Maltarea cu ultrasunete și germinarea malțului
- Maltarea este un proces de durată: înmuierea și hidratarea semințelor de cereale necesită mult timp și conduc în mare parte la rezultate neuniforme.
- Prin ultrasonicare, viteza, rata și randamentul germinării orzului pot fi îmbunătățite semnificativ.
Producția de malț
Malțul / cerealele malțificate sunt utilizate pe scară largă pentru producerea berii, a whisky-ului, a shake-urilor cu malț, a oțetului de malț, precum și ca aditiv alimentar. În timpul procesului de maltare, cerealele uscate (de ex. orzul) sunt înmuiate în apă pentru a declanșa germinarea. În timpul germinării, enzimele existente sunt eliberate, sunt produse enzime noi, iar pereții celulari ai endospermului sunt rupți pentru a-și elibera conținutul celular, precum și pentru a descompune o parte din proteinele stocate în aminoacizi. Când s-a atins un anumit grad de germinare, procesul de germinare este oprit printr-un proces de uscare. Prin maltarea cerealelor se dezvoltă enzimele – și anume α-amilaza și β-amilaza – necesare pentru transformarea amidonului din cereale în zaharuri. Diversele tipuri de zaharuri includ monozaharidul glucoză, dizaharidul maltoză, trizaharidul maltotrioză și zaharuri superioare numite maltodextrine. Înmuierea și germinarea cerealelor necesită destul de mult timp, având în vedere că înmuierea durează 1–2 zile, iar germinarea încă 4–6 zile. Acest lucru face ca producția de malț să fie de durată și costisitoare.
Orz în germinare
Maltare îmbunătățită cu ultrasunete
Soluția: sonicarea
- Sonicarea îmbunătățește capacitatea și viteza de germinare a boabelor de orz.
Efectele ultrasunetelor:
- Înmuiere mai rapidă și mai bună
- Germinare mai rapidă
- Germinare mai completă
- Activarea enzimelor
- Rată de extracție mai mare
- Malț de înaltă calitate
Aceste efecte inițiate de ultrasunete sunt cauzate de o activitate enzimatică îmbunătățită și de microfisurile induse de cavitația ultrasonică pe sămânță. Boabele de orz pot absorbi mai multă apă într-un timp mai scurt, ceea ce duce la o îmbunătățire semnificativă a hidratării semințelor. O hidratare rapidă și o germinare uniformă sunt importante pentru o bună calitate a maltării, deoarece semințele negerminate sunt predispuse la deteriorări bacteriene și fungice.
Maltarea este un proces complex care implică numeroase enzime; printre cele importante se numără α-amilaza, β-amilaza, α-glucozidaza și dextrina limită. În timpul maltării, orzul trece printr-un proces natural de germinare incompletă, care implică o serie de degradări enzimatice ale endospermului bobului de orz. Ca urmare a acestei degradări enzimatice, pereții celulari ai endospermului sunt degradați, iar granulele de amidon sunt eliberate din matricea endospermului în care sunt încorporate. Ultrasunetele activează enzimele și îmbunătățesc rata de extracție a materialului intracelular, de ex. amidon, proteine. Moleculele de arabinoxilan tind să formeze agregate macromoleculare în soluțiile diluate de polizaharide. Ultrasonicarea contribuie la reducerea eficientă a agregatelor de polizaharide. Prin degradarea polizaharidei amidon se produc carbohidrați fermentescibili. Acești carbohidrați sunt transformați în alcool în etapa de fermentare a fabricării berii.
Toate aceste efecte ale ultrasunetelor asupra proceselor biochimice din timpul maltării au ca rezultat un timp de germinare mai scurt și o rată de germinare mai mare / un randament mai mare. Scurtarea perioadei de germinare aduce beneficii comerciale semnificative pentru industria maltului și industria berii.
Yaldagard et al. (2008) au arătat că ultrasunetele „au potențialul de a fi utilizate în procesele de maltare ca metodă de tratare a semințelor pentru a reduce perioada de germinare și a îmbunătăți procentul de germinare totală.”
Germinare mai rapidă prin sonicare
Protocol de pretratare cu ultrasunete a semințelor de orz pentru stimularea germinării
Semințe de orz Hordeum vulgare (conținut de umiditate 9%; depozitate la temperatura camerei timp de 3 luni după recoltare)
Dispozitiv cu ultrasunete UP200H (200W, 24kHz) echipat cu sonotroda S3 (formă radială, diametru 3mm, adâncime max. de imersie 90mm)
Protocol:
Vârful sonotrodei a fost imersat aprox. 9 mm în soluția de proces formată din apă și semințe de orz. Toate experimentele au fost efectuate pe probe (10 g semințe de orz) dispersate în 80 mL apă de la robinet, cu sonicare directă (sistem cu sondă) la o putere aplicată de 20, 60 și 100%, cu agitare sau scuturare suplimentară. Aceasta a fost utilizată pentru a evita undele staționare sau formarea de zone lipsite de solide, în vederea unei distribuții uniforme a undelor ultrasonice. Dispozitivul cu ultrasunete a fost setat în modul pulsat, utilizând controlul ciclului de funcționare, pentru a reduce formarea radicalilor liberi. Ciclul a fost setat la 50% pentru toate experimentele. Soluția a fost procesată la o temperatură constantă de 30°C timp de 5, 10 și 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultate:
Tratamentele cu ultrasunete au ca rezultat o hidratare mai mare și o germinare mai rapidă într-un timp mai scurt.
