超音波による製麦と麦芽の発芽
- 製麦は時間のかかる工程です。穀物種子の浸漬と水和には多くの時間を要し、その結果はたいてい不均一です。
- 超音波処理により、大麦の発芽速度、発芽率、収量を大幅に改善できます。
麦芽の製造
麦芽 / 発芽させた穀物は、ビール、ウイスキー、麦芽入りシェイク、麦芽酢の製造や、食品添加物として広く使用されています。製麦工程では、乾燥した穀物（大麦など）を水に浸して発芽を開始させます。発芽中には、既存の酵素が放出され、新たな酵素が生成されます。また、胚乳の細胞壁が破壊されて細胞内容物が放出されるとともに、貯蔵タンパク質の一部がアミノ酸に分解されます。一定の発芽度に達すると、乾燥工程によって発芽を停止させます。穀物を発芽させることで、穀物のデンプンを糖に変えるために必要な酵素 – すなわちα-アミラーゼとβ-アミラーゼ – が形成されます。生成する糖には、単糖のグルコース、二糖のマルトース、三糖のマルトトリオース、マルトデキストリンと呼ばれる高級糖類があります。浸漬には1–2日、発芽にはさらに4–6日を要するため、穀物の浸漬と発芽にはかなりの時間がかかります。このため、麦芽の製造には時間と費用がかかります。
発芽中の大麦
超音波による製麦の改善
解決策：超音波処理
- 超音波処理は、大麦粒の発芽能力と発芽速度を改善します。
超音波の効果：
- より迅速で効果的な浸漬
- 発芽の迅速化
- より完全な発芽
- 酵素の活性化
- 抽出率の向上
- 高品質の麦芽
これらの超音波によって引き起こされる効果は、酵素活性の向上と、種子に対する 超音波キャビテーション によって生じる微細な亀裂に起因します。大麦粒は、より短時間でより多くの水を吸収でき、その結果、種子の大幅な 水和の改善 につながります。発芽していない種子は細菌や真菌による損傷を受けやすいため、迅速な水和と均一な発芽は、良好な製麦品質を得るうえで重要です。
製麦は多くの酵素が関与する複雑な工程であり、重要なものにはα-アミラーゼ、β-アミラーゼ、α-グルコシダーゼ、限界デキストリンがあります。製麦中、大麦は、大麦粒の胚乳が酵素によって一連の分解を受ける、不完全な自然発芽過程を経ます。この酵素による分解の結果、胚乳の細胞壁が分解され、デンプン粒が、それらを包み込んでいる胚乳のマトリックスから放出されます。超音波は酵素を活性化し、デンプンやタンパク質などの細胞内物質の抽出率を改善します。アラビノキシラン分子は、希薄な多糖溶液中で高分子凝集体を形成する傾向があります。超音波処理は、多糖の凝集体を効果的に減少させるのに役立ちます。多糖であるデンプンの分解によって、発酵性炭水化物が生成されます。これらの炭水化物は、ビール製造の発酵工程でアルコールに変換されます。
製麦中の生化学的過程に対するこれらすべての超音波効果は、 発芽時間の短縮 と 発芽率 / 収量の向上をもたらします。発芽期間の短縮は、製麦・醸造業界に大きな 商業的利益 をもたらします。
Yaldagardら（2008）は、超音波が「発芽期間を短縮し、全体の発芽率を改善するための種子処理方法として、製麦工程で利用できる可能性がある」ことを示しました。
超音波処理による発芽の迅速化
大麦種子の超音波プライミング手順
大麦種子 Hordeum vulgare （水分含量9%；収穫後、室温で3か月間保存）
ソノトロードS3（放射状の形状、直径3mm、最大浸漬深さ90mm）を装備した超音波装置UP200H（200W、24kHz）
手順：
ホーンの先端を、水と大麦種子からなる処理液中に約9 mm浸漬しました。すべての実験は、80 mLの水道水に分散させた試料（大麦種子10 g）に対して、追加の撹拌または振とうを行いながら、入力出力を20、60、100%に設定した直接超音波処理（プローブシステム）で実施しました。これは、定在波や固形物のない領域の形成を防ぎ、超音波を均一に分布させるために行いました。フリーラジカルの生成を減らすため、デューティサイクル制御を用いて超音波装置をパルスモードに設定しました。すべての実験でデューティサイクルを50%に設定しました。溶液を30°Cの一定温度で5、10、15 min処理しました。 [Yaldagard et al. 2008]
結果：
超音波処理により、水和が向上し、より短時間でより速く発芽しました。
