může také vést k vysoce viskózní mladině, což způsobuje problém s filtrací v pivovaru, a může se podílet na zrání piva, což způsobuje chladný opar. Arabinoxylany se nacházejí v buněčných stěnách ječmene, ovsa, pšenice, žita, kukuřice, rýže, čiroku a prosa. Extrahovatelnost jak arabinoxylanů, tak β-glukanu se významně zvyšuje sonikací.
Antioxidanty v ječmeni
Ječmen obsahuje více než 50 proanthokyanidinů včetně oligomerních a polymerních flavan-3-olů, katechinu a galokatechinu. Dimerní proantokyanin B3 a prokyanidin B3 jsou nejhojnější v ječmeni.
Antioxidanty jsou známé svou schopností oddálit nebo zabránit oxidačním reakcím a reakcím volných radikálů kyslíku, což je činí důležitými v procesu sladování a vaření piva. Antioxidanty (např. siřičitany, formaldehyd, askorbát) se používají jako přísady v procesu vaření piva, aby se zlepšila stabilita chuti piva. Asi 80 % fenolických sloučenin v pivu pochází z ječného sladu.