Cea mai mare germinare a semințelor (aproximativ 100%) a fost înregistrată la setarea de putere de 100%. Pentru semințele sonicate timp de 5, 10 și 15 min la putere maximă (setarea de putere de 100% a dispozitivului), rata de germinare a crescut de la ~93,3% (semințe nesonicate) la 97,2%, 98% și, respectiv, 99,4%. Aceste rezultate pot fi atribuite efectelor mecanice datorate cavitației induse de ultrasunete, care crește absorbția apei de către pereții celulari. Sonicarea intensifică transferul de masă și facilitează pătrunderea apei prin peretele celular în interiorul celulei. Implozia bulelor de cavitație în apropierea pereților celulari perturbă structura celulară și permite un bun transfer de masă datorită jeturilor de lichid generate de ultrasunete.
Metoda a redus considerabil timpul necesar pentru inițierea germinării semințelor. Rădăcinile capilare au apărut mai repede la probele tratate și au crescut abundent în comparație cu semințele nesonicate. La utilizarea orzului tratat ca mai sus, perioada de germinare a fost scurtată la 4 până la 5 zile (în funcție de puterea ultrasonică și de durata expunerii), față de cele 7 zile obișnuite. În plus, timpul mediu de germinare a scăzut de la 6,66 zile pentru setarea de putere de 20% la 4,04 zile pentru setarea de putere ultrasonică de 100%, după un timp de procesare de 15 min. Analiza datelor obținute indică faptul că gradul de germinare și timpul mediu de germinare au fost influențate semnificativ de diferitele setări de putere ultrasonică în timpul testului de germinare. Toate experimentele au condus la o germinare crescută a semințelor de orz în comparație cu martorul nesonicat (Fig. 1). Timpul mediu de germinare maxim a fost înregistrat pentru setarea de putere de 20%, iar timpul mediu de germinare minim a fost înregistrat pentru setarea de putere de 100% (Fig. 2).
Rată de germinare și randament mai mari cu ultrasunete
S-a dovedit, de asemenea, că sonicarea îmbunătățește germinarea semințelor de năut, grâu, tomate, ardei, morcov, ridiche, porumb, orez, pepene verde, floarea-soarelui și multe altele.
Echipamente cu ultrasunete
Hielscher Ultrasonics furnizează ultrasonicatoare fiabile de mare putere pentru utilizare în laborator, pe banc de lucru și în industrie. Pentru condiționarea (priming) semințelor și maltarea la scară comercială, vă recomandăm sistemele noastre industriale cu ultrasunete, precum UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) sau UIP16000 (16kW). Numeroase reactoare cu celulă de flux și accesorii completează gama noastră de produse. Toate sistemele Hielscher sunt extrem de robuste și construite pentru funcționare 24/7.
Pentru a testa și optimiza condiționarea (priming) semințelor și germinarea cu ultrasunete, vă oferim posibilitatea de a vizita laboratorul nostru de procese cu ultrasunete și centrul tehnic, complet echipate!
Contactați-ne astăzi! Vom discuta cu plăcere procesul dumneavoastră!
UIP1000hdT
ultrasunete
- Germinare accelerată
- Randament mai mare
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Literatură de specialitate/Referințe
- Goussous, S. J .; Samara, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Îmbunătățirea germinării semințelor a patru specii de culturi folosind o tehnică cu ultrasunete. Agricultura experimentală, 46/02, 2010. 231-242.
- Nilsson, Frida (2009): Un studiu al compoziției proteinelor din orz în timpul procesului de fabricare a berii folosind SE-HPLC. Lucrare de proiect de diplomă la University of Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences, Suedia.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Aplicarea undelor ultrasonice ca tehnică de amorsare pentru accelerarea și îmbunătățirea germinării semințelor de orz: optimizarea metodei prin abordarea Taguchi. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Eficacitatea tratamentului cu ultrasunete asupra stimulării germinării semințelor de orz și a activității sale alfa-amilazei. Jurnalul Internațional de Inginerie Biologică, Biomoleculară, Agricolă, Alimentară și Biotehnologică 1/10, 2007.
Informații despre orz și malț
Procesul de maltare
La maltare, boabele de cereale germinează, iar procesul implică trei etape: înmuierea, germinarea și uscarea în cuptor. În timpul înmuierii, se adaugă apă la boabe, ceea ce activează enzimele. Înmuierea convențională durează 1–2 zile. După 1–2 zile, boabele de orz au atins un conținut de apă de 40–45%. În acest moment, orzul este scos din apa de înmuiere și începe germinarea.