最高の種子発芽率（約100%）は、100%の出力設定で記録されました。最大出力（装置の出力設定100%）で5、10、15 min超音波処理した種子では、発芽率が~93.3%（超音波未処理の種子）から、それぞれ97.2%、98%、99.4%に増加しました。これらの結果は、超音波によって誘発されたキャビテーションによる機械的効果が、細胞壁による吸水を増加させたことに起因する可能性があります。超音波処理は物質移動を促進し、水が細胞壁を通って細胞内部へ浸透するのを容易にします。細胞壁付近でキャビテーション気泡が崩壊すると、細胞構造が破壊され、超音波による液体ジェットによって良好な物質移動が可能になります。
この方法は、種子が発芽を開始するまでに必要な時間を大幅に短縮しました。処理した試料では、超音波未処理の種子と比較して細い根がより早く現れ、豊富に成長しました。上記の方法で処理した大麦を使用すると、発芽期間は通常の7日から4–5日（超音波出力と照射時間による）に短縮されました。さらに、15 minの処理後、平均発芽時間は、20%の出力設定での6.66日から、100%の超音波出力設定での4.04日に減少しました。得られたデータの解析は、発芽試験中の異なる超音波出力設定が、発芽の程度と平均発芽時間に有意な影響を与えたことを示しています。すべての実験で、超音波未処理の対照と比較して大麦種子の発芽が増加しました（図1）。平均発芽時間の最大値は20%の出力設定で、最小値は100%の出力設定で記録されました（図2）。
超音波による発芽率と収量の向上
超音波処理は、ヒヨコマメ、小麦、トマト、トウガラシ、ニンジン、ダイコン、トウモロコシ、イネ、スイカ、ヒマワリをはじめとする多くの植物の種子の発芽を促進することも実証されています。
超音波装置
Hielscher Ultrasonicsは、研究室、卓上、産業用途向けに、信頼性の高い高出力超音波処理装置を供給しています。商業規模での種子プライミングと製麦には、当社の産業用超音波システムである UIP2000hdT （2kW）、 UIP4000hdT （4kW）、 UIP10000 （10kW）、または UIP16000 （16kW）などをお勧めします。多様なフローセル反応器とアクセサリーにより、製品ラインアップを充実させています。すべてのHielscherシステムは極めて堅牢で、24時間・週7日の連続運転に対応するように設計されています。
超音波による種子プライミングと発芽の試験・最適化のために、設備の整った当社の超音波プロセス研究室および技術センターをご訪問いただけます。
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UIP1000hdT
発芽の改善
- 発芽の促進
- 収量の向上
お問い合わせ / ご質問
文献・参考資料
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): 超音波技術を用いた四種の作物の種子発芽の促進。Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): SE-HPLCを用いたビール醸造工程中の大麦タンパク質組成の研究。 スウェーデン、カルマル大学純粋・応用自然科学部における学位研究。
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): 大麦種子の発芽を促進・改善するプライミング技術としての超音波の応用：タグチ法による方法の最適化。 J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): 大麦種子の発芽促進とα-アミラーゼ活性に対する超音波処理の有効性。International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
大麦と麦芽に関する知識
製麦工程
製麦では穀物粒を発芽させます。この工程には、浸漬、発芽、焙燥の三つの段階があります。浸漬中に穀物粒へ水を加えることで、酵素が活性化されます。従来の浸漬には1–2日かかります。1–2日後、大麦粒の水分含量は40–45%に達します。この時点で大麦を浸漬水から取り出し、発芽を開始させます。
