Malteado ultrasónico y germinación de la malta
- El malteado es un proceso que requiere mucho tiempo: el remojo y la hidratación de los granos tardan mucho y suelen producir resultados poco uniformes.
- La ultrasonicación permite mejorar significativamente la velocidad, la tasa y el rendimiento de germinación de la cebada.
Producción de malta
La malta / el grano malteado se utiliza ampliamente para elaborar cerveza, whisky, batidos de malta y vinagre de malta, así como aditivo alimentario. Durante el proceso de malteado, el grano seco (p. ej., cebada) se remoja en agua para iniciar la germinación. Durante la germinación se liberan las enzimas existentes, se producen nuevas enzimas y se rompen las paredes celulares del endospermo para liberar su contenido celular y descomponer parte de las proteínas almacenadas en aminoácidos. Cuando se alcanza un determinado grado de germinación, el proceso se detiene mediante el secado. Al maltear los granos, se desarrollan las enzimas –concretamente, α-amilasa y β-amilasa– necesarias para transformar los almidones del grano en azúcares. Los distintos tipos de azúcares incluyen el monosacárido glucosa, el disacárido maltosa, el trisacárido maltotriosa y azúcares superiores denominados maltodextrinas. El remojo y la germinación del grano requieren bastante tiempo, teniendo en cuenta que el remojo dura 1–2 días y la germinación requiere otros 4–6 días. Esto hace que la producción de malta sea lenta y costosa.
Cebada en germinación
Malteado mejorado mediante ultrasonidos
La solución: sonicación
- La sonicación mejora la capacidad y la velocidad de germinación de los granos de cebada.
Los efectos de los ultrasonidos:
- Remojo más rápido y eficaz
- Germinación más rápida
- Germinación más completa
- Activación de enzimas
- Mayor tasa de extracción
- Malta de alta calidad
Estos efectos iniciados por los ultrasonidos se deben a una mayor actividad enzimática y a las microfisuras inducidas por la cavitación ultrasónica en la semilla. El grano de cebada puede absorber más agua en menos tiempo, lo que permite una hidratación significativamente mejor de las semillas. Una hidratación rápida y una germinación uniforme son importantes para obtener un malteado de buena calidad, ya que las semillas sin germinar son susceptibles a daños causados por bacterias y hongos.
El malteado es un proceso complejo en el que intervienen numerosas enzimas; entre las más importantes se encuentran la α-amilasa, la β-amilasa, la α-glucosidasa y la dextrina límite. Durante el malteado, la cebada experimenta un proceso de germinación natural incompleta que implica una serie de degradaciones enzimáticas del endospermo del grano. Como resultado de esta degradación enzimática, se degradan las paredes celulares del endospermo y se liberan los gránulos de almidón de la matriz del endospermo en la que están integrados. Los ultrasonidos activan las enzimas y mejoran la tasa de extracción del material intracelular, como el almidón y las proteínas. Las moléculas de arabinoxilano tienden a formar agregados macromoleculares en soluciones diluidas de polisacáridos. La ultrasonicación ayuda a reducir eficazmente los agregados de polisacáridos. La degradación del polisacárido almidón produce carbohidratos fermentables. Estos carbohidratos se convierten en alcohol durante la etapa de fermentación de la elaboración de cerveza.
Todos estos efectos de los ultrasonidos sobre los procesos bioquímicos durante el malteado dan lugar a un menor tiempo de germinación y una mayor tasa / rendimiento de germinación. Acortar el periodo de germinación aporta importantes beneficios comerciales a la industria maltera y cervecera.
Yaldagard et al. (2008) demostraron que los ultrasonidos «tienen potencial para utilizarse en los procesos de malteado como método de tratamiento de semillas para reducir el periodo de germinación y mejorar el porcentaje de germinación total».
Germinación más rápida mediante sonicación
Protocolo de preacondicionamiento de semillas de cebada mediante ultrasonidos
Semillas de cebada Hordeum vulgare (9% de contenido de humedad; almacenadas a temperatura ambiente durante 3 meses después de la cosecha)
Equipo ultrasónico UP200H (200 W, 24 kHz) equipado con sonotrodo S3 (forma radial, diámetro de 3 mm, profundidad máxima de inmersión de 90 mm)
Protocolo:
La punta del sonotrodo se sumergió aproximadamente 9 mm en la solución de proceso, compuesta por agua y semillas de cebada. Todos los experimentos se realizaron con muestras (10 g de semillas de cebada) dispersas en 80 mL de agua del grifo mediante sonicación directa (sistema de sonda), con una potencia de entrada del 20, 60 y 100% y agitación adicional. Esta agitación se empleó para evitar las ondas estacionarias o la formación de regiones sin sólidos y conseguir una distribución uniforme de las ondas ultrasónicas. El equipo ultrasónico se configuró en modo pulsado, con control del ciclo de trabajo, para reducir la formación de radicales libres. El ciclo se ajustó al 50% en todos los experimentos. La solución se procesó a una temperatura constante de 30 °C durante 5, 10 y 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Resultados:
Los tratamientos ultrasónicos producen una mayor hidratación y una germinación más rápida en menos tiempo.