În timpul germinării se formează sau se activează mai multe enzime, care sunt esențiale ulterior în procesul de plămădire. β-glucanii sunt descompuși de endo-β-1,4-glucanază și endo-β-1,3-glucanază. Endo-β-1,4-glucanaza este deja prezentă în orz, dar endo-β-1,3-glucanaza este prezentă doar în malț. Deoarece β-glucanii formează gel și pot cauza astfel probleme la filtrare, în malț sunt de dorit un conținut ridicat de β-glucanază și un conținut scăzut de β-glucan. Conținutul de amidon scade, iar conținutul de zahăr crește în timpul germinării, iar amidonul este degradat de α-amilază și β-amilază. În orz nu este prezentă α-amilază; aceasta este produsă în timpul germinării, în timp ce β-amilaza este deja prezentă în orz. Proteinele sunt, de asemenea, degradate în timpul germinării. Peptidazele degradează 35 – 40 % din proteine în material solubil. După 5 până la 6 zile, germinarea este încheiată, iar procesele sale vitale sunt inactivate prin uscarea în cuptor. La uscarea în cuptor, apa este eliminată prin trecerea aerului cald prin malț. Aceasta oprește germinarea și modificările, iar în schimb se formează compuși de culoare și de aromă prin reacții Maillard.
Enzimele din procesul de maltare și de fabricare a berii
Cele mai importante enzime pentru hidroliza amidonului din orz sunt α-amilaza și β-amilaza, enzime care catalizează hidroliza amidonului în zaharuri. Amilaza degradează polizaharidele, și anume amidonul, în maltoză. β-amilaza este prezentă într-o formă inactivă înainte de germinare, în timp ce α-amilaza și proteazele apar odată ce germinarea a început. Deoarece α-amilaza poate acționa oriunde pe substrat, aceasta tinde să acționeze mai rapid decât β-amilaza. β-amilaza catalizează hidroliza celei de-a doua legături glicozidice α-1,4, scindând deodată două unități de glucoză / maltoză.
Alte enzime, precum proteazele, descompun proteinele din boabe în forme care pot fi utilizate de drojdie. În funcție de momentul în care procesul de maltare este oprit, se obține un raport amidon / enzime preferat și amidon parțial transformat în zaharuri fermentescibile. Malțul conține, de asemenea, cantități mici de alte zaharuri, precum zaharoza și fructoza, care nu sunt produse ale modificării amidonului, ci se aflau deja în boabe. Transformarea ulterioară în zaharuri fermentescibile se realizează în timpul procesului de plămădire.
Hidroliza amidonului
În timpul hidrolizei enzimatice, enzimele catalizează procesul de zaharificare, ceea ce înseamnă că carbohidrații (amidonul) sunt descompuși în moleculele de zahăr componente. Prin hidroliză, resursa energetică (amidonul) este transformată în zaharuri, care sunt consumate de germen pentru creștere.
Proteinele din orz
Orzul are un conținut de proteine de 8 până la 15%. Proteinele din orz contribuie în mod esențial la calitatea malțului și a berii. Proteinele solubile sunt importante pentru persistența spumei și stabilitatea berii.
Arabinoxilanii și β-glucanul din orz
Arabinoxilanii și β-glucanul sunt fibre alimentare solubile. Extractele de malț pot conține niveluri ridicate de arabinoxilani, care pot cauza dificultăți la filtrare, deoarece extractele vâscoase pot deteriora semnificativ performanța proceselor de fabricare a berii. Pentru procesul de fabricare a berii, un conținut ridicat de β-glucan în orz poate duce la o degradare insuficientă a pereților celulari, ceea ce, la rândul său, împiedică difuzia enzimelor, germinarea și mobilizarea rezervelor bobului și, prin urmare, reduce extractul de malț. β-glucanul rezidual poate duce, de asemenea, la un must de malț foarte vâscos, generând o problemă de filtrare în fabrica de bere, și poate participa la maturarea berii, provocând tulbureala la rece. Arabinoxilanii se găsesc în pereții celulari ai orzului, ovăzului, grâului, secarei, porumbului, orezului, sorgului și meiului. Extractibilitatea atât a arabinoxilanilor, cât și a β-glucanului este crescută semnificativ prin sonicare.
Antioxidanții din orz
Orzul conține mai mult de 50 de proantocianidine, inclusiv flavan-3-ol oligomeric și polimeric, catechină și galocatechină. Proantocianina B3 dimerică și procianidina B3 sunt cele mai abundente în orz.
Antioxidanții sunt cunoscuți pentru capacitatea lor de a întârzia sau de a preveni reacțiile de oxidare și reacțiile radicalilor liberi de oxigen, ceea ce îi face importanți în procesul de maltare și de fabricare a berii. Antioxidanții (de ex. sulfiți, formaldehidă, ascorbat) sunt utilizați ca aditivi în procesul de fabricare a berii pentru a îmbunătăți stabilitatea aromei berii. Aproximativ 80% dintre compușii fenolici din bere provin din malțul de orz.