Ultrasoon mouten en moutkieming
- Mouten is een tijdrovend proces: het weken en hydrateren van de graankorrels kost veel tijd en levert meestal ongelijkmatige resultaten op.
- Door ultrasone behandeling kunnen de kiemsnelheid, het kiempercentage en de kiemopbrengst van gerst aanzienlijk worden verbeterd.
Moutproductie
Mout / gemout graan wordt veel gebruikt voor de productie van bier, whisky, moutmilkshakes en moutazijn, en als voedingsadditief. Tijdens het moutproces wordt het gedroogde graan (bijv. gerst) in water geweekt om de kieming op gang te brengen. Tijdens de kieming komen bestaande enzymen vrij, worden nieuwe enzymen geproduceerd en worden de celwanden van het endosperm afgebroken om de celinhoud vrij te maken en een deel van het opgeslagen eiwit af te breken tot aminozuren. Wanneer een bepaalde mate van kieming is bereikt, wordt het kiemproces gestopt door een droogproces. Door granen te mouten worden de enzymen – namelijk α-amylase en β-amylase – gevormd die nodig zijn om het zetmeel van het graan om te zetten in suikers. De verschillende soorten suiker omvatten de monosacharide glucose, de disacharide maltose, de trisacharide maltotriose en hogere suikers die maltodextrinen worden genoemd. Het weken en kiemen van het graan is behoorlijk tijdrovend, aangezien het weken 1–2 dagen duurt en het kiemen nog eens 4–6 dagen in beslag neemt. Dit maakt de moutproductie tijdrovend en duur.
Kiemende gerst
Ultrasoon verbeterd mouten
De oplossing: sonicatie
- Sonicatie verbetert het kiemvermogen en de kiemsnelheid van gerstkorrels.
De effecten van ultrageluid:
- Sneller en beter weken
- Snellere kieming
- Volledigere kieming
- Activering van enzymen
- Hogere extractiesnelheid
- Mout van hoge kwaliteit
Deze door ultrageluid geïnitieerde effecten worden veroorzaakt door een verbeterde enzymatische activiteit en door ultrasone cavitatie veroorzaakte microscheurtjes in het zaad. De gerstkorrel kan in kortere tijd meer water opnemen, wat leidt tot een aanzienlijk verbeterde hydratatie van de zaden. Snelle hydratatie en gelijkmatige kieming zijn belangrijk voor een goede moutkwaliteit, aangezien niet-gekiemde zaden gevoelig zijn voor aantasting door bacteriën en schimmels.
Mouten is een complex proces waarbij veel enzymen betrokken zijn; belangrijke zijn α-amylase, β-amylase, α-glucosidase en limietdextrine. Tijdens het mouten ondergaat gerst een onvolledig natuurlijk kiemproces waarbij het endosperm van de gerstkorrel door een reeks enzymatische afbraakprocessen wordt afgebroken. Als gevolg van deze enzymatische afbraak worden de celwanden van het endosperm afgebroken en komen zetmeelkorrels vrij uit de matrix van het endosperm waarin ze zijn ingebed. Ultrageluid activeert enzymen en verbetert de extractiesnelheid van het intracellulaire materiaal, bijv. zetmeel en eiwitten. Arabinoxylaanmoleculen hebben de neiging macromoleculaire aggregaten te vormen in de verdunde polysacharideoplossingen. Ultrasone behandeling helpt de aggregaten van polysachariden effectief te verminderen. Door de afbraak van het polysacharide zetmeel worden vergistbare koolhydraten geproduceerd. Deze koolhydraten worden tijdens de vergistingsstap van de bierproductie omgezet in alcohol.
Al deze ultrasone effecten op de biochemische processen tijdens het mouten resulteren in een kortere kiemtijd en een hoger kiempercentage / hogere kiemopbrengst. Het verkorten van de kiemperiode levert aanzienlijke commerciële voordelen voor de mout- en brouwindustrie op.
