Ultrazvučno stvaranje slada i klijanje slada
- Spravljanje slada je dugotrajan proces: namakanje i hidratacija sjemena zrna zahtijeva puno vremena i postiže uglavnom neujednačene rezultate.
- Ultrazvučnom obradom, brzina klijanja, brzina i prinos ječma mogu se značajno poboljšati.
Proizvodnja slada
Slad / sladno zrno naširoko se koristi za izradu piva, viskija, sladnih shakeova, sladnog octa, kao i aditiva za hranu. Tijekom procesa proizvodnje slada osušeno zrno (npr. ječam) se natapa u vodi kako bi počelo klijanje. Tijekom klijanja oslobađaju se postojeći enzimi, proizvode se novi enzimi, a stanične stijenke endosperma se lome kako bi se oslobodio njihov stanični sadržaj, kao i kako bi se razgradio dio pohranjenih proteina u aminokiseline. Kada se postigne određeni stupanj klijavosti, proces klijanja se zaustavlja sušenjem. Sladom zrna, enzimi – naime α-amilaza i β-amilaza – potrebni za modificiranje škrobova žitarica u šećere. Različite vrste šećera uključuju monosaharid glukozu, disaharid maltozu, trisaharid maltotriozu i više šećere koji se nazivaju maltodekstrini. Namakanje i klijanje zrna je dosta dugotrajno, s obzirom da namakanje traje 1-2 dana, a klijanje dodatnih 4-6 dana. Zbog toga je proizvodnja slada dugotrajna i skupa.
Klijanje ječma
Ultrazvučno poboljšano stvaranje slada
Rješenje: sonikacija
- Sonikacija poboljšava sposobnost klijanja i brzinu zrna ječma.
Učinci ultrazvuka:
- Brže i bolje natapanje
- Brže klijanje
- Potpunije klijanje
- Aktivacija enzima
- veća brzina ekstrakcije
- Slad visoke kvalitete
Ovi učinci inicirani ultrazvukom uzrokovani su poboljšanom enzimskom aktivnošću i mikropukotinama izazvanim ultrazvučna kavitacija na sjemenu. Zrno ječma može apsorbirati više vode u kraćem vremenskom razdoblju, što dovodi do značajnog Poboljšana hidratacija od sjemenki. Brza hidratacija i ravnomjerno klijanje važni su za dobru kvalitetu slada budući da su neproklijale sjemenke sklone bakterijskim i gljivičnim oštećenjima.
Stvaranje slada je složen proces koji uključuje mnoge enzime; važni su α-amilaza, β-amilaza, α-glukozidaza i limit dekstrin. Tijekom proizvodnje slada, ječam prolazi kroz nepotpuni prirodni proces klijanja koji uključuje niz enzimskih degradacija endosperma zrna ječma. Kao rezultat te razgradnje enzima, stanične stijenke endosperma se razgrađuju, a granule škroba se oslobađaju iz matriksa endosperma u koji su ugrađene. Ultrazvuk aktivira enzime i poboljšava brzinu ekstrakcije unutarstaničnog materijala, npr. škroba, proteina. Molekule arabinoksilana teže stvaranju makromolekularnih agregata u razrijeđenim otopinama polisaharida. Ultrasonication pomaže učinkovito smanjiti agregate polisaharida. Razgradnjom škroba polisaharida nastaju ugljikohidrati koji se mogu fermentirati. Takvi se ugljikohidrati pretvaraju u alkohol u fazi fermentacije u proizvodnji piva.
Svi ti ultrazvučni učinci na biokemijske procese tijekom proizvodnje slada rezultiraju a kraće vrijeme klijanja i a veća klijavost / prinos. Skraćivanje razdoblja klijanja rezultira značajnim komercijalne koristi za industriju slada i pivarstva.
Yaldagard i sur. (2008) pokazao je da ultrazvuk “ima potencijal da se koristi u procesima proizvodnje slada kao metoda tretiranja sjemena za smanjenje razdoblja klijanja i poboljšanje postotka ukupne klijavosti.”
Brže klijanje ultrazvukom
Ultrazvučni protokol za pripremu sjemena ječma
Sjemenke ječma Hordeum vulgare (sadržaj vlage 9%; čuva se na sobnoj temperaturi 3 mjeseca nakon žetve)
Ultrazvučni uređaj UP200H (200W, 24kHz) opremljen sonotrodom S3 (radijalni oblik, promjer 3 mm, maks. dubina uranjanja 90 mm)
Protokol:
Vrh roga bio je uronjen cca. 9 mm u procesnu otopinu koja se sastoji od vode i sjemenki ječma. Svi eksperimenti su izvedeni na uzorcima (10 g sjemena ječma) dispergiranih u 80 mL vode iz slavine uz izravnu sonikaciju (sustav sonde) pri ulaznoj snazi od 20, 60 i 100%, uz dodatno miješanje ili mućkanje. Ovo je upotrijebljeno kako bi se izbjegli stojni valovi ili stvaranje čvrstih slobodnih područja za jednoliku distribuciju ultrazvučnih valova. Ultrazvučni uređaj je postavljen na pulsirajući način rada, koristeći kontrolu radnog ciklusa, kako bi se smanjilo stvaranje slobodnih radikala. Ciklus je postavljen na 50% za sve eksperimente. Otopina je obrađena na konstantnoj temperaturi od 30°C 5, 10 i 15 minuta. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultati:
Ultrazvučni tretmani rezultiraju većom hidratacijom i bržim klijanjem u kraćem vremenu.
