הלתתה אולטרסונית והנבטת לתת
- הלתתה היא תהליך ממושך: ההשריה וספיחת המים של זרעי הדגן אורכות זמן רב ומניבות לרוב תוצאות לא אחידות.
- באמצעות טיפול אולטרסוני ניתן לשפר באופן משמעותי את מהירות הנביטה, שיעור הנביטה ותפוקת הנביטה של שעורה.
ייצור לתת
לתת / דגן שעבר הלתתה משמשים בהיקף נרחב להכנת בירה, ויסקי, מילקשייקים עם לתת וחומץ לתת, וכן כתוסף מזון. בתהליך ההלתתה משרים את הדגן היבש (למשל שעורה) במים כדי להתחיל את הנביטה. במהלך הנביטה משתחררים אנזימים קיימים, נוצרים אנזימים חדשים ודופנות תאי האנדוספרם מתפרקות כדי לשחרר את תכולת התאים, וכן כדי לפרק חלק מהחלבון האגור לחומצות אמינו. כאשר מושגת דרגת נביטה מסוימת, תהליך הנביטה מופסק באמצעות ייבוש. הלתתת דגנים מביאה להתפתחות האנזימים – α-עמילאז ו-β-עמילאז – הדרושים להמרת העמילנים שבדגן לסוכרים. סוגי הסוכרים השונים כוללים את החד-סוכר גלוקוז, הדו-סוכר מלטוז, התלת-סוכר מלטוטריוז וסוכרים גבוהים יותר הנקראים מלטודקסטרינים. ההשריה והנביטה של הדגן אורכות זמן רב למדי, בהתחשב בכך שההשריה נמשכת 1–2 ימים והנביטה נמשכת 4–6 ימים נוספים. משום כך ייצור הלתת ממושך ויקר.
שעורה נובטת
הלתתה משופרת באמצעות אולטרסאונד
הפתרון: סוניקציה
- סוניקציה משפרת את כושר הנביטה ואת מהירות הנביטה של גרגרי שעורה.
השפעות האולטרסאונד:
- השריה מהירה וטובה יותר
- נביטה מהירה יותר
- נביטה מלאה יותר
- הפעלת אנזימים
- קצב מיצוי גבוה יותר
- לתת באיכות גבוהה
השפעות אלה, המתחוללות בעקבות טיפול אולטרסוני, נגרמות משיפור בפעילות האנזימטית ומסדקים זעירים שמשרה קוויטציה אולטרסונית בזרע. גרגר השעורה יכול לספוג יותר מים בפרק זמן קצר יותר, וכך מתאפשרת ספיחת מים משופרת באופן משמעותי בזרעים. ספיחת מים מהירה ונביטה אחידה חשובות לאיכות טובה של ההלתתה, שכן זרעים שלא נבטו מועדים לנזק מחיידקים ומפטריות.
הלתתה היא תהליך מורכב שמעורבים בו אנזימים רבים; בין החשובים שבהם נמנים α-עמילאז, β-עמילאז, α-גלוקוזידאז ודקסטרין גבולי. במהלך ההלתתה השעורה עוברת תהליך נביטה טבעי בלתי שלם, הכולל סדרה של תהליכי פירוק אנזימטי של האנדוספרם בגרגר השעורה. כתוצאה מפירוק אנזימטי זה מתפרקות דופנות תאי האנדוספרם, וגרגרי עמילן משתחררים מהמטריצה של האנדוספרם שבה הם משובצים. אולטרסאונד מפעיל אנזימים ומשפר את קצב המיצוי של החומר התוך-תאי, למשל עמילן וחלבונים. מולקולות ארבינוקסילן נוטות ליצור צברים מקרומולקולריים בתמיסות רב-סוכרים מדוללות. טיפול אולטרסוני מסייע לצמצם ביעילות את צברי הרב-סוכרים. פירוק הרב-סוכר עמילן מייצר פחמימות הניתנות לתסיסה. פחמימות אלה מומרות לאלכוהול בשלב התסיסה בייצור הבירה.
כל ההשפעות האולטרסוניות הללו על התהליכים הביוכימיים במהלך ההלתתה מביאות לזמן נביטה קצר יותר וכן לשיעור נביטה / לתפוקת נביטה גבוהים יותר. קיצור תקופת הנביטה מניב יתרונות מסחריים משמעותיים לתעשיית ההלתתה ובישול הבירה.
