Ultrazvučno slađenje i klijanje slada
- Slađenje je dugotrajan proces: namakanje i hidratacija sjemenki žitarica zahtijevaju mnogo vremena i uglavnom daju neujednačene rezultate.
- Primjenom ultrazvuka mogu se znatno poboljšati brzina, stopa i prinos klijanja ječma.
Proizvodnja slada
Slad / slađeno zrnje široko se upotrebljava za proizvodnju piva, viskija, mliječnih napitaka sa sladom i sladnog octa te kao dodatak hrani. Tijekom procesa slađenja osušeno zrnje (npr. ječma) namače se u vodi kako bi se pokrenulo klijanje. Tijekom klijanja oslobađaju se postojeći enzimi, stvaraju se novi enzimi i razgrađuju se stanične stijenke endosperma kako bi se oslobodio sadržaj stanica i dio pohranjenih proteina razgradio u aminokiseline. Kada se postigne određeni stupanj klijanja, proces klijanja zaustavlja se sušenjem. Slađenjem zrnja razvijaju se enzimi – odnosno α-amilaza i β-amilaza – potrebni za pretvorbu škroba u zrnu u šećere. Različite vrste šećera uključuju monosaharid glukozu, disaharid maltozu, trisaharid maltotriozu i više šećere koji se nazivaju maltodekstrini. Namakanje i klijanje zrnja prilično su dugotrajni, s obzirom na to da namakanje traje 1–2 dana, a klijanje dodatnih 4–6 dana. Zbog toga je proizvodnja slada dugotrajna i skupa.
Ječam koji klija
Slađenje poboljšano ultrazvukom
Rješenje: sonikacija
- Sonikacija poboljšava sposobnost i brzinu klijanja zrna ječma.
Učinci ultrazvuka:
- Brže i bolje namakanje
- Brže klijanje
- Potpunije klijanje
- Aktivacija enzima
- Veća brzina ekstrakcije
- Visokokvalitetni slad
Ovi učinci potaknuti ultrazvukom posljedica su poboljšane enzimske aktivnosti i mikropukotina koje uzrokuje ultrazvučna kavitacija na sjemenu. Zrno ječma može apsorbirati više vode u kraćem vremenu, što dovodi do znatno bolje hidratacije sjemena. Brza hidratacija i ujednačeno klijanje važni su za dobru kvalitetu slađenja jer je neproklijalo sjeme podložno oštećenjima uzrokovanima bakterijama i gljivicama.
Slađenje je složen proces koji uključuje mnoge enzime; među važnima su α-amilaza, β-amilaza, α-glukozidaza i granični dekstrin. Tijekom slađenja ječam prolazi kroz nepotpun proces prirodnog klijanja koji uključuje niz enzimskih razgradnji endosperma zrna ječma. Kao rezultat te enzimske razgradnje razgrađuju se stanične stijenke endosperma, a škrobne granule oslobađaju se iz matriksa endosperma u kojem su smještene. Ultrazvuk aktivira enzime i povećava brzinu ekstrakcije unutarstaničnog materijala, npr. škroba i proteina. Molekule arabinoksilana sklone su stvaranju makromolekularnih agregata u razrijeđenim otopinama polisaharida. Primjena ultrazvuka pomaže učinkovito smanjiti agregate polisaharida. Razgradnjom polisaharida škroba nastaju fermentabilni ugljikohidrati. Takvi se ugljikohidrati pretvaraju u alkohol tijekom fermentacije u proizvodnji piva.
Svi ovi učinci ultrazvuka na biokemijske procese tijekom slađenja rezultiraju kraćim vremenom klijanja i višom stopom klijanja / većim prinosom. Skraćivanje razdoblja klijanja donosi znatne gospodarske koristi industriji slada i pivarstvu.
Yaldagard i sur. (2008) pokazali su da ultrazvuk „ima potencijal za primjenu u procesima slađenja kao metoda obrade sjemena radi skraćivanja razdoblja klijanja i povećanja ukupnog postotka klijanja.”
Brže klijanje primjenom sonikacije
Protokol ultrazvučnog predtretmana sjemena ječma za poticanje klijanja
Sjeme ječma Hordeum vulgare (udio vlage 9%; čuvano na sobnoj temperaturi 3 mjeseca nakon žetve)
Ultrazvučni uređaj UP200H (200W, 24kHz) opremljen sonotrodom S3 (radijalni oblik, promjer 3mm, maks. dubina uranjanja 90mm)
Protokol:
Vrh sonotrode uronjen je približno 9 mm u procesnu otopinu koja se sastojala od vode i sjemenki ječma. Svi su pokusi provedeni na uzorcima (10 g sjemenki ječma) dispergiranima u 80 mL vode iz slavine uz izravnu sonikaciju (sustav sa sondom) pri ulaznoj snazi od 20, 60 i 100%, uz dodatno miješanje ili protresanje. Time se nastojalo izbjeći stojne valove ili stvaranje područja bez krute tvari radi ravnomjerne raspodjele ultrazvučnih valova. Ultrazvučni uređaj postavljen je na pulsni način rada uz regulaciju radnog ciklusa kako bi se smanjilo stvaranje slobodnih radikala. Radni ciklus postavljen je na 50% za sve pokuse. Otopina je obrađivana pri stalnoj temperaturi od 30°C tijekom 5, 10 i 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultati:
Ultrazvučni tretmani rezultiraju većom hidratacijom i bržim klijanjem u kraćem vremenu.