La mayor germinación de las semillas (aproximadamente 100%) se registró con el ajuste de potencia del 100%. En las semillas sonicadas durante 5, 10 y 15 min a plena potencia (ajuste de potencia del equipo del 100%), la tasa de germinación aumentó del ~93,3% (semillas sin sonicar) al 97,2%, 98% y 99,4%, respectivamente. Estos resultados pueden atribuirse a los efectos mecánicos de la cavitación inducida por ultrasonidos, que aumenta la absorción de agua por las paredes celulares. La sonicación mejora la transferencia de masa y facilita la penetración del agua a través de la pared celular hacia el interior de la célula. El colapso de las burbujas de cavitación cerca de las paredes celulares rompe la estructura celular y favorece una buena transferencia de masa gracias a los chorros de líquido generados por los ultrasonidos.
El método redujo considerablemente el tiempo necesario para iniciar la germinación de las semillas. Las raicillas aparecieron más rápidamente en las muestras tratadas y crecieron abundantemente en comparación con las semillas sin sonicar. Al utilizar cebada tratada como se describe anteriormente, el periodo de germinación se redujo de los 7 días habituales a 4 a 5 días (según la potencia ultrasónica y el tiempo de exposición). Además, el tiempo medio de germinación disminuyó de 6,66 días con el ajuste de potencia del 20% a 4,04 días con el ajuste de potencia ultrasónica del 100%, tras un tiempo de procesamiento de 15 min. El análisis de los datos obtenidos indica que los distintos ajustes de potencia ultrasónica afectaron significativamente al grado de germinación y al tiempo medio de germinación durante el ensayo. Todos los experimentos produjeron un aumento de la germinación de las semillas de cebada en comparación con el control sin sonicar (Fig. 1). El tiempo medio de germinación máximo se registró con el ajuste de potencia del 20% y el mínimo con el ajuste de potencia del 100% (Fig. 2).
Mayor tasa y rendimiento de germinación con ultrasonidos
También se ha demostrado que la sonicación mejora la germinación de semillas de garbanzo, trigo, tomate, pimiento, zanahoria, rábano, maíz, arroz, sandía, girasol y muchas otras especies.
Equipos ultrasónicos
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UIP1000hdT
ultrasonidos
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Bibliografía y referencias
- 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. Trabajos de fin de estudios realizados en la Universidad de Kalmar, Escuela de Ciencias Naturales Puras y Aplicadas, Suecia.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Aplicación de ondas ultrasónicas como técnica de cebado para acelerar y mejorar la germinación de la semilla de cebada: Optimización del método mediante el enfoque Taguchi. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Eficacia del tratamiento con ultrasonidos en la estimulación de la germinación de la semilla de cebada y su actividad alfa-amilasa. Revista Internacional de Ingeniería Biológica, Biomolecular, Agrícola, Alimentaria y Biotecnológica 1/10, 2007.
Datos sobre la cebada y la malta
El proceso de malteado
En el malteado, el grano de cereal germina y pasa por tres etapas: remojo, germinación y secado en horno. Durante el remojo se añade agua a los granos, lo que activa las enzimas. El remojo convencional dura 1–2 días. Después de 1–2 días, los granos de cebada han alcanzado un contenido de agua del 40–45%. En ese momento se retira la cebada del agua de remojo y comienza la germinación.