Yaldagard ועמיתיו (2008) הראו כי לאולטרסאונד "יש פוטנציאל לשמש בתהליכי הלתתה כשיטה לטיפול בזרעים לצמצום תקופת הנביטה ולשיפור אחוז הנביטה הכולל."
נביטה מהירה יותר באמצעות סוניקציה
פרוטוקול קדם־הנבטה אולטרסוני לזרעי שעורה
זרעי שעורה Hordeum vulgare (תכולת לחות של 9%; אוחסנו בטמפרטורת החדר במשך 3 חודשים לאחר הקציר)
מכשיר אולטרסוני UP200H (200W, 24kHz) המצויד בסונוטרודה S3 (צורה רדיאלית, קוטר 3mm, עומק טבילה מרבי 90mm)
פרוטוקול:
קצה הקרן הוטבל לעומק של כ־9 mm בתמיסת התהליך, שהכילה מים וזרעי שעורה. כל הניסויים בוצעו בדגימות (10 g זרעי שעורה) שפוזרו ב־80 mL מי ברז באמצעות סוניקציה ישירה (מערכת גשוש), בהספקי כניסה של 20, 60 ו־100%, תוך ערבול או טלטול נוספים. הדבר נעשה כדי למנוע גלים עומדים או היווצרות אזורים ללא חומר מוצק, לשם פיזור אחיד של הגלים האולטרסוניים. המכשיר האולטרסוני הוגדר למצב פולסים, באמצעות בקרת מחזור עבודה, כדי להפחית את היווצרותם של רדיקלים חופשיים. מחזור העבודה הוגדר ל־50% בכל הניסויים. התמיסה טופלה בטמפרטורה קבועה של 30°C במשך 5, 10 ו־15 min. [Yaldagard et al. 2008]
תוצאות:
הטיפולים האולטרסוניים מביאים לספיחת מים רבה יותר ולנביטה מהירה יותר בפרק זמן קצר יותר.
שיעור נביטת הזרעים הגבוה ביותר (כ־100%) נרשם בהגדרת הספק של 100%. בזרעים שעברו סוניקציה במשך 5, 10 ו־15 min בהספק מלא (הגדרת הספק של 100% במכשיר), עלה שיעור הנביטה מ־~93.3% (זרעים שלא עברו סוניקציה) ל־97.2%, 98% ו־99.4%, בהתאמה. ייתכן שניתן לייחס תוצאות אלה להשפעות מכניות הנובעות מקוויטציה המושרית באמצעות אולטרסאונד ומגבירה את ספיחת המים בדופנות התאים. הסוניקציה משפרת את מעבר המסה ומקלה על חדירת המים דרך דופן התא אל פנים התא. קריסת בועות קוויטציה בקרבת דופנות התאים משבשת את מבנה התאים ומאפשרת מעבר מסה יעיל הודות לסילוני הנוזל האולטרסוניים.
השיטה קיצרה במידה ניכרת את הזמן הדרוש לתחילת נביטת הזרעים. שורשים דמויי שערות הופיעו מהר יותר בדגימות המטופלות וצמחו בשפע בהשוואה לזרעים שלא עברו סוניקציה. בשימוש בשעורה שטופלה כמתואר לעיל, התקצרה תקופת הנביטה מ־7 הימים הרגילים ל־4 עד 5 ימים (בהתאם להספק האולטרסוני ולמשך החשיפה). יתרה מזאת, זמן הנביטה הממוצע ירד מ־6.66 ימים בהגדרת הספק של 20% ל־4.04 ימים בהגדרת הספק אולטרסוני של 100%, לאחר זמן טיפול של 15 min. ניתוח הנתונים שהתקבלו מצביע על כך שהיקף הנביטה וזמן הנביטה הממוצע הושפעו באופן מובהק מהגדרות ההספק האולטרסוני השונות במהלך מבחן הנביטה. כל הניסויים הביאו לעלייה בנביטת זרעי השעורה בהשוואה לביקורת שלא עברה סוניקציה (איור 1). זמן הנביטה הממוצע המרבי נרשם בהגדרת הספק של 20%, וזמן הנביטה הממוצע המזערי נרשם בהגדרת הספק של 100% (איור 2).