Najveća klijavost sjemena (približno 100%) zabilježena je pri postavci snage od 100%. Kod sjemenki sonificiranih tijekom 5, 10 i 15 min pri punoj snazi (postavka snage uređaja od 100%), stopa klijanja povećala se s ~93,3% (nesonificirane sjemenke) na 97,2%, 98% odnosno 99,4%. Ti se rezultati mogu pripisati mehaničkim učincima ultrazvučno inducirane kavitacije koja povećava upijanje vode kroz stanične stijenke. Sonikacija poboljšava prijenos mase i olakšava prodiranje vode kroz staničnu stijenku u unutrašnjost stanice. Kolaps kavitacijskih mjehurića u blizini staničnih stijenki razara staničnu strukturu i omogućuje dobar prijenos mase zahvaljujući ultrazvučnim mlazovima tekućine.
Metoda je znatno skratila vrijeme potrebno za početak klijanja sjemena. Tanki korjenčići nalik dlakama pojavili su se brže u tretiranim uzorcima i obilno rasli u usporedbi s nesonificiranim sjemenkama. Pri uporabi ječma tretiranog na prethodno opisani način razdoblje klijanja skraćeno je s uobičajenih 7 dana na 4 do 5 dana (ovisno o ultrazvučnoj snazi i vremenu izlaganja). Nadalje, srednje vrijeme klijanja smanjilo se sa 6,66 dana pri postavci snage od 20% na 4,04 dana pri postavci ultrazvučne snage od 100% nakon obrade u trajanju od 15 min. Analiza dobivenih podataka pokazuje da su različite postavke ultrazvučne snage tijekom ispitivanja klijanja značajno utjecale na opseg klijanja i srednje vrijeme klijanja. Svi su pokusi rezultirali povećanim klijanjem sjemenki ječma u usporedbi s nesonificiranom kontrolom (sl. 1). Najdulje srednje vrijeme klijanja zabilježeno je pri postavci snage od 20%, a najkraće srednje vrijeme klijanja pri postavci snage od 100% (sl. 2).
Veća stopa klijanja i veći prinos uz ultrazvuk
Dokazano je i da sonikacija poboljšava klijanje sjemena slanutka, pšenice, rajčice, paprike, mrkve, rotkvice, kukuruza, riže, lubenice, suncokreta i mnogih drugih biljaka.
Ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics isporučuje pouzdane ultrazvučne uređaje velike snage za laboratorijsku, stolnu i industrijsku uporabu. Za predtretman sjemena radi poticanja klijanja i proizvodnju slada u komercijalnim razmjerima preporučujemo naše industrijske ultrazvučne sustave poput UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ili UIP16000 (16kW). Raznovrsni reaktori s protočnim ćelijama i dodatna oprema upotpunjuju naš asortiman proizvoda. Svi sustavi Hielscher iznimno su robusni i izrađeni za rad 24/7.
Za ispitivanje i optimizaciju ultrazvučnog predtretmana sjemena i klijanja nudimo vam mogućnost posjeta našem potpuno opremljenom laboratoriju za ultrazvučne procese i tehničkom centru!
Kontaktirajte nas već danas! Rado ćemo s vama razgovarati o vašem procesu!
UIP1000hdT
ultrazvuk
- Ubrzano klijanje
- Veći prinos
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura i reference
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Poboljšanje klijanja sjemena četiriju vrsta usjeva primjenom ultrazvučne tehnike. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): Istraživanje sastava proteina ječma tijekom procesa proizvodnje piva primjenom SE-HPLC-a. Diplomski rad na Sveučilištu u Kalmaru, Fakultetu čistih i primijenjenih prirodnih znanosti, Švedska.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Primjena ultrazvučnih valova kao tehnike predtretmana sjemena za ubrzavanje i poboljšanje klijanja sjemena ječma: optimizacija metode Taguchijevim pristupom. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Učinkovitost ultrazvučne obrade u poticanju klijanja sjemena ječma i njegove aktivnosti alfa-amilaze. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
Činjenice o ječmu i sladu
Proces slađenja
Tijekom slađenja zrno žitarice klija, a proces obuhvaća tri koraka: močenje, klijanje i sušenje slada. Tijekom močenja zrnima se dodaje voda koja aktivira enzime. Uobičajeno močenje traje 1–2 dana. Nakon 1–2 dana zrna ječma dosežu udio vode od 40–45%. U tom se trenutku ječam vadi iz vode za močenje i počinje klijanje.
