초음파 제맥 및 맥아 발아
- 제맥은 시간이 많이 소요되는 공정입니다. 곡물 종자의 침지와 수화에 많은 시간이 걸리며, 대부분 불균일한 결과를 보입니다.
- 초음파 처리를 통해 보리의 발아 속도, 발아율 및 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다.
맥아 생산
맥아 / 발아 곡물은 맥주, 위스키, 맥아 셰이크, 맥아 식초를 만드는 데 널리 사용되며 식품 첨가물로도 사용됩니다. 제맥 공정에서는 건조된 곡물(예: 보리)을 물에 담가 발아를 시작합니다. 발아 중에는 기존 효소가 방출되고 새로운 효소가 생성되며, 배유 세포벽이 파괴되어 세포 내용물이 방출되고 저장 단백질의 일부가 아미노산으로 분해됩니다. 일정 수준의 발아가 이루어지면 건조 공정을 통해 발아를 중단합니다. 곡물을 제맥하면 곡물의 전분을 당으로 전환하는 데 필요한 효소인 α-아밀라아제와 β-아밀라아제가 발달합니다. 다양한 당의 종류에는 단당류인 포도당, 이당류인 맥아당, 삼당류인 말토트리오스, 그리고 말토덱스트린이라고 하는 고급 당류가 포함됩니다. 침맥에 1–2일이 걸리고 발아에 추가로 4–6일이 걸린다는 점을 고려하면 곡물의 침맥과 발아에는 상당한 시간이 소요됩니다. 이로 인해 맥아 생산에는 많은 시간과 비용이 듭니다.
발아 중인 보리
초음파로 개선된 제맥
해결책: 초음파 처리
- 초음파 처리는 보리 낟알의 발아 능력과 속도를 향상시킵니다.
초음파의 효과:
- 더 빠르고 효과적인 침지
- 더 빠른 발아
- 더 완전한 발아
- 효소 활성화
- 더 높은 추출률
- 고품질 맥아
초음파로 유발되는 이러한 효과는 효소 활성의 향상과 종자에 작용하는 초음파 캐비테이션으로 유도된 미세 균열에 의해 나타납니다. 보리 낟알은 더 짧은 시간에 더 많은 물을 흡수할 수 있어 종자의 수화가 크게 개선됩니다. 발아하지 않은 종자는 세균과 곰팡이로 인한 손상을 입기 쉬우므로, 빠른 수화와 균일한 발아는 우수한 제맥 품질에 중요합니다.
제맥은 많은 효소가 관여하는 복잡한 공정이며, 중요한 것으로는 α-아밀라아제, β-아밀라아제, α-글루코시다아제 및 한계 덱스트린이 있습니다. 제맥 중 보리는 보리 낟알의 배유에서 일련의 효소적 분해가 일어나는 불완전한 자연 발아 과정을 거칩니다. 이러한 효소적 분해의 결과로 배유 세포벽이 분해되고, 전분 과립이 자신이 박혀 있던 배유 기질에서 방출됩니다. 초음파는 효소를 활성화하고 전분, 단백질 등 세포 내 물질의 추출률을 향상시킵니다. 아라비녹실란 분자는 묽은 다당류 용액에서 거대분자 응집체를 형성하는 경향이 있습니다. 초음파 처리는 다당류 응집체를 효과적으로 줄이는 데 도움이 됩니다. 다당류인 전분이 분해되면서 발효 가능한 탄수화물이 생성됩니다. 이러한 탄수화물은 맥주 제조의 발효 단계에서 알코올로 전환됩니다.
제맥 중 생화학적 과정에 미치는 이러한 모든 초음파 효과는 발아 시간 단축 및 발아율 / 수율 향상으로 이어집니다. 발아 기간 단축은 제맥 및 양조 산업에 상당한 상업적 이익을 가져옵니다.
Yaldagard et al. (2008)은 초음파가 “발아 기간을 단축하고 전체 발아 비율을 높이기 위한 종자 처리 방법으로 제맥 공정에 사용될 잠재력이 있다”고 밝혔습니다.
초음파 처리로 더 빨라진 발아
초음파 보리 종자 프라이밍 절차
보리 종자 Hordeum vulgare (수분 함량 9%; 수확 후 실온에서 3개월간 보관)
소노트로드 S3(방사형, 직경 3mm, 최대 침지 깊이 90mm)가 장착된 초음파 장치 UP200H(200W, 24kHz)
실험 절차:
혼의 끝부분을 물과 보리 종자로 구성된 처리 용액에 약 9 mm 깊이로 담갔습니다. 모든 실험에서는 수돗물 80 mL에 분산시킨 시료(보리 종자 10 g)에 출력 설정을 20, 60 및 100%로 하여 직접 초음파 처리(프로브 시스템)를 수행했으며, 추가로 교반하거나 진탕했습니다. 이는 정상파 또는 고체가 없는 영역의 형성을 방지하여 초음파가 균일하게 분포하도록 하기 위한 것이었습니다. 자유 라디칼의 형성을 줄이기 위해 듀티 사이클 제어를 사용하여 초음파 장치를 펄스 모드로 설정했습니다. 모든 실험에서 듀티 사이클을 50%로 설정했습니다. 용액은 30°C의 일정한 온도에서 5, 10 및 15 min 동안 처리했습니다. [Yaldagard et al. 2008]
결과:
초음파 처리는 더 짧은 시간에 더 높은 수화도와 더 빠른 발아를 유도합니다.
