Ultraschallgestütztes Mälzen und Keimen bei der Malzherstellung
- Mälzen ist ein zeitaufwendiger Prozess: Das Einweichen und die Wasseraufnahme der Getreidekörner benötigen viel Zeit und führen meist zu ungleichmäßigen Ergebnissen.
- Durch Ultraschallbehandlung lassen sich die Keimgeschwindigkeit, die Keimrate und die Keimausbeute von Gerste deutlich verbessern.
Malzherstellung
Malz / gemälztes Getreide wird häufig zur Herstellung von Bier, Whisky, Milchshakes mit Malz und Malzessig sowie als Lebensmittelzusatz verwendet. Beim Mälzen wird das getrocknete Getreide (z. B. Gerste) in Wasser eingeweicht, um die Keimung einzuleiten. Während der Keimung werden vorhandene Enzyme freigesetzt, neue Enzyme gebildet und die Zellwände des Endosperms aufgebrochen, um deren Zellinhalte freizusetzen und einen Teil der gespeicherten Proteine zu Aminosäuren abzubauen. Sobald ein bestimmter Keimungsgrad erreicht ist, wird die Keimung durch Trocknung gestoppt. Beim Mälzen des Getreides werden die Enzyme – insbesondere α-Amylase und β-Amylase – entwickelt, die für die Umwandlung der Getreidestärke in Zucker erforderlich sind. Zu den verschiedenen Zuckerarten gehören das Monosaccharid Glucose, das Disaccharid Maltose, das Trisaccharid Maltotriose und höhere Zucker, die als Maltodextrine bezeichnet werden. Das Weichen und Keimen des Getreides ist recht zeitaufwendig, da das Weichen 1–2 Tage und das Keimen weitere 4–6 Tage dauert. Dadurch ist die Malzherstellung zeitaufwendig und teuer.
Keimende Gerste
Durch Ultraschall verbessertes Mälzen
Die Lösung: Ultraschallbehandlung
- Ultraschallbehandlung verbessert die Keimfähigkeit und die Keimgeschwindigkeit von Gerstenkörnern.
Die Wirkungen von Ultraschall:
- Schnelleres und besseres Einweichen
- Schnellere Keimung
- Vollständigere Keimung
- Aktivierung von Enzymen
- Höhere Extraktionsrate
- Hochwertiges Malz
Diese durch Ultraschall ausgelösten Effekte beruhen auf einer erhöhten Enzymaktivität und auf Mikrorissen, die durch Ultraschallkavitation am Samenkorn entstehen. Das Gerstenkorn kann in kürzerer Zeit mehr Wasser aufnehmen, was zu einer deutlich verbesserten Hydratation der Samen führt. Eine schnelle Wasseraufnahme und eine gleichmäßige Keimung sind für eine gute Malzqualität wichtig, da ungekeimte Samen anfällig für Schäden durch Bakterien und Pilze sind.
Mälzen ist ein komplexer Prozess, an dem zahlreiche Enzyme beteiligt sind; zu den wichtigen zählen α-Amylase, β-Amylase, α-Glucosidase und Grenzdextrin. Beim Mälzen durchläuft die Gerste einen unvollständigen natürlichen Keimungsprozess, der eine Reihe enzymatischer Abbauvorgänge im Endosperm des Gerstenkorns umfasst. Durch diesen enzymatischen Abbau werden die Zellwände des Endosperms abgebaut und Stärkekörner aus der Endospermmatrix freigesetzt, in die sie eingebettet sind. Ultraschall aktiviert Enzyme und verbessert die Extraktionsrate intrazellulärer Stoffe, z. B. Stärke und Proteine. Arabinoxylanmoleküle neigen dazu, in verdünnten Polysaccharidlösungen makromolekulare Aggregate zu bilden. Die Ultraschallbehandlung trägt dazu bei, die Polysaccharidaggregate wirksam zu reduzieren. Durch den Abbau des Polysaccharids Stärke entstehen vergärbare Kohlenhydrate. Diese Kohlenhydrate werden bei der Gärung im Rahmen der Bierherstellung in Alkohol umgewandelt.
