Ультразвуковое солодоращение и проращивание солода

Солодоращение – длительный процесс: замачивание и гидратация семян зерновых занимают много времени и в большинстве случаев дают неравномерные результаты.
Обработка ультразвуком позволяет значительно повысить скорость, процент и выход проросших зерен ячменя.

Производство солода

Солод / соложеное зерно широко используется для приготовления пива, виски, молочных коктейлей с солодом, солодового уксуса, а также в качестве пищевой добавки. В процессе солодоращения высушенное зерно (например, ячмень) замачивают в воде, чтобы запустить прорастание. Во время прорастания высвобождаются уже имеющиеся ферменты, образуются новые ферменты и разрушаются клеточные стенки эндосперма, что обеспечивает высвобождение содержимого клеток, а также расщепление части запасных белков до аминокислот. Когда достигается определенная степень прорастания, процесс останавливают путем сушки. При солодоращении зерна образуются ферменты – а именно α-амилаза и β-амилаза – необходимые для превращения крахмала зерна в сахара. К различным видам сахаров относятся моносахарид глюкоза, дисахарид мальтоза, трисахарид мальтотриоза и высшие сахара, называемые мальтодекстринами. Замачивание и проращивание зерна занимают довольно много времени: замачивание длится 1–2 дня, а проращивание требует еще 4–6 дней. Это делает производство солода длительным и дорогостоящим.

Обработка ультразвуком повышает способность к прорастанию

Прорастающий ячмень

Улучшение солодоращения с помощью ультразвука

Решение: обработка ультразвуком

Обработка ультразвуком повышает способность зерен ячменя к прорастанию и скорость их прорастания.

Эффекты ультразвука:

Более быстрое и качественное замачивание
Более быстрое прорастание
Более полное прорастание
Активация ферментов
Более высокая скорость экстракции
Солод высокого качества

Эти эффекты, инициируемые ультразвуком, обусловлены повышением ферментативной активности и микротрещинами, вызываемыми ультразвуковой кавитацией в семенах. Зерно ячменя может поглощать больше воды за более короткое время, что приводит к значительному улучшению гидратации семян. Быстрая гидратация и равномерное прорастание важны для высокого качества солодоращения, поскольку непроросшие семена подвержены поражению бактериями и грибами.
Солодоращение – сложный процесс, в котором участвует множество ферментов; к важным относятся α-амилаза, β-амилаза, α-глюкозидаза и предельный декстрин. При солодоращении ячмень проходит неполный процесс естественного прорастания, включающий ряд процессов ферментативного расщепления эндосперма зерна ячменя. В результате этого ферментативного расщепления разрушаются клеточные стенки эндосперма, а гранулы крахмала высвобождаются из матрицы эндосперма, в которую они встроены. Ультразвук активирует ферменты и повышает скорость экстракции внутриклеточного материала, например крахмала и белков. Молекулы арабиноксилана склонны образовывать макромолекулярные агрегаты в разбавленных растворах полисахаридов. Обработка ультразвуком помогает эффективно уменьшать агрегаты полисахаридов. При расщеплении полисахарида крахмала образуются сбраживаемые углеводы. Такие углеводы превращаются в спирт на этапе брожения при производстве пива.

Все эти воздействия ультразвука на биохимические процессы при солодоращении приводят к сокращению времени прорастания и повышению процента / выхода проросших зерен. Сокращение периода прорастания обеспечивает значительные коммерческие преимущества для солодовенной и пивоваренной промышленности.

Yaldagard et al. (2008) показали, что ультразвук «имеет потенциал применения в процессах солодоращения в качестве метода обработки семян для сокращения периода прорастания и повышения общего процента проросших семян».

Yaldagard et al. 2008 исследовали улучшение прорастания семян ячменя с помощью ультразвука.

Более быстрое прорастание благодаря обработке ультразвуком

Протокол ультразвукового праймирования семян ячменя

Материал:
Семена ячменя Hordeum vulgare (влажность 9%; хранились при комнатной температуре в течение 3 месяцев после сбора урожая)
Ультразвуковой прибор UP200H (200W, 24kHz), оснащенный сонотродом S3 (радиальная форма, диаметр 3mm, максимальная глубина погружения 90mm)

Протокол:
Кончик сонотрода погружали примерно на 9 mm в рабочий раствор, состоящий из воды и семян ячменя. Все эксперименты проводили на образцах (10 g семян ячменя), диспергированных в 80 mL водопроводной воды, с прямой обработкой ультразвуком (зондовая система) при подводимой мощности 20, 60 и 100%, с дополнительным перемешиванием или встряхиванием. Это применяли для предотвращения стоячих волн или образования областей без твердого материала, чтобы обеспечить равномерное распределение ультразвуковых волн. Ультразвуковой прибор переводили в импульсный режим с регулировкой коэффициента заполнения импульсов, чтобы уменьшить образование свободных радикалов. Во всех экспериментах коэффициент заполнения импульсов устанавливали на 50%. Раствор обрабатывали при постоянной температуре 30°C в течение 5, 10 и 15 min. [Yaldagard et al. 2008]

