Maltage par ultrasons et germination du malt

  • Malting is a time-consuming process: the soaking and hydration of the grain seeds takes a lot of time and achieves mostly uneven results.
  • By ultrasonication, the germination speed, rate and yield of barley can be significantly improved.

Malt Production

Malt / malted grain is widely used to make beer, whisky, malted shakes, malt vinegar, as well as food additive. During the malting process the dried grain (e.g. barley) is soaked in water to start germination. During germination existing enzymes are released, new enzymes are produced, and the endosperm cell walls are broken to release their cell contents as well as to break down some of the stored protein into amino acids. When a certain degree of germination has been achieved, the germination process is halted by a drying process. By malting grains, the enzymesnamely α-amylase and β-amylaserequired for modifying the grain’s starches into sugars are developed. The various types of sugar include the monosaccharide glucose, the disaccharide maltose, the trisaccharide maltotriose, and higher sugars called maltodextrines. The steeping and germination of the grain is quite time-consuming, considering that the steeping takes 1-2 days and the germination takes additional 4-6 days. This makes the malt production time-consuming and expensive.

Sonication improves the germination capacity

Germinating barley

Ultrasonically Improved Malting

The Solution: Sonication

  • Sonication improves the germination capacity and speed of barley grains.

The Effects of Ultrasound:

  • Faster and Better Soaking
  • Germination plus rapide
  • More Complete Germination
  • Activation of Enzymes
  • Higher Extraction Rate
  • High Quality Malt

These ultrasonically initiated effects are caused by an improved enzymatic activity and micro fissures induced by Cavitation ultrasonique on the seed. The barley grain can absorb more water in a shorter period of time, leading to a significantly improved hydration of the seeds. A fast hydration and even germination are important for a good malting quality since ungerminated seeds are prone to bacterial and fungal damage.
Malting is a complex process that involves many enzymes; important ones are α-amylase, β-amylase, α-glucosidase, and limit dextrine. During malting, barley undergoes an incomplete natural germination process that involves a series of enzyme degradations of barley kernel endosperm. As result of this enzyme degradation, endosperm cell walls are degraded, and starch granules are released from the matrix of the endosperm in which they are embedded. Ultrasonics activates enzymes and improves the extraction rate of the intracellular material, e.g. starch, proteins. Arabinoxylan molecules tend to form macromolecular aggregates in the dilute polysaccharide solutions. Ultrasonication helps to reduce the aggregates of polysaccharides effectively. By the degradation of the polysaccharide starch, fermentable carbohydrates are produced. Such carbohydrates are converted into alcohol in the fermentation step of the beer manufacturing.

All these ultrasonic effects on the bio-chemical processes during malting result in a shorter germination time and a higher germination rate / yield. Shortening the germination period results in significant commercial benefits for the malting and brewing industry.

Yaldagard et al. (2008) has shown that ultrasonicshas the potential to be used in malting processes as a method of treating seeds to reduce the germination period and improve the percentage of total germination.

Yaldagard et al. 2008 investigated the ultrasonically improved germination of barley seeds.

Faster germination by sonication

Ultrasonic Barley Seed Priming Protocol

Matériau :
Barley seeds Hordeum vulgare (9 % d'humidité ; conservation à température ambiante pendant 3 mois après la récolte)
Ultrasonic device UP200H (200W, 24kHz) equipped with sonotrode S3 (radial shape, 3mm diameter, max. immersion depth 90mm)

Protocol:
La pointe de la corne a été immergée à environ 9 mm dans la solution de traitement composée d'eau et de graines d'orge. Toutes les expériences ont été réalisées sur des échantillons (10 g de graines d'orge) dispersés dans 80 ml d'eau du robinet avec une sonication directe (système de sonde) à une puissance d'entrée de 20, 60 et 100 %, avec une agitation ou une secousse supplémentaire. Cette méthode a été employée pour éviter les ondes stationnaires ou la formation de régions exemptes de solides afin d'assurer une distribution uniforme des ondes ultrasoniques. L'appareil à ultrasons a été réglé en mode pulsation, à l'aide d'un contrôle du cycle de travail, afin de réduire la formation de radicaux libres. Le cycle a été fixé à 50 % pour toutes les expériences. La solution a été traitée à une température constante de 30°C pendant 5, 10 et 15 minutes. [Yaldagard et al. 2008]