Najveća klijavost sjemena (oko 100%) zabilježena je pri postavci snage 100%. Za sjeme sonicirano 5, 10 i 15 minuta punom snagom (100% postavka snage uređaja), stopa klijavosti povećana je s ~93,3% (sjeme koje nije sonicirano) na 97,2%, 98% i 99,4%, odnosno. Ovi se rezultati mogu pripisati mehaničkim učincima zbog ultrazvučno inducirane kavitacije koja povećava unos vode u stanične stijenke. Sonikacija poboljšava prijenos mase i olakšava prodor vode kroz staničnu stijenku u unutrašnjost stanice. Kolaps kavitacijskih mjehurića u blizini staničnih stijenki remeti strukturu stanice i omogućuje dobar prijenos mase zahvaljujući ultrazvučnim mlazovima tekućine.
Metoda je značajno smanjila vrijeme potrebno za početak klijanja sjemena. Korijen kose pojavio se brže u tretiranim uzorcima i obilno je rastao u usporedbi sa sjemenkama koje nisu obrađene ultrazvukom. Pri korištenju ječma tretiranog na gore navedeni način, razdoblje klijanja je skraćeno na 4 do 5 dana (ovisno o snazi ultrazvuka i vremenu izlaganja) s uobičajenih 7 dana. Nadalje, srednje vrijeme klijanja smanjilo se sa 6,66 dana za postavku snage od 20% na 4,04 dana za postavku snage ultrazvuka od 100% nakon vremena obrade od 15 minuta. Analiza dobivenih podataka pokazuje da su različite postavke snage ultrazvuka tijekom ispitivanja klijavosti značajno utjecale na stupanj klijavosti i srednje vrijeme klijavosti. Svi pokusi rezultirali su povećanom klijavošću sjemena ječma u usporedbi s nesonificiranom kontrolom (slika 1). Maksimalno srednje vrijeme klijanja zabilježeno je za postavku snage 20%, a minimalno srednje vrijeme klijanja zabilježeno je za postavku snage 100% (slika 2).
Veća stopa klijanja i prinos s ultrazvukom
Također je dokazano da ultrazvuk poboljšava klijavost sjemena slanutka, pšenice, rajčice, paprike, mrkve, rotkvice, kukuruza, riže, lubenice, suncokreta i mnogih drugih.
Ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics isporučuje pouzdane ultrazvučne uređaje velike snage za laboratorijsku, stolnu i industrijsku upotrebu. Za pripremu sjemena i proizvodnju slada u komercijalnoj mjeri, preporučujemo vam naše industrijske ultrazvučne sustave kao što su UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ili UIP16000 (16kW). Razvodni reaktori s protočnom ćelijom i pribor upotpunjuju naš asortiman proizvoda. Svi Hielscher sustavi izuzetno su robusni i napravljeni za rad 24/7.
Kako bismo testirali i optimizirali ultrazvučno pripremanje i klijanje sjemena, nudimo vam mogućnost da posjetite naš potpuno opremljen ultrazvučni procesni laboratorij i tehnički centar!
Kontaktirajte nas danas! Drago nam je razgovarati o vašem procesu s vama!
UIP1000hdT
ultrazvuk
- Ubrzano klijanje
- Veći prinos
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Goussous, SJ; Samarah, NH; Alqudah, AM; Othman, MO (2010.): Poboljšanje klijavosti sjemena četiri vrste usjeva pomoću ultrazvučne tehnike. Ogledna poljoprivreda, 46/02, 2010. 231-242.
- Nilsson, Frida (2009.): Studija sastava proteina ječma tijekom procesa kuhanja piva pomoću SE-HPLC. Diplomski projekt radi na Sveučilištu u Kalmaru, Fakultet čistih i primijenjenih prirodnih znanosti, Švedska.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008.): Primjena ultrazvučnih valova kao početne tehnike za ubrzavanje i pospješivanje klijanja sjemena ječma: optimizacija metode Taguchijevim pristupom. J. Inst. Skuhati. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007.): Učinkovitost tretmana ultrazvukom na stimulaciju klijanja sjemena ječma i njegovu aktivnost alfa-amilaze. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
Činjenice o ječmu & slad
Proces stvaranja slada
U proizvodnji slada zrno žitarica klija i uključuje tri koraka: namakanje, klijanje i sušenje. Tijekom namakanja žitaricama se dodaje voda koja aktivira enzime. Konvencionalno namakanje traje 1-2 dana. Nakon 1-2 dana zrna ječma postižu sadržaj vode od 40-45%. U ovom trenutku ječam se uklanja iz vode za namakanje i počinje klijanje.