Yaldagard et al. (2008) hebben aangetoond dat ultrageluid “het potentieel heeft om in moutprocessen te worden gebruikt als methode om zaden te behandelen, om de kiemperiode te verkorten en het totale kiempercentage te verbeteren.”
Snellere kieming door sonicatie
Protocol voor ultrasone priming van gerstzaden
Gerstzaden Hordeum vulgare (9% vochtgehalte; na de oogst gedurende 3 maanden bij kamertemperatuur opgeslagen)
Ultrasoon apparaat UP200H (200W, 24kHz), uitgerust met sonotrode S3 (radiale vorm, diameter 3mm, max. onderdompelingsdiepte 90mm)
Protocol:
De punt van de sonotrode werd ca. 9 mm ondergedompeld in de procesoplossing, bestaande uit water en gerstzaden. Alle experimenten werden uitgevoerd op monsters (10 g gerstzaden) die in 80 mL leidingwater waren gedispergeerd, met directe sonicatie (sondesysteem) bij een toegevoerd vermogen van 20, 60 en 100%, met aanvullend roeren of schudden. Dit werd toegepast om staande golven of de vorming van gebieden zonder vaste deeltjes te voorkomen en een gelijkmatige verdeling van de ultrasone golven te verkrijgen. Het ultrasone apparaat werd ingesteld op pulsmodus, met regeling van de inschakelduur, om de vorming van vrije radicalen te verminderen. De inschakelduur werd voor alle experimenten ingesteld op 50%. De oplossing werd bij een constante temperatuur van 30°C gedurende 5, 10 en 15 min behandeld. [Yaldagard et al. 2008]
Resultaten:
De ultrasone behandelingen leiden tot een hogere hydratatie en snellere kieming in kortere tijd.
De hoogste zaadkieming (ongeveer 100%) werd geregistreerd bij de vermogensinstelling van 100%. Voor de zaden die gedurende 5, 10 en 15 min bij vol vermogen (vermogensinstelling van 100% van het apparaat) werden gesoniceerd, steeg het kiempercentage van ~93,3% (niet-gesoniceerde zaden) tot respectievelijk 97,2%, 98% en 99,4%. Deze resultaten kunnen worden toegeschreven aan mechanische effecten van ultrasoon geïnduceerde cavitatie, die de wateropname door de celwanden verhoogt. Sonicatie verbetert de massaoverdracht en vergemakkelijkt het binnendringen van water door de celwand naar het inwendige van de cel. Het imploderen van cavitatiebellen nabij de celwanden verstoort de celstructuur en maakt een goede massaoverdracht mogelijk door de ultrasone vloeistofstralen.
De methode verminderde de tijd die nodig was om de kieming van zaden op gang te brengen aanzienlijk. Haarwortels verschenen sneller in de behandelde monsters en groeiden overvloedig in vergelijking met de niet-gesoniceerde zaden. Bij gebruik van gerst die zoals hierboven beschreven was behandeld, werd de kiemperiode verkort van de gebruikelijke 7 dagen tot 4 tot 5 dagen (afhankelijk van het ultrasone vermogen en de blootstellingstijd). Bovendien daalde de gemiddelde kiemtijd na een behandelingstijd van 15 min van 6,66 dagen bij de vermogensinstelling van 20% tot 4,04 dagen bij de ultrasone vermogensinstelling van 100%. De analyse van de verkregen gegevens wijst erop dat de mate van kieming en de gemiddelde kiemtijd tijdens de kiemtest significant werden beïnvloed door de verschillende ultrasone vermogensinstellingen. Alle experimenten resulteerden in een verhoogde kieming van de gerstzaden in vergelijking met de niet-gesoniceerde controle (fig. 1). De maximale gemiddelde kiemtijd werd geregistreerd bij de vermogensinstelling van 20% en de minimale gemiddelde kiemtijd bij de vermogensinstelling van 100% (fig. 2).