Durante la germinación se forman o activan varias enzimas que posteriormente son esenciales en el proceso de maceración. Los β-glucanos se descomponen mediante la endo-β-1,4-glucanasa y la endo-β-1,3-glucanasa. La endo-β-1,4-glucanasa ya está presente en la cebada, mientras que la endo-β-1,3-glucanasa solo está presente en la malta. Dado que los β-glucanos forman geles y, por ello, pueden causar problemas de filtración, es deseable que la malta tenga un contenido elevado de β-glucanasa y un contenido bajo de β-glucano. Durante la germinación disminuye el contenido de almidón y aumenta el de azúcares, y el almidón se degrada mediante la α-amilasa y la β-amilasa. La cebada no contiene α-amilasa; esta se produce durante la germinación, mientras que la β-amilasa ya está presente en la cebada. Las proteínas también se degradan durante la germinación. Las peptidasas degradan el 35 – 40 % de las proteínas y las convierten en material soluble. Después de 5 a 6 días, la germinación se completa y los procesos vitales se inactivan mediante el secado en horno. En esta etapa se elimina el agua haciendo pasar aire caliente a través de la malta. Esto detiene la germinación y las modificaciones, y en su lugar se forman compuestos de color y sabor mediante las reacciones de Maillard.
Enzimas en el proceso de malteado y elaboración de cerveza
Las enzimas más importantes para la hidrólisis del almidón de la cebada son la α-amilasa y la β-amilasa, que catalizan la hidrólisis del almidón en azúcares. La amilasa degrada los polisacáridos, concretamente el almidón, en maltosa. La β-amilasa está presente en forma inactiva antes de la germinación, mientras que la α-amilasa y las proteasas aparecen una vez que la germinación ha comenzado. Como la α-amilasa puede actuar en cualquier punto del sustrato, suele actuar más rápidamente que la β-amilasa. La β-amilasa cataliza la hidrólisis del segundo enlace glucosídico α-1,4, escindiendo dos unidades de glucosa / maltosa a la vez.
Otras enzimas, como las proteasas, descomponen las proteínas del grano en formas que la levadura puede utilizar. Según el momento en que se detenga el proceso de malteado, se obtiene la proporción deseada de almidón / enzimas y almidón parcialmente convertido en azúcares fermentables. La malta también contiene pequeñas cantidades de otros azúcares, como sacarosa y fructosa, que no son productos de la modificación del almidón, sino que ya estaban presentes en el grano. Durante el proceso de maceración se consigue una conversión adicional en azúcares fermentables.
Hidrólisis del almidón
Durante la hidrólisis enzimática, las enzimas catalizan el proceso de sacarificación, es decir, los carbohidratos (almidón) se descomponen en las moléculas de azúcar que los constituyen. Mediante la hidrólisis, el recurso energético (almidón) se convierte en azúcares que el germen consume para crecer.
Proteínas de la cebada
La cebada tiene un contenido de proteínas del 8 al 15%. Las proteínas de la cebada contribuyen de forma esencial a la calidad de la malta y la cerveza. Las proteínas solubles son importantes para la retención y la estabilidad de la espuma de la cerveza.
Arabinoxilanos y β-glucano en la cebada
Los arabinoxilanos y el β-glucano son fibras alimentarias solubles. Los extractos de malta pueden contener niveles elevados de arabinoxilanos que pueden dificultar la filtración, ya que los extractos viscosos pueden perjudicar considerablemente el rendimiento de los procesos de elaboración de cerveza. En la elaboración de cerveza, un contenido elevado de β-glucano en la cebada puede provocar una degradación insuficiente de las paredes celulares, lo que a su vez dificulta la difusión de las enzimas, la germinación y la movilización de las reservas del grano y, por tanto, reduce el extracto de malta. El β-glucano residual también puede dar lugar a un mosto muy viscoso, lo que genera problemas de filtración en la cervecería, y puede intervenir en la maduración de la cerveza, causando turbidez en frío. Los arabinoxilanos se encuentran en las paredes celulares de la cebada, la avena, el trigo, el centeno, el maíz, el arroz, el sorgo y el mijo. La sonicación aumenta significativamente la extractabilidad tanto de los arabinoxilanos como del β-glucano.
Antioxidantes de la cebada
La cebada contiene más de 50 proantocianidinas, entre ellas flavan-3-ol oligomérico y polimérico, catequina y galocatequina. La proantocianina B3 dimérica y la procianidina B3 son las más abundantes en la cebada.
Los antioxidantes son conocidos por su capacidad para retrasar o prevenir las reacciones de oxidación y las reacciones de los radicales libres de oxígeno, lo que los hace importantes en el proceso de malteado y elaboración de cerveza. Los antioxidantes (p. ej., sulfitos, formaldehído, ascorbato) se utilizan como aditivos en la elaboración de cerveza para mejorar la estabilidad de su sabor. Aproximadamente el 80% de los compuestos fenólicos de la cerveza proceden de la malta de cebada.