All diese Ultraschalleffekte auf die biochemischen Prozesse beim Mälzen führen zu einer kürzeren Keimdauer und einer höheren Keimrate / Keimausbeute. Die Verkürzung der Keimdauer bringt erhebliche wirtschaftliche Vorteile für die Mälzerei- und Brauindustrie.
Yaldagard et al. (2008) haben gezeigt, dass Ultraschall „das Potenzial hat, in Mälzprozessen als Verfahren zur Behandlung von Samen eingesetzt zu werden, um die Keimdauer zu verkürzen und den Gesamtanteil gekeimter Samen zu erhöhen.“
Schnellere Keimung durch Ultraschallbehandlung
Protokoll zur Ultraschallvorbehandlung von Gerstensaatgut
Gerstensamen Hordeum vulgare (9% Feuchtigkeitsgehalt; nach der Ernte 3 Monate bei Raumtemperatur gelagert)
Ultraschallgerät UP200H (200W, 24kHz), ausgestattet mit der Sonotrode S3 (radiale Form, 3mm Durchmesser, max. Eintauchtiefe 90mm)
Versuchsprotokoll:
Die Spitze der Sonotrode wurde etwa 9 mm in die aus Wasser und Gerstensamen bestehende Prozesslösung eingetaucht. Alle Versuche wurden an Proben mit 10 g Gerstensamen durchgeführt, die in 80 mL Leitungswasser dispergiert waren. Die direkte Beschallung mit einem Sonotrodensystem erfolgte bei Leistungseinstellungen von 20, 60 und 100%, wobei zusätzlich gerührt oder geschüttelt wurde. Dies diente dazu, stehende Wellen oder die Bildung feststofffreier Bereiche zu vermeiden und eine gleichmäßige Verteilung der Ultraschallwellen zu gewährleisten. Um die Bildung freier Radikale zu verringern, wurde das Ultraschallgerät mithilfe einer Steuerung des Tastverhältnisses auf Pulsbetrieb eingestellt. Das Tastverhältnis betrug bei allen Versuchen 50%. Die Lösung wurde bei einer konstanten Temperatur von 30°C für 5, 10 und 15 min behandelt. [Yaldagard et al. 2008]
Ergebnisse:
Die Ultraschallbehandlungen führen zu einer höheren Wasseraufnahme und einer schnelleren Keimung innerhalb kürzerer Zeit.
Die höchste Keimrate (etwa 100%) wurde bei einer Leistungseinstellung von 100% festgestellt. Bei Samen, die für 5, 10 und 15 min mit voller Leistung (Leistungseinstellung des Geräts: 100%) beschallt wurden, stieg die Keimrate von ~93,3% bei unbeschallten Samen auf 97,2%, 98% bzw. 99,4%. Diese Ergebnisse lassen sich möglicherweise auf mechanische Effekte der ultraschallinduzierten Kavitation zurückführen, welche die Wasseraufnahme durch die Zellwände erhöhen. Die Beschallung verbessert den Stofftransport und erleichtert das Eindringen von Wasser durch die Zellwand in das Zellinnere. Der Kollaps von Kavitationsblasen in der Nähe der Zellwände bricht die Zellstruktur auf und ermöglicht durch die ultraschallinduzierten Flüssigkeitsstrahlen einen guten Stofftransport.
Das Verfahren verkürzte die Zeit bis zum Beginn der Samenkeimung erheblich. Feine, haarartige Wurzeln bildeten sich in den behandelten Proben schneller und wuchsen im Vergleich zu den unbeschallten Samen üppiger. Bei Verwendung der wie oben beschrieben behandelten Gerste verkürzte sich die Keimdauer auf 4 bis 5 Tage (abhängig von der Ultraschallleistung und der Einwirkdauer), gegenüber den üblichen 7 Tagen. Darüber hinaus sank die mittlere Keimdauer nach einer Behandlungszeit von 15 min von 6,66 Tagen bei einer Leistungseinstellung von 20% auf 4,04 Tage bei einer Ultraschallleistungseinstellung von 100%. Die Auswertung der gewonnenen Daten zeigt, dass der Keimungsgrad und die mittlere Keimdauer während des Keimversuchs durch die unterschiedlichen Ultraschallleistungseinstellungen signifikant beeinflusst wurden. Alle Versuche ergaben eine erhöhte Keimung der Gerstensamen im Vergleich zur unbeschallten Kontrollprobe (Abb. 1). Die längste mittlere Keimdauer wurde bei einer Leistungseinstellung von 20% und die kürzeste mittlere Keimdauer bei einer Leistungseinstellung von 100% festgestellt (Abb. 2).
