Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallmälzen und Keimen

 

  • Das Mälzen ist ein zeitaufwändiger Prozess: Das Einweichen und Aufquellen der Gerstenkörner dauert lange und erzielt eine nur unvollständige Keimung.
  • Mittels Ultraschall können die Keimungsgeschwindigkeit und die Keimungsrate von Gerste deutlich verbessert werden.

 

 

Malzherstellung

Malz bzw. gemälztes Getreide wird für die Herstellung von Bier, Whisky, alkoholfreie Malzgetränke, Malzessig sowie als Zusatzstoff in Lebensmitteln eingesetzt. Während des Mälzens wird das das getrocknete Korn (z.B. Gerste) in Wasser eingeweicht, so dass es keimen kann. Während der Keimung werden vorhandene Enzyme freigesetzt, neue Enzyme produziert und die Zellwände des Endosperms werden aufgebrochen, um auch den Zellenhalt freizugeben. Zudem werden die gespeicherten Proteine teilweise in Aminosäuren umgewandelt. Sobald ein gewisser Grad der Keimung erreicht ist, wird der Keimungsprozess durch ein Trocknungsverfahren angehalten. Durch das Mälzen des Getreides werden die Enzyme – α-Amylase und die β-Amylase – freigesetzt, welche die Stärke im Korn in Zucker umwandeln. Zu den verschiedenen Zuckerarten gehören das Monosaccharid Glukose, das Disaccharid Maltose, das Trisaccherid Maltotriose sowie höherwertige Alkohole (Maltodextrine). Das Einweichen und die Keimung des Getreides benötigen viel Zeit: Das Einweichen beansprucht 1-2 Tage und für die die Keimung werden zusätzlich 4-6 Tage benötigt. Dies macht die Malzherstellung zeitaufwändig und teuer.

Sondierung verbessert die Keimfähigkeit

Keimende Gerste

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Verbesserte Mälzung mit Ultraschall

Die Lösung: Ultraschall

  • Durch die Beschallung mit Ultraschall wird die Keimfähigkeit und Keimgeschwindigkeit von Gerste verbessert.

Die Effekte des Ultraschalls:

  • Schnelleres und besseres Einweichen
  • Schnellere Keimung
  • Vollständigere Keimung
  • Aktivierung von Enzymen
  • Höhere Extraktionsrate
  • Hochwertiger Malz

Die Wirkung des Ultraschalls wird sowohl durch die verbesserte enzymatische Aktivität als auch durch Mikrorisse hervorgerufen, welche durch Ultraschallkavitation auf dem Korn entstehen. Das Getreide kann dadurch in kürzerer Zeit deutlich mehr Wasser aufnehmen, wodurch es zu einer deutlich verbesserten Wasseraufnahme des Kornes kommt. Ein schnelles Einweichen und eine gleichmäßige Keimung sind wichtig für eine qualitativ hochwertige Braugerste, da ungekeimtes Korn für Bakterien- und Pilzbefall anfällig ist.
Die Mälzung ist ein komplexer Prozess, in den viele Enzyme involviert sind. Die wichtigsten Enzyme sind die α-Amylase, β-Amylase, α-Glucosidase und Grenzdrextrine. Während des Mälzens durchläuft die Gerste einen unvollständigen natürlichen Keimungsprozess, bei der eine Reihe von Enzymen Stoffe im Endosperm der Gerste abbauen. Durch diesen enzymatischen Abbau werden auch die Zellwände des Endosperms zersetzt, so dass die Stärke aus der Matrix des Endosperms freigesetzt wird. Durch Ultraschall werden die Enzyme aktiviert und die Extraktionsrate und der Massetransfer des intrazellulären Materials (z.B. Stärke, Proteine) wird erhöht. Arabinoxylanmoleküle neigen beispielsweise dazu, makromolekulare Aggregate zu bilden. Ultraschall hilft dabei, die Polysaccharidaggregate effektiv zu zerkleinern. Durch den Abbau der Polysaccharidstärke werden fermentierbare Kohlenhydraten verfügbar. Diese Kohlenhydrate werden während der Gärung von Bier in Alkohol umgewandelt.