Tijekom klijanja nastaje ili se aktivira nekoliko enzima koji su poslije ključni u procesu ukomljavanja. β-glukane razgrađuju endo-β-1,4-glukanaza i endo-β-1,3-glukanaza. Endo-β-1,4-glukanaza već je prisutna u ječmu, dok je endo-β-1,3-glukanaza prisutna samo u sladu. Budući da β-glukani stvaraju gelove i time mogu uzrokovati probleme pri filtraciji, u sladu su poželjni visok udio β-glukanaze i nizak udio β-glukana. Tijekom klijanja udio škroba se smanjuje, a udio šećera povećava, pri čemu škrob razgrađuju α-amilaza i β-amilaza. U ječmu nema α-amilaze; ona nastaje tijekom klijanja, dok je β-amilaza već prisutna u ječmu. Tijekom klijanja razgrađuju se i proteini. Peptidaze razgrađuju 35 – 40 % proteina u topljive tvari. Nakon 5 do 6 dana klijanje je završeno, a životni procesi zrna zaustavljaju se sušenjem slada. Pri sušenju slada voda se uklanja propuštanjem vrućeg zraka kroz slad. Time se zaustavljaju klijanje i modifikacije, a umjesto toga Maillardovim reakcijama nastaju spojevi koji daju boju i aromu.
Enzimi u procesu slađenja i proizvodnje piva
Najvažniji enzimi za hidrolizu škroba u ječmu jesu α-amilaza i β-amilaza, koje kataliziraju hidrolizu škroba u šećere. Amilaza razgrađuje polisaharide, odnosno škrob, u maltozu. β-amilaza prisutna je u neaktivnom obliku prije klijanja, dok se α-amilaza i proteaze pojavljuju nakon početka klijanja. Budući da α-amilaza može djelovati na bilo kojem mjestu na supstratu, obično djeluje brže od β-amilaze. β-amilaza katalizira hidrolizu druge α-1,4 glikozidne veze, odcjepljujući dvije jedinice glukoze / maltozu odjednom.
Drugi enzimi, poput proteaza, razgrađuju proteine u zrnu u oblike koje kvasac može iskoristiti. Ovisno o tome kada se proces slađenja zaustavi, dobiva se željeni omjer škroba i enzima te djelomična pretvorba škroba u fermentabilne šećere. Slad sadrži i male količine drugih šećera, poput saharoze i fruktoze, koji nisu proizvodi modifikacije škroba, nego su već bili prisutni u zrnu. Daljnja pretvorba u fermentabilne šećere postiže se tijekom procesa ukomljavanja.
Hidroliza škroba
Tijekom enzimske hidrolize enzimi kataliziraju proces ošećerenja, što znači da se ugljikohidrati (škrob) razgrađuju na sastavne molekule šećera. Hidrolizom se izvor energije (škrob) pretvara u šećere koje klica troši za rast.
Proteini u ječmu
Ječam sadrži 8 do 15% proteina. Proteini ječma bitno pridonose kvaliteti slada i piva. Topljivi proteini važni su za postojanost i stabilnost pivske pjene.
Arabinoksilani i β-glukan u ječmu
Arabinoksilani i β-glukan topljiva su prehrambena vlakna. Sladni ekstrakti mogu sadržavati visoke razine arabinoksilana, što može uzrokovati poteškoće tijekom filtracije jer viskozni ekstrakti mogu znatno pogoršati učinkovitost procesa proizvodnje piva. U procesu proizvodnje piva visok sadržaj β-glukana u ječmu može dovesti do nedovoljne razgradnje staničnih stijenki, što pak otežava difuziju enzima, klijanje i mobilizaciju zaliha u zrnu te stoga smanjuje količinu sladnog ekstrakta. Preostali β-glukan također može dovesti do vrlo viskozne sladovine, uzrokujući probleme s filtracijom u pivovari, a može sudjelovati i u dozrijevanju piva, uzrokujući hladno zamućenje. Arabinoksilani se nalaze u staničnim stijenkama ječma, zobi, pšenice, raži, kukuruza, riže, sirka i prosa. Sonikacijom se znatno povećava mogućnost ekstrakcije i arabinoksilana i β-glukana.
Antioksidansi u ječmu
Ječam sadržava više od 50 proantocijanidina, uključujući oligomerni i polimerni flavan-3-ol, katehin i galokatehin. Dimerni proantocijanin B3 i procijanidin B3 najzastupljeniji su u ječmu.
Antioksidansi su poznati po svojoj sposobnosti odgađanja ili sprječavanja oksidacijskih reakcija i reakcija slobodnih kisikovih radikala, zbog čega su važni u procesima sladovanja i proizvodnje piva. Antioksidansi (npr. sulfiti, formaldehid, askorbat) upotrebljavaju se kao aditivi u procesu proizvodnje piva radi poboljšanja stabilnosti njegova okusa. Oko 80% fenolnih spojeva u pivu potječe iz ječmenog slada.