Hoger kiempercentage en hogere kiemopbrengst met ultrageluid
Ook is bewezen dat sonicatie de zaadkieming van kikkererwten, tarwe, tomaat, paprika, wortel, radijs, maïs, rijst, watermeloen, zonnebloem en vele andere gewassen verbetert.
Ultrasone apparatuur
Hielscher Ultrasonics levert betrouwbare sonicatoren met hoog vermogen voor gebruik in het laboratorium, op de werkbank en in de industrie. Voor zaadpriming en mouten op commerciële schaal bevelen wij onze industriële ultrasone systemen aan, zoals de UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) of UIP16000 (16kW). Een breed assortiment doorstroomcelreactoren en accessoires completeert ons productaanbod. Alle systemen van Hielscher zijn uiterst robuust en gebouwd voor 24/7-bedrijf.
Om ultrasone zaadpriming en kieming te testen en te optimaliseren, bieden wij u de mogelijkheid ons volledig uitgeruste ultrasone proceslaboratorium en technisch centrum te bezoeken!
Neem vandaag nog contact met ons op! Wij bespreken uw proces graag met u!
UIP1000hdT
ultrageluid
- Versnelde kieming
- Hogere opbrengst
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Literatuur/referenties
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Verbetering van de zaadkieming van vier gewassoorten met behulp van een ultrasone techniek. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): Een onderzoek naar de eiwitsamenstelling van gerst tijdens het bierbrouwproces met behulp van SE-HPLC. Afstudeeronderzoek aan de University of Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences, Zweden.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Toepassing van ultrasone golven als primingtechniek om de kieming van gerstzaad te versnellen en te verbeteren: optimalisatie van de methode met de Taguchi-benadering. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): De effectiviteit van ultrasone behandeling bij het stimuleren van de kieming van gerstzaad en de alfa-amylaseactiviteit ervan. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering 1/10, 2007.
Feiten over gerst en mout
Het moutproces
Tijdens het mouten kiemt de graankorrel. Het proces omvat drie stappen: weken, kiemen en eesten. Tijdens het weken wordt water aan de korrels toegevoegd, waardoor de enzymen worden geactiveerd. Het conventionele weken duurt 1–2 dagen. Na 1–2 dagen hebben de gerstkorrels een watergehalte van 40–45% bereikt. Op dat moment wordt de gerst uit het weekwater gehaald en begint de kieming.
Tijdens de kieming worden verschillende enzymen gevormd of geactiveerd die later tijdens het maischen essentieel zijn. β-glucanen worden afgebroken door endo-β-1,4-glucanase en endo-β-1,3-glucanase. Endo-β-1,4-glucanase is al aanwezig in gerst, maar endo-β-1,3-glucanase is alleen aanwezig in mout. Omdat β-glucanen gelvormend zijn en daardoor problemen bij de filtratie kunnen veroorzaken, zijn een hoog gehalte aan β-glucanase en een laag gehalte aan β-glucaan wenselijk in mout. Het zetmeelgehalte daalt en het suikergehalte stijgt tijdens de kieming, en het zetmeel wordt afgebroken door α-amylase en β-amylase. Er is geen α-amylase aanwezig in gerst; dit wordt tijdens de kieming geproduceerd, terwijl β-amylase al in gerst aanwezig is. Ook eiwitten worden tijdens de kieming afgebroken. Peptidasen breken 35 – 40 % van de eiwitten af tot oplosbaar materiaal. Na 5 tot 6 dagen is de kieming voltooid en worden de levensprocessen door eesten geïnactiveerd. Bij het eesten wordt het water verwijderd door hete lucht door de mout te leiden. Dit stopt de kieming en de modificaties, en in plaats daarvan worden kleur- en smaakstoffen gevormd door Maillardreacties.