Die Beschallung während der Mälzung führt zu einer kürzeren Keimzeit und einer höheren Keimungsrate / Ertrag. Durch die verkürzte Keimdauer kann für die Mälzerei und die Brauindustrie ein beachtlicher wirtschaftlicher Nutzen erzielt werden.

Yaldagard et al. (2008) haben gezeigt, dass Ultraschall „eine erfolgreiche Methode ist, um die Körner der Braugerste vorzubehandeln. Dadurch können sowohl die Keimungsrate als auch der Prozentsatz der Gesamtkeimlinge verbessert werden.“

Yaldagard et al. 2008 untersuchten die ultraschallverbesserte Keimung von Gerstensamen.

Schnellere Keimung mittels Ultraschall

Beschallungsprotokoll für die Ultraschallvorbehandlung von Gerste

Material:
Gerste Hordeum vulgare (9% Feuchtigkeitsgehalt; nach der Ernte für 3 Monate bei Raumtemperatur gelagert)
Ultraschallgerät UP200H (200W, 24kHz) mit Sonotrode S3 (radiale Form, Durchmesser: 3mm, max. Eintauchtiefe 90mm)

Protokoll:
Die Spitze der Ultraschallsonotrode wurde ca. 9 mm in die Mischung aus Wasser und Gerstenkörner eingetaucht. Für alle Experimente wurden mit folgendem Probenmaterial durchgeführt: 10g Gerstenkörner in 80ml Leitungswasser wurden mit einem Ultraschallgerät unter ständigem Rühren direkt beschallt. Die Leistungdes Ultraschallgerätes UP200H wurde jeweils auf 20, 60 und 100% eingestellt. Zudem wurde der Pulsationsmodus des Ultraschall (Pulsmodus 50%) gewählt, um die Bildung freier Radikale zu reduzieren. Die jeweiligen Proben wurde bei einer konstanten Temperatur von 30°C für jeweils 5, 10 und 15 Min. beschallt. [Yaldagard et al. 2008]

Ergebnisse:
Durch die Ultraschallbehandlung konnte eine höhere Flüssigkeitsaufnahme der Gerstenkörner und eine schnellere Keimung in kürzerer Zeit erreicht werden.
Die beste Keimungsrate (von ca. 100%) der Gerste wurde bei einer Leistungseinstellung von 100% erreicht. Die Keimsaat wurde jeweils für 5, 10 und 15 Min. bei voller Ultraschallleistung (100% Leistungseinstellung des Ultraschallgeräts UP200H) beschallt. Dadurch stieg die Keimung von ~93.3% (nicht beschallte Samen) auf 97,2%, 98% und 99,4% an. Diese Ergebnisse werden durch die Ultraschallkavitation erzielt. Durch die ultraschall-generierten Scherkräfte wird der Massetransfer erhöht und die Wasseraufnahme der Keimsaat deutlich gesteigert. Die Beschallung fördert den Stoffaustausch und erleichtert das Eindringen von Wasser durch die Zellwand in das Innere der Zelle. Wenn Kavitationsblasen in der Nähe der Zellen platzen, wird dadurch die Zeltstruktur aufgeschlossen. Die Druckunterschiede und Flüssigkeitsstrahlen sorgen für einen gute Stoffaustausch zwischen Zellen und Medium.
Die ultraschall-gestützte Vorverhandlung der Gerstenkörner reduziert den Zeitbedarf für die Keimung. Die feinen, härchenartigen Wurzeln erschienen in den beschallten Proben schneller und trieben im Vergleich zu den nicht-beschallten Samen schneller aus. Wurden die Gerstensamen wie oben beschrieben mit Ultraschall behandelt, wurde dadurch die Keimzeit auf 4 bzw. 5 Tage verkürzt (abhängig von der Ultraschallleistung und Beschallungsdauer). Die unbeschallten Kontrollproben benötigten hingegen 7 Tage, um den gleichen Keimungsgrad zu erreichen. Die genaue Auswertung der Proben zeigte, dass die durchschnittliche Keimungsdauer bei einer Beschallungsdauer von 15 Min bei 20% Ultraschallleistung auf 6,66 Tage und bei 100% Ultraschallleistung auf 4,04 Tage gesenkt wurde. Die Datenanalyse zeigt, dass die verschiedenen Ultraschallleistungseinstellungen (20%, 60%, 100%) den Keimungsgrad und die durchschnittliche Keimungszeit stark beeinflusst. Alle beschallten Proben zeigten im Vergleich zu den nicht-beschallten Proben deutlich eine erhöhte Keimung der Gerstensamen (s. Abb. 1). Die durchschnittlich längste Keimdauer wurde für die Proben, die bei 20% Ultraschallleistung beschallt wurden, gemessen. Die kürzeste durchschnittliche Keimdauer wurde bei den Proben beobachtet, die bei 100% Ultraschallleistung beschallt wurden (s. Abb. 2).