가장 높은 종자 발아율(약 100%)은 100% 출력 설정에서 기록되었습니다. 최대 출력(장치의 100% 출력 설정)으로 각각 5, 10 및 15 min 동안 초음파 처리한 종자의 발아율은 ~93.3%(초음파 처리하지 않은 종자)에서 각각 97.2%, 98% 및 99.4%로 증가했습니다. 이러한 결과는 초음파로 유도된 캐비테이션에 따른 기계적 효과가 세포벽의 수분 흡수를 증가시켰기 때문일 수 있습니다. 초음파 처리는 물질 전달을 향상시키고 물이 세포벽을 통과하여 세포 내부로 침투하도록 촉진합니다. 세포벽 근처에서 캐비테이션 기포가 붕괴하면 세포 구조가 파괴되고, 초음파 액체 제트에 의해 원활한 물질 전달이 가능해집니다.
이 방법은 종자의 발아가 시작되는 데 필요한 시간을 상당히 단축했습니다. 처리한 시료에서는 초음파 처리하지 않은 종자에 비해 잔뿌리가 더 빨리 나타났고 더 풍성하게 자랐습니다. 위와 같이 처리한 보리를 사용했을 때 발아 기간은 통상적인 7일에서 4–5일로 단축되었습니다(초음파 출력과 노출 시간에 따라 다름). 또한 15 min 동안 처리한 후 평균 발아 시간은 20% 출력 설정에서의 6.66일에서 100% 초음파 출력 설정에서의 4.04일로 감소했습니다. 결과 데이터를 분석한 결과, 발아 시험 중 서로 다른 초음파 출력 설정이 발아 정도와 평균 발아 시간에 유의한 영향을 미친 것으로 나타났습니다. 모든 실험에서 초음파 처리하지 않은 대조군에 비해 보리 종자의 발아가 증가했습니다(그림 1). 평균 발아 시간은 20% 출력 설정에서 가장 길었고 100% 출력 설정에서 가장 짧았습니다(그림 2).
초음파를 통한 발아율 및 수율 향상
초음파 처리는 병아리콩, 밀, 토마토, 고추, 당근, 무, 옥수수, 벼, 수박, 해바라기 등 여러 식물의 종자 발아도 향상시키는 것으로 입증되었습니다.
초음파 장비
Hielscher Ultrasonics는 실험실용, 벤치탑용 및 산업용으로 신뢰할 수 있는 고출력 초음파 장치를 공급합니다. 상업적 규모의 종자 프라이밍 및 맥아 제조를 위해 다음과 같은 당사의 산업용 초음파 시스템을 권장합니다: UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) 또는 UIP16000 (16kW). 다양한 플로우 셀 반응기와 액세서리가 당사의 제품군을 완성합니다. 모든 Hielscher 시스템은 매우 견고하며 24/7 가동하도록 제작되었습니다.
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UIP1000hdT
발아 향상
- 발아 촉진
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문헌 및 참고자료
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): 초음파 기법을 이용한 네 가지 작물 종의 종자 발아 향상. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): SE-HPLC를 이용한 맥주 양조 공정 중 보리 단백질 조성 연구. 스웨덴 칼마르 대학교 순수·응용자연과학부 학위 과제 논문.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): 보리 종자의 발아 촉진 및 향상을 위한 프라이밍 기법으로서의 초음파 적용: 다구치 접근법을 통한 방법 최적화. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): 보리 종자의 발아 자극 및 알파 아밀라아제 활성에 대한 초음파 처리의 효과. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
보리와 맥아에 관한 정보
맥아 제조 공정
맥아 제조에서는 곡물의 낟알을 발아시키며, 이 공정은 침맥, 발아, 배조의 세 단계로 이루어집니다. 침맥 중에는 낟알에 물을 공급하여 효소를 활성화합니다. 기존의 침맥에는 1–2일이 걸립니다. 1–2일 후 보리 낟알의 수분 함량은 40–45%에 도달합니다. 이 시점에 보리를 침맥수에서 꺼내면 발아가 시작됩니다.