שיעור נביטה ותנובה גבוהים יותר באמצעות אולטרסאונד
הוכח שסוניקציה משפרת גם את נביטת הזרעים של חומוס, חיטה, עגבנייה, פלפל, גזר, צנון, תירס, אורז, אבטיח, חמנייה ורבים אחרים.
ציוד אולטרסוני
Hielscher Ultrasonics מספקת מכשירים אולטרסוניים אמינים בהספק גבוה לשימוש במעבדה, על שולחן העבודה ובתעשייה. לטיפול מקדים בזרעים ולהלתתה בקנה מידה מסחרי, אנו ממליצים על המערכות האולטרסוניות התעשייתיות שלנו, כגון UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) או UIP16000 (16kW). מגוון כורים עם תאי זרימה ואביזרים משלימים את מגוון המוצרים שלנו. כל מערכות Hielscher עמידות במיוחד ובנויות לפעולה 24/7.
כדי לבדוק ולייעל את הטיפול המקדים האולטרסוני בזרעים ואת נביטתם, אנו מציעים לכם לבקר במעבדת התהליכים האולטרסוניים ובמרכז הטכני שלנו, המצוידים באופן מלא!
צרו איתנו קשר עוד היום! נשמח לדון איתכם בתהליך שלכם!
UIP1000hdT
אולטרסאונד
- נביטה מואצת
- תנובה גבוהה יותר
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות ומקורות
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): שיפור נביטת זרעים של ארבעה מיני גידולים באמצעות טכניקה אולטרסונית. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): מחקר על הרכב החלבונים בשעורה במהלך תהליך בישול בירה באמצעות SE-HPLC. עבודת גמר באוניברסיטת קלמר, בית הספר למדעי הטבע העיוניים והיישומיים, שוודיה.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): יישום גלים אולטרסוניים כטכניקת קדם־טיפול להאצת נביטתם של זרעי שעורה ולשיפורה: מיטוב השיטה בגישת טגוצ'י. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): יעילות הטיפול באולטרסאונד בעידוד נביטתם של זרעי שעורה ופעילות האלפא־עמילאז שלהם. כתב העת הבינלאומי להנדסה ביולוגית, ביומולקולרית, חקלאית, מזון וביוטכנולוגיה 1/10, 2007.
עובדות על שעורה ולתת
תהליך ההלתתה
בהלתתה, גרגר הדגן נובט, והתהליך כולל שלושה שלבים: השריה, הנבטה וייבוש בכבשן. במהלך ההשריה מוסיפים לגרגרים מים, המפעילים את האנזימים. ההשריה המקובלת נמשכת 1–2 ימים. לאחר 1–2 ימים מגיעים גרגרי השעורה לתכולת מים של 40–45%. בשלב זה מוציאים את השעורה ממי ההשריה ומתחילה הנביטה.
במהלך הנביטה נוצרים או מופעלים כמה אנזימים, החיוניים בהמשך לתהליך המישול. β-גלוקנים מפורקים על ידי endo-β-1,4-glucanase ו-endo-β-1,3-glucanase. האנזים endo-β-1,4-glucanase כבר מצוי בשעורה, אך endo-β-1,3-glucanase מצוי רק בלתת. מכיוון ש-β-גלוקנים יוצרים ג'ל ובכך עלולים לגרום לבעיות בסינון, רצויות בלתת תכולה גבוהה של β-גלוקנאז ותכולה נמוכה של β-גלוקן. תכולת העמילן יורדת ותכולת הסוכר עולה במהלך הנביטה, והעמילן מפורק על ידי α-amylase ו-β-amylase. האנזים α-amylase אינו מצוי בשעורה; הוא נוצר במהלך הנביטה, ואילו β-amylase כבר מצוי בשעורה. גם חלבונים מפורקים במהלך הנביטה. פפטידאזות מפרקות 35 – 40 % מהחלבונים לחומר מסיס. לאחר 5 עד 6 ימים מסתיימת הנביטה, ותהליכי החיים שלה מושבתים באמצעות ייבוש בכבשן. בייבוש בכבשן מסלקים את המים באמצעות העברת אוויר חם דרך הלתת. פעולה זו עוצרת את הנביטה ואת השינויים המתרחשים בלתת, ובמקומם נוצרות תרכובות צבע וטעם בתגובות מייאר.