Höhere Ausbeute durch Ultraschallmälzung.

Höhere Keimungsraten und Erträge mittels Ultraschall

Die Ultraschall-Vorbehandlung von Saatgut wurde zudem bereits für Kichererbsen, Weizen, Tomaten, Paprika, Karotte, Rettich, Mais, Reis, Wassermelone, Sonnenblume und viele weitere Samen untersucht und zeigte eine deutliche verbesserte Keimung.

Ultraschallgeräte

Hielscher Ultrasonics liefert zuverlässige High-Power-Ultraschallgeräte für Labor, Benchtop und Industrie. Für die Vorverhandlung von Samen und Saatgut und das Wälzen im industriellen Maßstab empfehlen wir Ihnen unsere industriellen Ultraschallsysteme, z.B. UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW) UIP10000 (10kW) oder UIP16000 (16kW). Verschiedene Durchflussreaktoren und Zubehör vervollständigen unser Sortiment. Alle Hielscher Ultraschallsysteme sind äußerst robust und für den 24/7-Betrieb gebaut.
Um die Ultraschall-gestützte Vorberhandlung von Gerste und anderen Samen zu testen und optimieren, bieten wir Ihnen die Möglichkeit, unsere voll ausgestattetes Ultraschall-Prozesslabor und Technikum besuchen!
Kontaktieren Sie uns heute! Wir freuen uns darauf, Ihren Prozess mit Ihnen zu besprechen!

Die UIP

UIP1000hdT

Verbesserte Keimung durch
Ultraschall

  • Beschleunigte Keimung
  • höhere Ausbeute

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Literatur



Fakten über Gerste & Malz

Das Mälzungsverfahren

Beim Mälzen wird die Keimung von Getreide gestartet. Das Mälzen besteht aus drei Schritten: dem Einweichen, Keimen und Darren. Für das Einweichen werden die Gerstenkörnern in Weichbottichen mit Wasser eingeweicht, um die Enzyme zu aktivieren. Das konventionelle Einweichen dauert 1-2 Tage. Nach 1-2 Tagen haben die Gerstenkörner einen Wassergehalt von 40-45% erreicht. An diesem Punkt wird die Gerste aus dem Wasser genommen und die Keimung beginnt.
Während der Keimung werden mehrere Enzyme gebildet bzw. aktiviert, welche später für das Maischen sind von großer Bedeutung sind. Β-Glucane werden durch Endo-β-1,4-Glucanase und Endo-β-1,3-Glucanase aufgeschlüsselt. Endo-β-1,4-Glucanase ist bereits in der Gerste vorhanden, Endo-β-1,3-Glucanase wird hingegen erst während des Malzens gebildet. Da die β-Glucane gelbildend sind, können dadurch Probleme bei der Filtration entstehen.Daher ist ein hoher β-Glucanase-gehalt und ein niedriger β-Glucan-Gehalt für Malz wünschenswert. Während der Keimung nimmt der Stärkegehalt ab und der Zuckergehalt nimmt zu, da die Stärke durch α-Amylase und β-Amylase enzymatisch abgebaut wird. Im Gerstengetreide liegt noch keine α-Amylase vor; sie entsteht erst während der Keimung, während β-Amylase bereits im unbehandelten Gerstenkorn vorhanden ist. Auch Proteine werden während der Keimung abgebaut. Peptidasen zersetzen 35 – 40% der Proteine in lösliches Material. Nach 5 bis 6 Tagen ist der Keimungsprozess abgeschlossen und wird durch Darren abgebrochen. In der Darre wird mittels Heißlufttrocknung das Wasser entzogen. Dadurch wird die weitere Keimung unterbunden. Stattdessen werden durch das Darren sogenannte Maillard-Reaktionen gestartet, die dem Malz seine Farb- und Geschmackskomponenten verleihen.