Результаты:
Обработка ультразвуком обеспечивает более высокую гидратацию и более быстрое прорастание за более короткое время.
Наивысший процент проросших семян (приблизительно 100%) был зарегистрирован при настройке мощности 100%. У семян, обработанных ультразвуком в течение 5, 10 и 15 min при полной мощности (настройка мощности прибора 100%), процент проросших семян увеличился с ~93,3% (семена без обработки ультразвуком) до 97,2%, 98% и 99,4% соответственно. Эти результаты могут быть обусловлены механическими эффектами кавитации, вызванной ультразвуком, которая увеличивает поглощение воды клеточными стенками. Обработка ультразвуком усиливает массоперенос и облегчает проникновение воды через клеточную стенку внутрь клетки. Схлопывание кавитационных пузырьков вблизи клеточных стенок нарушает структуру клеток и обеспечивает хороший массоперенос благодаря ультразвуковым струям жидкости.
Метод значительно сократил время, необходимое для начала прорастания семян. В обработанных образцах волосовидные корни появлялись быстрее и росли обильнее по сравнению с семенами без обработки ультразвуком. При использовании ячменя, обработанного описанным выше способом, период прорастания сократился с обычных 7 дней до 4–5 дней (в зависимости от мощности ультразвука и времени воздействия). Кроме того, после обработки в течение 15 min среднее время прорастания уменьшилось с 6,66 дня при настройке мощности 20% до 4,04 дня при настройке мощности ультразвука 100%. Анализ полученных данных показывает, что различные настройки мощности ультразвука во время испытания на прорастание значительно влияли на степень прорастания и среднее время прорастания. Во всех экспериментах прорастание семян ячменя усиливалось по сравнению с контрольным образцом, не обработанным ультразвуком (рис. 1). Максимальное среднее время прорастания было зарегистрировано при настройке мощности 20%, а минимальное среднее время прорастания – при настройке мощности 100% (рис. 2).

Более высокий выход благодаря ультразвуковому солодоращению.

Более высокий процент и выход проросших зерен благодаря ультразвуку

Также доказано, что обработка ультразвуком улучшает прорастание семян нута, пшеницы, томата, перца, моркови, редиса, кукурузы, риса, арбуза, подсолнечника и многих других растений.

Ультразвуковое оборудование

Hielscher Ultrasonics поставляет надежные ультразвуковые аппараты высокой мощности для лабораторного, настольного и промышленного применения. Для предпосевной подготовки семян и солодоращения в промышленном масштабе мы рекомендуем наши промышленные ультразвуковые системы, такие как UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) или UIP16000 (16kW). Разнообразные реакторы с проточными ячейками и принадлежности дополняют наш ассортимент продукции. Все системы Hielscher чрезвычайно прочны и рассчитаны на работу 24/7.
Для испытания и оптимизации ультразвуковой предпосевной подготовки и проращивания семян мы предлагаем вам посетить нашу полностью оборудованную лабораторию ультразвуковых процессов и технический центр!
Свяжитесь с нами сегодня! Мы будем рады обсудить с вами ваш процесс!

UIP1000hdT

Улучшение прорастания с помощью
ультразвука

Ускоренное прорастание
Более высокий выход

Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!

Литература и источники

Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Улучшение прорастания семян четырех видов сельскохозяйственных культур с использованием ультразвукового метода. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
Nilsson, Frida (2009): Исследование белкового состава ячменя в процессе пивоварения с использованием SE-HPLC. Дипломная работа в Кальмарском университете, Школа фундаментальных и прикладных естественных наук, Швеция.
Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Применение ультразвуковых волн в качестве метода предпосевной подготовки для ускорения и улучшения прорастания семян ячменя: оптимизация метода с использованием подхода Тагути. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Эффективность обработки ультразвуком для стимуляции прорастания семян ячменя и их α-амилазной активности. Международный журнал биологической, биомолекулярной, сельскохозяйственной, пищевой и биотехнологической инженерии 1/10, 2007.