Enzymen in het mout- en brouwproces
De belangrijkste enzymen voor de hydrolyse van zetmeel in gerst zijn α-amylase en β-amylase, die de hydrolyse van zetmeel tot suikers katalyseren. Amylase breekt polysachariden, namelijk zetmeel, af tot maltose. β-amylase is vóór de kieming in een inactieve vorm aanwezig, terwijl α-amylase en proteasen verschijnen zodra de kieming is begonnen. Omdat α-amylase overal op het substraat kan inwerken, werkt het doorgaans sneller dan β-amylase. β-amylase katalyseert de hydrolyse van de tweede α-1,4-glycosidische binding en splitst daarbij twee glucose-eenheden / maltose tegelijk af.
Andere enzymen, zoals proteasen, breken de eiwitten in het graan af tot vormen die door gist kunnen worden gebruikt. Afhankelijk van het moment waarop het moutproces wordt gestopt, verkrijgt men een gewenste zetmeel-enzymverhouding en zetmeel dat gedeeltelijk in vergistbare suikers is omgezet. Mout bevat ook kleine hoeveelheden andere suikers, zoals sacharose en fructose, die geen producten van zetmeelmodificatie zijn, maar al in het graan aanwezig waren. Verdere omzetting in vergistbare suikers vindt plaats tijdens het maischen.
Zetmeelhydrolyse
Tijdens de enzymatische hydrolyse katalyseren enzymen het versuikeringsproces, wat betekent dat de koolhydraten (zetmeel) worden afgebroken tot de suikermoleculen waaruit ze zijn opgebouwd. Door de hydrolyse wordt de energiebron (zetmeel) omgezet in suikers die door de kiem worden verbruikt om te groeien.
Eiwitten in gerst
Gerst heeft een eiwitgehalte van 8 tot 15%. Gersteiwitten leveren een essentiële bijdrage aan de kwaliteit van mout en bier. Oplosbare eiwitten zijn belangrijk voor het behoud en de stabiliteit van de schuimkraag van bier.
Arabinoxylanen en β-glucaan in gerst
Arabinoxylanen en β-glucaan zijn oplosbare voedingsvezels. Moutextracten kunnen hoge gehalten aan arabinoxylanen bevatten, die problemen tijdens de filtratie kunnen veroorzaken, aangezien viskeuze extracten de prestaties van de brouwprocessen aanzienlijk kunnen verslechteren. Bij het brouwproces kan een hoog gehalte aan β-glucaan in gerst leiden tot onvoldoende afbraak van celwanden, wat op zijn beurt de diffusie van enzymen, de kieming en de mobilisatie van de reserves in de korrel belemmert en daardoor het moutextract vermindert. Achtergebleven β-glucaan kan ook leiden tot zeer viskeuze wort, waardoor een filtratieprobleem in de brouwerij ontstaat, en het kan bij de rijping van bier betrokken zijn en koudewaas veroorzaken. Arabinoxylanen komen voor in de celwanden van gerst, haver, tarwe, rogge, maïs, rijst, sorghum en gierst. De extraheerbaarheid van zowel arabinoxylanen als β-glucaan wordt aanzienlijk verhoogd door sonicatie.
Antioxidanten in gerst
Gerst bevat meer dan 50 proanthocyanidinen, waaronder oligomeer en polymeer flavan-3-ol, catechine en gallocatechine. Dimere proanthocyanine B3 en procyanidine B3 komen het meest voor in gerst.
Antioxidanten staan bekend om hun vermogen oxidatiereacties en reacties van vrije zuurstofradicalen te vertragen of te voorkomen, waardoor ze belangrijk zijn in het mout- en brouwproces. Antioxidanten (bijv. sulfieten, formaldehyde en ascorbaat) worden als additieven in het brouwproces gebruikt om de smaakstabiliteit van bier te verbeteren. Ongeveer 80% van de fenolische verbindingen in bier is afkomstig van gerstemout.