Höhere Keimrate und Keimausbeute mit Ultraschall
Ultraschallbehandlung verbessert nachweislich auch die Samenkeimung von Kichererbsen, Weizen, Tomaten, Paprika, Karotten, Rettich, Mais, Reis, Wassermelonen, Sonnenblumen und vielen weiteren Pflanzen.
Ultraschallgeräte
Hielscher Ultrasonics liefert zuverlässige Hochleistungs-Ultraschallgeräte für den Laboreinsatz, als Tischgeräte und für den industriellen Einsatz. Für das Samenpriming und das Mälzen im kommerziellen Maßstab empfehlen wir unsere industriellen Ultraschallsysteme wie den UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) oder UIP16000 (16kW). Vielfältige Durchflusszellenreaktoren und Zubehör ergänzen unser Produktsortiment. Alle Systeme von Hielscher sind äußerst robust und für den 24/7-Betrieb ausgelegt.
Um das ultraschallgestützte Samenpriming und die Keimung zu testen und zu optimieren, bieten wir Ihnen die Möglichkeit, unser vollständig ausgestattetes Ultraschall-Prozesslabor und Technikum zu besuchen!
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UIP1000hdT
Ultraschall
- Beschleunigte Keimung
- Höhere Ausbeute
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Literatur/Quellen
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Enhancing seed germination of four crop species using an ultrasonic technique. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): A Study of Barley Protein Composition during Beer Brewing Process using SE-HPLC. Abschlussarbeit an der Universität Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences, Schweden.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): The Effectiveness of Ultrasound Treatment on the Germination Stimulation of Barley Seed and its Alpha-Amylase Activity. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
Wissenswertes über Gerste und Malz
Der Mälzprozess
Beim Mälzen wird das Getreidekorn zum Keimen gebracht. Der Prozess umfasst drei Schritte: Weichen, Keimen und Darren. Beim Weichen wird den Körnern Wasser zugeführt, wodurch die Enzyme aktiviert werden. Das herkömmliche Weichen dauert 1–2 Tage. Nach 1–2 Tagen haben die Gerstenkörner einen Wassergehalt von 40–45% erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gerste aus dem Weichwasser entnommen und die Keimung beginnt.
Während der Keimung werden mehrere Enzyme gebildet oder aktiviert, die später beim Maischen von entscheidender Bedeutung sind. β-Glucane werden durch Endo-β-1,4-Glucanase und Endo-β-1,3-Glucanase abgebaut. Endo-β-1,4-Glucanase ist bereits in Gerste vorhanden, während Endo-β-1,3-Glucanase nur in Malz vorkommt. Da β-Glucane Gele bilden und dadurch Probleme bei der Filtration verursachen können, sind ein hoher β-Glucanasegehalt und ein niedriger β-Glucangehalt im Malz erwünscht. Während der Keimung nimmt der Stärkegehalt ab und der Zuckergehalt zu; die Stärke wird durch α-Amylase und β-Amylase abgebaut. Gerste enthält keine α-Amylase; diese wird während der Keimung gebildet, während β-Amylase bereits in Gerste vorhanden ist. Auch Proteine werden während der Keimung abgebaut. Peptidasen bauen 35 – 40 % der Proteine zu löslichen Stoffen ab. Nach 5 bis 6 Tagen ist die Keimung abgeschlossen, und die Lebensvorgänge werden durch Darren inaktiviert. Beim Darren wird dem Malz Wasser entzogen, indem heiße Luft hindurchgeleitet wird. Dadurch werden die Keimung und die Umwandlungsprozesse gestoppt; stattdessen entstehen durch Maillard-Reaktionen Farb- und Aromastoffe.