Résultats :
The ultrasonic treatments results in higher hydration and faster germination in shorter time.
Le taux de germination le plus élevé (environ 100 %) a été enregistré à la puissance de 100 %. Pour les graines soniquées pendant 5, 10 et 15 minutes à pleine puissance (réglage de l'appareil à 100 %), le taux de germination est passé de ~93,3 % (graines non soniquées) à 97,2 %, 98 % et 99,4 %, respectivement. Ces résultats peuvent être attribués aux effets mécaniques dus à la cavitation induite par les ultrasons, qui augmentent l'absorption d'eau par les parois cellulaires. La sonication améliore le transfert de masse et facilite la pénétration de l'eau à travers la paroi cellulaire jusqu'à l'intérieur de la cellule. L'effondrement des bulles de cavitation près des parois cellulaires perturbe la structure cellulaire et permet un bon transfert de masse grâce aux jets de liquide ultrasoniques.
Cette méthode a permis de réduire considérablement le temps nécessaire à la germination des graines. Les racines capillaires sont apparues plus rapidement dans les échantillons traités et se sont développées en abondance par rapport aux graines non sonorisées. Lorsque l'on utilise de l'orge traitée comme indiqué ci-dessus, la période de germination a été réduite à 4 ou 5 jours (en fonction de la puissance des ultrasons et de la durée d'exposition) par rapport aux 7 jours habituels. En outre, la durée moyenne de germination est passée de 6,66 jours pour une puissance de 20 % à 4,04 jours pour une puissance ultrasonique de 100 % après un temps de traitement de 15 minutes. L'analyse des données obtenues indique que l'étendue de la germination et la durée moyenne de germination ont été significativement affectées par les différents réglages de la puissance ultrasonique pendant le test de germination. Toutes les expériences ont entraîné une germination accrue des graines d'orge par rapport au témoin non sonorisé (Fig. 1). Le temps de germination moyen maximal a été enregistré pour la puissance de 20 % et le temps de germination moyen minimal a été enregistré pour la puissance de 100 % (Fig. 2).

Higher yield by ultrasonic malting.

Higher germination rate and yield with ultrasonics

Sonication is also proven to enhance the seed germination of chickpeas, wheat, tomato, pepper, carrot, radish, corn, rice, watermelon, sunflower and many others.

Équipement ultrasonique

Hielscher Ultrasonics supplies reliable high power ultrasonicators for lab, bench-top and industrial use. For the seed priming and malting on a commercial scale, we recommend you our industrial ultrasonic systems such as the UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdt (4kW), UIP10000 (10kW) or UIP16000 (16kW). Manifold flow-cell reactors and accessories complete our product range. All Hielscher systems are extremely robust and built for 24/7 operation.
To test and optimize the ultrasonic seed priming and germination, we offer you the possibility to visit our full equipped ultrasonic process lab and technical center!
Contact us today! We are glad to discuss you process with you!

Demande d'information





The UIP

UIP1000hdt

Improved Germination by
ultrasons

  • Accelerated germination
  • rendements plus élevés

Contactez nous ! / Demandez-nous !

Demande d'informations complémentaires

Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous si vous souhaitez obtenir des informations supplémentaires sur l'homogénéisation par ultrasons. Nous nous ferons un plaisir de vous proposer un système à ultrasons répondant à vos exigences.









Veuillez noter que notre Politique de confidentialité.