Enzyme im Mälz- & Brauprozess

Die wichtigsten Enzyme für die Stärkehydrolyse in Gerste sind die α-Amylase und β-Amylase, welche während die Hydrolyse von Stärke in Zucker katalysieren. Die Amylasen zersetzen die Polysaccharide, d.h. sie wandeln Stärke in Maltose um. Während die β-Amylase in einer inaktiven Form bereits vor der Keimung im Endosperm des Gerstenkorns vorhanden ist, werden die α-Amylase und Protesten erst während der Keimung gebildet. Da die α-Amylase überall auf dem Substrat ansetzen kann, wirkt sie schneller als die β-Amylase. Die Β-Amylase katalysiert hingegen nur die Hydrolyse der zweiten α-1,4-glycosidischen Bindung, bei der sie aus zwei Glucose-Einheiten / Maltose auf einmal abtrennt.
Andere Enzyme, wie z.B. die Proteasen (Peptidasen), bauen Proteine im Korn zu Aminosäuren ab, die dann von den Hefen vergärt werden können. Je nachdem, wann die Malzprozess abgebrochen wird, erhält man ein günstiges Stärke / Enzym-Verhältnis. Malz enthält zudem einen geringe Anteil von anderen Zuckerarten wie Saccharose und Fructose, welche nicht durch Stärkeabbau entstanden sind, sondern bereits im Korn vorhanden waren. Deren weitere Umwandlung in vergärbaren Zucker findet während des Maischens statt.

Stärke-Hydrolyse

Während der enzymatischen Hydrolyse katalysieren die Enzyme den Verzuckerungsprozess, was bedeutet, dass die Kohlenhydrate (Stärke) in Zuckermoleküle gespaltet werden. Bei der Hydrolyse wird die gespeicherte Energie (Stärke) in Zucker umgewandelt, welche vom Keimling für das Wachstum genutzt werden kann.

Proteine in Gerste

Gerste hat einen Proteingehalt von 8 bis 15 %. Gerstenproteine tragen wesentlich zur Malz- und Bierqualität bei. So sind die löslichen Proteine bspw. für die Bildung und Stabilität der Bierschaumkrone wichtig.

Arabinoxylan und β-Glucan in Gerste

Arabinoxylan und β-Glucan sind lösliche Ballaststoffe. Malzextrakte können einen hohen Arabinoxylangehalt aufweisen, wodurch Schwierigkeiten während der Filtration auftreten können, da die viskosen Extrakte die Brauprozesse erheblich behindern. Beim Bierbrauen führt ein hoher β-Glucangehalt in der Gerste zu unzureichenden Aufschluss der Zellwände. Dadurch wird die Diffusion der Enzymen behindert, welche für die Keimung wichtig sind, und verringert folglich die Ausbeute und die Qualität des Malzextraktes. β-Durch Glucanrückstände kann es zudem auch zu einer hochviskosen Würze kommen, was die Filtrierung in der Brauerei erschwert und die Rückstände eine Kältetrübung verursachen können. Arabinoxylane findet man in der Zellwände von Gerste, Hafer, Weizen, Roggen, Mais, Reis, Sorghum und Hirse. Arabinoxylane und β-Glucane lassen sich mittels Ultraschall deutlich besser und vollständiger extrahieren, so dass die Probleme durch β-Glucan- und Arabinoxylanrückstände vermieden werden.

Antioxidantien in Gerste

Gerste enthält mehr als 50 Proanthocyanidine, einschließlich des oligomerischen und polymeren Flavan-3-ol, Catechin und Gallocatechin. Das dimere Proanthocyanin B3 und Procyanidin B3 sind die am häufigsten vorkommenden Antioxidantien in Gerste.
Antioxidantien sind bekannt dafür, Oxidationsreaktionen sowie Reaktionen mit freien Sauerstoffradikalen zu verlangsamen. Daher sind sie für das Wälzen und Brauen sehr wichtig. Antioxidantien (z.B. Sulfit, Formaldehyd, Ascorbat) werden als Zusatzstoffe im Brauprozess verwendet, um die Stabilität des Biergeschmackes zu verbessern. Etwa 80 % der phenolischen Verbindungen in Bier stammen aus Gerstenmalz.