אנזימים בתהליך ההלתתה ובישול הבירה
האנזימים החשובים ביותר להידרוליזה של עמילן בשעורה הם α-amylase ו-β-amylase, המזרזים את ההידרוליזה של עמילן לסוכרים. העמילאז מפרק רב־סוכרים, כלומר עמילן, למלטוז. האנזים β-amylase מצוי בצורה בלתי פעילה לפני הנביטה, ואילו α-amylase ופרוטאזות מופיעים לאחר תחילת הנביטה. מכיוון ש-α-amylase יכול לפעול בכל מקום על גבי המצע, הוא נוטה לפעול מהר יותר מ-β-amylase. האנזים β-amylase מזרז את ההידרוליזה של הקשר הגליקוזידי α-1,4 השני, תוך ניתוק שתי יחידות גלוקוז / מלטוז בבת אחת.
אנזימים אחרים, כגון פרוטאזות, מפרקים את החלבונים שבגרגר לצורות ששמרים יכולים לנצל. בהתאם למועד עצירת תהליך ההלתתה, מתקבלים יחס רצוי של עמילן / אנזימים ועמילן שהומר בחלקו לסוכרים הניתנים לתסיסה. לתת מכיל גם כמויות קטנות של סוכרים אחרים, כגון סוכרוז ופרוקטוז, שאינם תוצרים של שינוי העמילן אלא כבר היו מצויים בגרגר. המרה נוספת לסוכרים הניתנים לתסיסה מתרחשת במהלך תהליך המישול.
הידרוליזה של עמילן
במהלך ההידרוליזה האנזימטית, אנזימים מזרזים את תהליך הסכריפיקציה, כלומר הפחמימות (עמילן) מפורקות למולקולות הסוכר המרכיבות אותן. באמצעות ההידרוליזה, מקור האנרגיה (עמילן) מומר לסוכרים שהנבט צורך לצורך גדילתו.
חלבונים בשעורה
תכולת החלבון בשעורה היא 8 עד 15%. חלבוני השעורה תורמים תרומה חיונית לאיכות הלתת והבירה. חלבונים מסיסים חשובים לשמירה על ראש הקצף של הבירה וליציבותו.
ארבינוקסילנים ו-β-גלוקן בשעורה
ארבינוקסילנים ו-β-גלוקן הם סיבים תזונתיים מסיסים. תמציות לתת יכולות להכיל רמות גבוהות של ארבינוקסילנים, העלולים לגרום לקשיים במהלך הסינון, שכן תמציות צמיגות עלולות לפגוע במידה ניכרת בביצועי תהליכי בישול הבירה. בתהליך בישול הבירה, תכולה גבוהה של β-גלוקן בשעורה עלולה להוביל לפירוק בלתי מספק של דופנות התאים, אשר מעכב בתורו את דיפוזיית האנזימים, את הנביטה ואת ניוד חומרי התשמורת בגרגר, ובכך מפחית את כמות תמצית הלתת. שאריות β-גלוקן עלולות גם להוביל לתירוש בירה צמיג מאוד ולגרום לבעיית סינון במבשלה, והוא עשוי להשתתף בתהליך הבשלת הבירה ולגרום לעכירות בקירור. ארבינוקסילנים נמצאים בדופנות התאים של שעורה, שיבולת שועל, חיטה, שיפון, תירס, אורז, סורגום ודוחן. יכולת המיצוי של ארבינוקסילנים ושל β-גלוקן עולה במידה ניכרת באמצעות סוניקציה.
נוגדי חמצון בשעורה
שעורה מכילה יותר מ-50 פרואנתוציאנידינים, ובהם flavan-3-ol אוליגומרי ופולימרי, קטכין וגאלוקטכין. proanthocyanin B3 דימרי ו-procyanidin B3 הם הנפוצים ביותר בשעורה.
נוגדי חמצון ידועים ביכולתם לעכב או למנוע תגובות חמצון ותגובות של רדיקלים חופשיים של חמצן, ולכן הם חשובים בתהליך ההלתתה ובישול הבירה. נוגדי חמצון (למשל סולפיטים, פורמלדהיד ואסקורבט) משמשים כתוספים בתהליך בישול הבירה כדי לשפר את יציבות טעם הבירה. כ-80% מהתרכובות הפנוליות בבירה מקורן בלתת שעורה.