Enzyme beim Mälzen und Brauen
Die wichtigsten Enzyme für die Hydrolyse der Stärke in Gerste sind α-Amylase und β-Amylase, die die Hydrolyse von Stärke zu Zuckern katalysieren. Amylase baut Polysaccharide, insbesondere Stärke, zu Maltose ab. β-Amylase liegt vor der Keimung in einer inaktiven Form vor, während α-Amylase und Proteasen nach Beginn der Keimung auftreten. Da α-Amylase an beliebigen Stellen des Substrats angreifen kann, wirkt sie tendenziell schneller als β-Amylase. β-Amylase katalysiert die Hydrolyse der zweiten α-1,4-glykosidischen Bindung und spaltet dabei zwei Glucoseeinheiten / Maltose auf einmal ab.
Andere Enzyme, beispielsweise Proteasen, bauen die Proteine im Korn zu Formen ab, die von der Hefe genutzt werden können. Je nachdem, wann der Mälzprozess gestoppt wird, erhält man ein gewünschtes Stärke-Enzym-Verhältnis sowie Stärke, die teilweise in vergärbare Zucker umgewandelt wurde. Malz enthält auch geringe Mengen anderer Zucker wie Saccharose und Fructose, die keine Produkte der Stärkeumwandlung sind, sondern bereits im Korn vorhanden waren. Die weitere Umwandlung in vergärbare Zucker erfolgt beim Maischen.
Stärkehydrolyse
Bei der enzymatischen Hydrolyse katalysieren Enzyme den Verzuckerungsprozess, bei dem die Kohlenhydrate (Stärke) in ihre einzelnen Zuckermoleküle zerlegt werden. Durch die Hydrolyse wird die Energiereserve (Stärke) in Zucker umgewandelt, die der Keimling für sein Wachstum verbraucht.
Proteine in Gerste
Gerste hat einen Proteingehalt von 8 bis 15%. Gerstenproteine tragen wesentlich zur Qualität von Malz und Bier bei. Lösliche Proteine sind wichtig für die Haltbarkeit und Stabilität des Bierschaums.
Arabinoxylane und β-Glucan in Gerste
Arabinoxylane und β-Glucan sind lösliche Ballaststoffe. Malzextrakte können hohe Gehalte an Arabinoxylanen aufweisen, die Schwierigkeiten bei der Filtration verursachen können, da viskose Extrakte die Leistungsfähigkeit der Brauprozesse erheblich beeinträchtigen können. Beim Brauprozess kann ein hoher β-Glucangehalt in der Gerste zu einem unzureichenden Abbau der Zellwände führen. Dies behindert wiederum die Diffusion von Enzymen, die Keimung und die Mobilisierung der Reservestoffe im Korn und verringert dadurch die Malzextraktausbeute. Verbleibendes β-Glucan kann außerdem zu hochviskoser Würze und damit zu Filtrationsproblemen in der Brauerei führen. Zudem kann es an der Reifung des Biers beteiligt sein und dabei Kältetrübung verursachen. Arabinoxylane kommen in den Zellwänden von Gerste, Hafer, Weizen, Roggen, Mais, Reis, Sorghum und Hirse vor. Die Extrahierbarkeit sowohl von Arabinoxylanen als auch von β-Glucan wird durch Ultraschallbehandlung deutlich erhöht.
Antioxidantien in Gerste
Gerste enthält mehr als 50 Proanthocyanidine, darunter oligomeres und polymeres Flavan-3-ol, Catechin und Gallocatechin. Dimeres Proanthocyanin B3 und Procyanidin B3 kommen in Gerste am häufigsten vor.
Antioxidantien sind dafür bekannt, Oxidationsreaktionen und Reaktionen freier Sauerstoffradikale verzögern oder verhindern zu können, weshalb sie beim Mälzen und Brauen wichtig sind. Antioxidantien (z. B. Sulfite, Formaldehyd, Ascorbat) werden beim Brauen als Zusatzstoffe eingesetzt, um die Geschmacksstabilität des Biers zu verbessern. Etwa 80% der phenolischen Verbindungen im Bier stammen aus Gerstenmalz.