Littérature/références



Facts about Barley & malt

The Malting Process

Le maltage consiste à faire germer le grain de céréale et comporte trois étapes : le trempage, la germination et le touraillage. Pendant le trempage, de l'eau est ajoutée aux grains, ce qui active les enzymes. Le trempage conventionnel dure 1 à 2 jours. Après 1 à 2 jours, les grains d'orge ont atteint une teneur en eau de 40 à 45 %. À ce stade, l'orge est retirée de l'eau de trempage et la germination commence.
Au cours de la germination, plusieurs enzymes sont formées ou activées, ce qui est essentiel pour la suite du processus d'empâtage. Les β-glucanes sont décomposés par l'endo-β-1,4-glucanase et l'endo-β-1,3-glucanase. L'endo-β-1,4-glucanase est déjà présente dans l'orge, mais l'endo-β-1,3-glucanase n'est présente que dans le malt. Comme les β-glucanes forment des gels et peuvent donc poser des problèmes de filtration, une teneur élevée en β-glucanase et une faible teneur en β-glucane sont souhaitables dans le malt. La teneur en amidon diminue et la teneur en sucre augmente pendant la germination et l'amidon est dégradé par l'α-amylase et la β-amylase. L'α-amylase n'est pas présente dans l'orge ; elle est produite pendant la germination, tandis que la β-amylase est déjà présente dans l'orge. Les protéines sont également dégradées pendant la germination. Les peptidases dégradent 35 à 40 % des protéines en matière soluble. Après 5 à 6 jours, la germination est terminée et le processus de vie est inactivé par le séchage au four. Lors du touraillage, l'eau est éliminée en faisant passer de l'air chaud à travers le malt. Cela arrête la germination et les modifications, et à la place, des composés colorés et aromatiques sont formés par les réactions de Maillard.

Enzymes in the Malting & Brewing Process

The most important enzymes for the hydrolysis of starch in barley are the α-amylase and β-amylase enzymes that catalyse the hydrolysis of starch into sugars. The amylase degrades polysaccharides, namely starch, to maltose. β-amylase is present in an inactive form prior to germination, whereas α-amylase and proteases appear once germination has begun. Since α-amylase can act anywhere on the substrate, it tends to be faster-acting than β-amylase. β-amylase catalyzes the hydrolysis of the second α-1,4 glycosidic bond, cleaving off two glucose units / maltose at once.
Other enzymes, such as proteases, break down the proteins in the grain into forms that can be used by yeast. Depending on when the malting process is stopped, one gets a preferred starch / enzyme ratio and partly converted starch into fermentable sugars. Malt also contains small amounts of other sugars, such as sucrose and fructose, which are not products of starch modification but were already in the grain. Further conversion to fermentable sugars is achieved during the mashing process.

Starch Hydrolysis

During the enzymatic hydrolysis, enzymes catalyze the saccharification process which means that the carbohydrates (starch) are broken into its component sugar molecules. By the hydrolysis, the energy resource (starch) is converted into sugars which are consumed by the germ for growing.

Proteins in Barley

L'orge a une teneur en protéines de 8 à 15 %. Les protéines de l'orge contribuent essentiellement à la qualité du malt et de la bière. Les protéines solubles sont importantes pour la rétention et la stabilité de la mousse de la bière.

Arabinoxylans and β-glucan in Barley

Arabinoxylans and β-glucan are soluble dietary fibers. Malt extracts can contain high levels of arabinoxylans which can cause difficulties during the filtration since viscous extracts may significantly deteriorate the performance of the brewing processes. For the brewing process, a high content of β-glucan in barley may lead to insufficient degradation of cell walls, which in turn hinders the diffusion of enzymes, germination, and the mobilization of kernel reserves, and hence reduces malt extract. Residual β-glucan may also lead to highly viscous wort, giving rise to a filtration problem in the brewery, and it may participate in maturing of beer, causing chill haze. Arabinoxylans are found in the cell walls of barley, oat, wheat, rye, maize, rice, sorghum, and millet. The extractability of both arabinoxylans and β-glucan are significantly increased by sonication.

Antioxidants in Barley

Barley contains more than 50 proanthocyanidins including oligomeric and polymeric flavan-3-ol, catechin, and gallocatechin. Dimeric proanthocyanin B3 and procyanidin B3 are the most abundant ones in barley.
Les antioxydants sont connus pour leur capacité à retarder ou à prévenir les réactions d'oxydation et les réactions des radicaux libres de l'oxygène, ce qui les rend importants dans le processus de maltage et de brassage. Les antioxydants (par exemple les sulfites, le formaldéhyde, l'ascorbate) sont utilisés comme additifs dans le processus de brassage afin d'améliorer la stabilité de la saveur de la bière. Environ 80 % des composés phénoliques présents dans la bière proviennent du malt d'orge.

Nous nous ferons un plaisir de discuter de votre processus.

Let's get in contact.