発芽中には、後の糖化工程で不可欠となる複数の酵素が形成または活性化されます。β-グルカンはendo-β-1,4-glucanaseとendo-β-1,3-glucanaseによって分解されます。Endo-β-1,4-glucanaseはすでに大麦中に存在していますが、endo-β-1,3-glucanaseは麦芽にのみ存在します。β-グルカンはゲルを形成し、それによってろ過に問題を引き起こす可能性があるため、麦芽ではβ-グルカナーゼ含量が高く、β-グルカン含量が低いことが望まれます。発芽中にはデンプン含量が減少し、糖含量が増加します。デンプンはα-アミラーゼとβ-アミラーゼによって分解されます。大麦中にα-アミラーゼは存在せず、発芽中に生成されます。一方、β-アミラーゼはすでに大麦中に存在しています。タンパク質も発芽中に分解されます。ペプチダーゼは、タンパク質の35 – 40 %を可溶性物質に分解します。5–6日後に発芽が完了し、焙燥によって生命活動が不活化されます。焙燥では、麦芽に熱風を通すことで水分を除去します。これによって発芽と麦芽の改質が停止し、代わりにメイラード反応によって色や風味の成分が形成されます。
製麦・醸造工程の酵素
大麦のデンプンの加水分解に最も重要な酵素は、デンプンを糖に加水分解する反応を触媒するα-アミラーゼとβ-アミラーゼです。アミラーゼは、多糖、すなわちデンプンをマルトースに分解します。β-アミラーゼは発芽前に不活性な形で存在しますが、α-アミラーゼとプロテアーゼは発芽が始まると現れます。α-アミラーゼは基質のどの位置にも作用できるため、β-アミラーゼより速く作用する傾向があります。β-アミラーゼは、二番目のα-1,4グリコシド結合の加水分解を触媒し、二つのグルコース単位 / マルトースを一度に切り離します。
プロテアーゼなどの他の酵素は、穀物中のタンパク質を酵母が利用できる形に分解します。製麦工程をいつ停止するかによって、望ましいデンプン / 酵素比と、発酵性糖へ部分的に変換されたデンプンが得られます。麦芽には、スクロースやフルクトースなどの他の糖も少量含まれています。これらはデンプンの改質によって生成されたものではなく、もともと穀物中に存在していたものです。発酵性糖へのさらなる変換は、糖化工程で行われます。
デンプンの加水分解
酵素による加水分解では、酵素が糖化反応を触媒し、炭水化物（デンプン）をその構成糖分子に分解します。加水分解によって、エネルギー源であるデンプンは、胚が成長のために消費する糖へと変換されます。
大麦のタンパク質
大麦のタンパク質含量は8–15%です。大麦のタンパク質は、麦芽とビールの品質に不可欠な役割を果たします。可溶性タンパク質は、ビールの泡の保持と安定性に重要です。
大麦のアラビノキシランとβ-グルカン
アラビノキシランとβ-グルカンは水溶性食物繊維です。麦芽エキスには高濃度のアラビノキシランが含まれることがあり、粘性の高いエキスは醸造工程の性能を著しく低下させる可能性があるため、ろ過が困難になることがあります。醸造工程では、大麦のβ-グルカン含量が高いと、細胞壁の分解が不十分になる可能性があります。その結果、酵素の拡散、発芽、穀粒の貯蔵物質の動員が妨げられ、麦芽エキスが減少します。残留β-グルカンは、麦汁の粘性を高めて醸造所でのろ過に問題を引き起こす可能性もあります。また、ビールの熟成に関与し、低温混濁を引き起こす可能性があります。アラビノキシランは、大麦、エンバク、小麦、ライ麦、トウモロコシ、イネ、ソルガム、キビの細胞壁に存在します。アラビノキシランとβ-グルカンのどちらも、超音波処理によって抽出性が大幅に向上します。
大麦の抗酸化物質
大麦には、オリゴマーおよびポリマーのflavan-3-ol、カテキン、ガロカテキンを含む50種類を超えるプロアントシアニジンが含まれています。二量体のプロアントシアニンB3とプロシアニジンB3は、大麦中で最も豊富なものです。
抗酸化物質は、酸化反応と酸素フリーラジカル反応を遅らせる、または防ぐ能力で知られており、製麦・醸造工程で重要な役割を果たします。抗酸化物質（亜硫酸塩、ホルムアルデヒド、アスコルビン酸塩など）は、ビールの風味の安定性を改善するために、醸造工程で添加物として使用されます。ビール中のフェノール化合物の約80%は、大麦麦芽に由来します。