Связанные темы

Факты о ячмене и солоде

Процесс солодоращения

При солодоращении зерно злаков прорастает, а сам процесс включает три этапа: замачивание, проращивание и сушку в солодосушилке. При замачивании к зерну добавляют воду, которая активирует ферменты. Традиционное замачивание занимает 1–2 дня. Через 1–2 дня содержание воды в зернах ячменя достигает 40–45%. На этом этапе ячмень извлекают из воды для замачивания, и начинается прорастание.
Во время прорастания образуются или активируются несколько ферментов, которые впоследствии играют ключевую роль в процессе затирания. β-глюканы расщепляются endo-β-1,4-glucanase и endo-β-1,3-glucanase. Endo-β-1,4-glucanase уже присутствует в ячмене, но endo-β-1,3-glucanase присутствует только в солоде. Поскольку β-глюканы образуют гели и тем самым могут вызывать проблемы при фильтрации, в солоде желательны высокое содержание β-глюканазы и низкое содержание β-глюкана. Во время прорастания содержание крахмала уменьшается, а содержание сахаров увеличивается; крахмал расщепляется α-амилазой и β-амилазой. В ячмене отсутствует α-амилаза; она образуется во время прорастания, тогда как β-амилаза уже присутствует в ячмене. При прорастании также расщепляются белки. Пептидазы расщепляют 35 – 40 % белков до растворимого материала. Через 5–6 дней прорастание завершается, а жизненные процессы зерна прекращаются при сушке в солодосушилке. При такой сушке воду удаляют, пропуская горячий воздух через солод. Это останавливает прорастание и модификацию зерна, а вместо этого в результате реакций Майяра образуются соединения, определяющие цвет, вкус и аромат.

Ферменты в процессах солодоращения и пивоварения

Важнейшими ферментами для гидролиза крахмала в ячмене являются α-амилаза и β-амилаза, которые катализируют гидролиз крахмала до сахаров. Амилаза расщепляет полисахариды, а именно крахмал, до мальтозы. До прорастания β-амилаза присутствует в неактивной форме, тогда как α-амилаза и протеазы появляются после начала прорастания. Поскольку α-амилаза может действовать в любом месте субстрата, она обычно действует быстрее, чем β-амилаза. β-амилаза катализирует гидролиз второй α-1,4-гликозидной связи, отщепляя одновременно две единицы глюкозы / мальтозу.
Другие ферменты, например протеазы, расщепляют белки зерна до форм, которые могут использоваться дрожжами. В зависимости от того, когда останавливают процесс солодоращения, получают желаемое соотношение крахмала / ферментов и крахмал, частично превращенный в сбраживаемые сахара. Солод также содержит небольшие количества других сахаров, таких как сахароза и фруктоза, которые не являются продуктами модификации крахмала, а уже присутствовали в зерне. Дальнейшее превращение в сбраживаемые сахара происходит в процессе затирания.

Гидролиз крахмала

При ферментативном гидролизе ферменты катализируют процесс осахаривания, то есть углеводы (крахмал) расщепляются до составляющих их молекул сахаров. В результате гидролиза энергетический ресурс (крахмал) превращается в сахара, которые зародыш потребляет для роста.

Белки в ячмене

Содержание белка в ячмене составляет от 8 до 15%. Белки ячменя вносят существенный вклад в качество солода и пива. Растворимые белки важны для сохранения и устойчивости пивной пены.

Арабиноксиланы и β-глюкан в ячмене

Арабиноксиланы и β-глюкан – растворимые пищевые волокна. Солодовые экстракты могут содержать большое количество арабиноксиланов, которые могут вызывать трудности при фильтрации, поскольку вязкие экстракты могут значительно снижать эффективность пивоваренных процессов. При пивоварении высокое содержание β-глюкана в ячмене может приводить к недостаточному разрушению клеточных стенок, что, в свою очередь, затрудняет диффузию ферментов, прорастание и мобилизацию запасов зерна и тем самым снижает выход солодового экстракта. Остаточный β-глюкан также может приводить к образованию высоковязкого сусла, вызывая проблемы с фильтрацией на пивоварне, и может участвовать в созревании пива, вызывая холодовое помутнение. Арабиноксиланы присутствуют в клеточных стенках ячменя, овса, пшеницы, ржи, кукурузы, риса, сорго и проса. Обработка ультразвуком значительно повышает извлекаемость как арабиноксиланов, так и β-глюкана.

Антиоксиданты в ячмене

Ячмень содержит более 50 проантоцианидинов, включая олигомерный и полимерный flavan-3-ol, катехин и галлокатехин. Димерный проантоцианин B3 и процианидин B3 наиболее распространены в ячмене.
Антиоксиданты известны своей способностью замедлять или предотвращать реакции окисления и реакции свободных радикалов кислорода, что делает их важными в процессах солодоращения и пивоварения. Антиоксиданты (например, сульфиты, формальдегид, аскорбат) используются в качестве добавок в процессе пивоварения для повышения стабильности вкуса и аромата пива. Около 80% фенольных соединений в пиве происходят из ячменного солода.