발아 중에는 여러 효소가 생성되거나 활성화되며, 이 효소들은 이후 당화 공정에서 필수적인 역할을 합니다. β-글루칸은 엔도-β-1,4-글루카나아제와 엔도-β-1,3-글루카나아제에 의해 분해됩니다. 엔도-β-1,4-글루카나아제는 보리에 이미 존재하지만, 엔도-β-1,3-글루카나아제는 맥아에만 존재합니다. β-글루칸은 겔을 형성하여 여과 과정에서 문제를 일으킬 수 있으므로, 맥아는 β-글루카나아제 함량이 높고 β-글루칸 함량이 낮은 것이 바람직합니다. 발아 중에는 전분 함량이 감소하고 당 함량이 증가하며, 전분은 α-아밀라아제와 β-아밀라아제에 의해 분해됩니다. 보리에는 α-아밀라아제가 존재하지 않으며, 이는 발아 중에 생성됩니다. 반면 β-아밀라아제는 보리에 이미 존재합니다. 발아 중에는 단백질도 분해됩니다. 펩티다아제는 단백질의 35 – 40 %를 가용성 물질로 분해합니다. 5–6일 후 발아가 완료되면 배조를 통해 생명 활동을 불활성화합니다. 배조에서는 맥아에 뜨거운 공기를 통과시켜 수분을 제거합니다. 이로써 발아와 맥아의 변형이 중단되고, 대신 마이야르 반응에 의해 색과 향미를 내는 화합물이 형성됩니다.
맥아 제조 및 맥주 양조 공정의 효소
보리 전분의 가수분해에서 가장 중요한 효소는 전분을 당으로 가수분해하는 반응을 촉매하는 α-아밀라아제와 β-아밀라아제입니다. 아밀라아제는 다당류인 전분을 맥아당으로 분해합니다. β-아밀라아제는 발아 전에 비활성 형태로 존재하는 반면, α-아밀라아제와 프로테아제는 발아가 시작된 후에 나타납니다. α-아밀라아제는 기질의 어느 위치에서나 작용할 수 있으므로 β-아밀라아제보다 빠르게 작용하는 경향이 있습니다. β-아밀라아제는 두 번째 α-1,4 글리코시드 결합의 가수분해를 촉매하여, 한 번에 두 개의 포도당 단위 / 맥아당을 잘라냅니다.
프로테아제와 같은 다른 효소들은 낟알의 단백질을 효모가 이용할 수 있는 형태로 분해합니다. 맥아 제조 공정을 중단하는 시점에 따라 원하는 전분 / 효소 비율을 얻을 수 있으며, 전분의 일부가 발효성 당으로 전환됩니다. 맥아에는 자당과 과당 같은 다른 당도 소량 함유되어 있는데, 이들은 전분 변형의 산물이 아니라 낟알에 이미 존재하던 당입니다. 발효성 당으로의 추가 전환은 당화 공정 중에 이루어집니다.
전분 가수분해
효소 가수분해 중에는 효소가 당화 과정을 촉매하며, 이 과정에서 탄수화물(전분)이 이를 구성하는 당 분자로 분해됩니다. 가수분해를 통해 에너지원인 전분이 당으로 전환되고, 배아는 성장하기 위해 이 당을 소비합니다.
보리의 단백질
보리의 단백질 함량은 8–15%입니다. 보리 단백질은 맥아와 맥주의 품질에 핵심적으로 기여합니다. 가용성 단백질은 맥주 거품의 유지와 안정성에 중요합니다.
보리의 아라비녹실란과 β-글루칸
아라비녹실란과 β-글루칸은 수용성 식이섬유입니다. 맥아 추출물에는 아라비녹실란이 다량 함유될 수 있으며, 점성이 높은 추출물은 양조 공정의 성능을 크게 저하시킬 수 있으므로 여과 과정에서 어려움을 일으킬 수 있습니다. 양조 공정에서 보리의 β-글루칸 함량이 높으면 세포벽이 충분히 분해되지 않을 수 있으며, 이는 효소의 확산, 발아 및 곡립 내 저장물질의 동원을 방해하여 맥아 추출물의 양을 감소시킵니다. 잔류 β-글루칸은 또한 맥즙의 점성을 매우 높여 양조장에서 여과 문제를 일으킬 수 있으며, 맥주의 숙성 과정에 관여하여 저온 혼탁을 유발할 수 있습니다. 아라비녹실란은 보리, 귀리, 밀, 호밀, 옥수수, 쌀, 수수 및 기장의 세포벽에서 발견됩니다. 초음파 처리는 아라비녹실란과 β-글루칸 모두의 추출성을 크게 높입니다.
보리의 항산화제
보리에는 올리고머 및 고분자 형태의 플라반-3-올, 카테킨, 갈로카테킨을 포함하여 50종이 넘는 프로안토시아니딘이 함유되어 있습니다. 이량체 프로안토시아닌 B3와 프로시아니딘 B3는 보리에 가장 풍부하게 함유된 성분입니다.
항산화제는 산화 반응과 산소 자유 라디칼 반응을 지연하거나 방지하는 능력으로 알려져 있어 제맥 및 양조 공정에서 중요합니다. 항산화제(예: 아황산염, 포름알데히드, 아스코르브산염)는 맥주의 풍미 안정성을 개선하기 위해 양조 공정에서 첨가제로 사용됩니다. 맥주에 함유된 페놀 화합물의 약 80%는 보리 맥아에서 유래합니다.