Tijekom klijanja stvara se ili aktivira nekoliko enzima koji su kasnije u procesu muljanja bitni. β-glukane razgrađuje endo-β-1,4-glukanaza i endo-β-1,3-glukanaza. Endo-β-1,4-glukanaza je već prisutna u ječmu, ali endo-β-1,3-glukanaza je prisutna samo u sladu. Budući da β-glukani stvaraju gel i stoga mogu uzrokovati probleme u filtraciji, u sladu je poželjan visok sadržaj β-glukanaze i nizak sadržaj β-glukana. Sadržaj škroba se smanjuje, a sadržaj šećera povećava tijekom klijanja, a škrob se razgrađuje pomoću α-amilaze i β-amilaze. U ječmu nema α-amilaze; stvara se tijekom klijanja, dok je β-amilaza već prisutna u ječmu. Proteini se također razgrađuju tijekom klijanja. Peptidaze razgrađuju 35 – 40 % proteina u topljivi materijal. Nakon 5 do 6 dana klijanje je završeno, a njegovi životni procesi su inaktivirani sušenjem. Prilikom sušenja voda se uklanja propuštanjem vrućeg zraka kroz slad. Ovo zaustavlja klijanje i modifikacije, a umjesto toga se Maillardovim reakcijama stvaraju spojevi boje i okusa.
Enzimi u proizvodnji slada & Proces kuhanja piva
Najvažniji enzimi za hidrolizu škroba u ječmu su enzimi α-amilaza i β-amilaza koji kataliziraju hidrolizu škroba u šećere. Amilaza razgrađuje polisaharide, naime škrob, do maltoze. β-amilaza je prisutna u neaktivnom obliku prije klijanja, dok se α-amilaza i proteaze pojavljuju nakon što je klijanje počelo. Budući da α-amilaza može djelovati bilo gdje na supstratu, ima tendenciju bržeg djelovanja od β-amilaze. β-amilaza katalizira hidrolizu druge α-1,4 glikozidne veze, odcjepljujući dvije jedinice glukoze/maltoze odjednom.
Drugi enzimi, poput proteaza, razgrađuju proteine u zrnu u oblike koje kvasci mogu koristiti. Ovisno o tome kada je proces slada zaustavljen, dobiva se preferirani omjer škroba i enzima i djelomično pretvoreni škrob u šećere koji se mogu fermentirati. Slad također sadrži male količine drugih šećera, kao što su saharoza i fruktoza, koji nisu proizvodi modifikacije škroba, već su se već nalazili u zrnu. Daljnja pretvorba u šećere koji se mogu fermentirati postiže se tijekom procesa muljanja.
Hidroliza škroba
Tijekom enzimske hidrolize, enzimi kataliziraju proces saharifikacije, što znači da se ugljikohidrati (škrob) razgrađuju na svoje sastavne molekule šećera. Hidrolizom se energetski izvor (škrob) pretvara u šećere koje klica troši za rast.
Proteini u ječmu
Ječam ima udio bjelančevina od 8 do 15%. Proteini ječma bitno doprinose kvaliteti slada i piva. Topivi proteini važni su za zadržavanje i stabilnost pivske glave.
Arabinoksilani i β-glukan u ječmu
Arabinoksilani i β-glukan su topiva prehrambena vlakna. Ekstrakti slada mogu sadržavati visoke razine arabinoksilana što može uzrokovati poteškoće tijekom filtracije budući da viskozni ekstrakti mogu značajno pogoršati izvedbu procesa proizvodnje piva. Za proces proizvodnje piva, visok sadržaj β-glukana u ječmu može dovesti do nedovoljne razgradnje staničnih stijenki, što zauzvrat ometa difuziju enzima, klijanje i mobilizaciju rezervi zrna, a time i smanjuje ekstrakt slada. Preostali β-glukan također može dovesti do visoko viskozne sladovine, što dovodi do problema s filtracijom u pivovari, i može sudjelovati u sazrijevanju piva, uzrokujući hladnoću. Arabinoksilani se nalaze u stijenkama stanica ječma, zobi, pšenice, raži, kukuruza, riže, sirka i prosa. Mogućnost ekstrakcije i arabinoksilana i β-glukana značajno se povećava sonikacijom.
Antioksidansi u ječmu
Ječam sadrži više od 50 proantocijanidina uključujući oligomerne i polimerne flavan-3-ol, katehin i galokatehin. Dimerni proantocijanin B3 i procijanidin B3 su najzastupljeniji u ječmu.
Antioksidansi su poznati po svojoj sposobnosti da odgode ili spriječe oksidacijske reakcije i reakcije slobodnih radikala kisika, što ih čini važnima u procesu proizvodnje slada i piva. Antioksidansi (npr. sulfiti, formaldehid, askorbat) koriste se kao aditivi u procesu proizvodnje piva kako bi se poboljšala stabilnost okusa piva. Oko 80% fenolnih spojeva u pivu potječe iz ječmenog slada.