Ultrazvočno slajenje in kalitev slada
- Slajenje je dolgotrajen postopek: namakanje in hidratacija žitnih semen zahtevata veliko časa, rezultati pa so večinoma neenakomerni.
- Z ultrazvočno obdelavo je mogoče znatno izboljšati hitrost, delež in izplen kalitve ječmena.
Proizvodnja slada
Slad / slajeno žito se pogosto uporablja za izdelavo piva, viskija, mlečnih napitkov s sladom in sladnega kisa ter kot dodatek živilom. Med slajenjem se posušeno žito (npr. ječmen) namaka v vodi, da se začne kalitev. Med kalitvijo se sproščajo obstoječi encimi, nastajajo novi encimi in razgrajujejo celične stene endosperma, da se sprosti vsebina celic in del shranjenih beljakovin razgradi v aminokisline. Ko je dosežena določena stopnja kalitve, se kalitev ustavi s sušenjem. S slajenjem žita nastanejo encimi – in sicer α-amilaza in β-amilaza – ki so potrebni za pretvorbo škroba v žitu v sladkorje. Različne vrste sladkorjev vključujejo monosaharid glukozo, disaharid maltozo, trisaharid maltotriozo in višje sladkorje, imenovane maltodekstrini. Namakanje in kalitev žita sta precej dolgotrajna, saj namakanje traja 1–2 dni, kalitev pa dodatnih 4–6 dni. Zato je proizvodnja slada dolgotrajna in draga.
Kaleči ječmen
Z ultrazvokom izboljšano slajenje
Rešitev: sonikacija
- Sonikacija izboljša kalivost in hitrost kalitve ječmenovih zrn.
Učinki ultrazvoka:
- Hitrejše in boljše namakanje
- Hitrejša kalitev
- Popolnejša kalitev
- Aktivacija encimov
- Višja stopnja ekstrakcije
- Visokokakovosten slad
Te učinke, sprožene z ultrazvokom, povzročajo izboljšana encimska aktivnost in mikrorazpoke, ki jih povzroča ultrazvočna kavitacija na semenu. Ječmenovo zrno lahko v krajšem času absorbira več vode, kar omogoča znatno izboljšano hidratacijo semen. Hitra hidratacija in enakomerna kalitev sta pomembni za dobro kakovost slajenja, saj so nevzkaljena semena dovzetna za poškodbe zaradi bakterij in gliv.
Slajenje je kompleksen postopek, ki vključuje številne encime; med pomembnejšimi so α-amilaza, β-amilaza, α-glukozidaza in mejni dekstrin. Med slajenjem ječmen prestane nepopoln naravni proces kalitve, ki vključuje vrsto encimskih razgradenj endosperma ječmenovega zrna. Zaradi te encimske razgradnje se razgradijo celične stene endosperma, škrobna zrnca pa se sprostijo iz matriksa endosperma, v katerem so vgrajena. Ultrazvok aktivira encime in izboljša stopnjo ekstrakcije znotrajceličnih snovi, npr. škroba in beljakovin. Molekule arabinoksilana v razredčenih raztopinah polisaharidov težijo k tvorjenju makromolekularnih agregatov. Ultrazvočna obdelava pomaga učinkovito zmanjšati agregate polisaharidov. Z razgradnjo polisaharida škroba nastanejo fermentabilni ogljikovi hidrati. Ti ogljikovi hidrati se v fermentacijski fazi proizvodnje piva pretvorijo v alkohol.
Vsi ti učinki ultrazvoka na biokemijske procese med slajenjem povzročajo krajši čas kalitve in večji delež / izplen kalitve. Skrajšanje obdobja kalitve prinaša znatne poslovne koristi za sladarsko in pivovarsko industrijo.
Yaldagard in sod. (2008) so pokazali, da ima ultrazvok »potencial za uporabo pri slajenju kot metoda obdelave semen za skrajšanje obdobja kalitve in izboljšanje odstotka skupne kalitve.«
Hitrejša kalitev s sonikacijo
Protokol ultrazvočnega predkalitvenega kondicioniranja ječmenovih semen
Semena ječmena Hordeum vulgare (9% vsebnost vlage; shranjena pri sobni temperaturi 3 mesece po žetvi)
Ultrazvočna naprava UP200H (200W, 24kHz), opremljena s sonotrodo S3 (radialna oblika, premer 3mm, največja globina potopitve 90mm)
Protokol:
Konica sonotrode je bila potopljena približno 9 mm v procesno raztopino, sestavljeno iz vode in ječmenovih semen. Vsi poskusi so bili izvedeni na vzorcih (10 g ječmenovih semen), dispergiranih v 80 mL vode iz pipe, z neposredno sonikacijo (sistem s sondo) pri vhodni moči 20, 60 in 100%, z dodatnim mešanjem ali stresanjem. To je bilo uporabljeno za preprečevanje stoječih valov ali nastanka območij brez trdnih snovi, da bi bila porazdelitev ultrazvočnih valov enakomerna. Ultrazvočna naprava je bila nastavljena na pulzni način z uravnavanjem delovnega cikla, da bi se zmanjšalo nastajanje prostih radikalov. Pri vseh poskusih je bil cikel nastavljen na 50%. Raztopina je bila obdelana pri stalni temperaturi 30°C za 5, 10 in 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Rezultati:
Ultrazvočne obdelave povzročijo večjo hidratacijo in hitrejšo kalitev v krajšem času.
Najvišji delež kalitve semen (približno 100%) je bil zabeležen pri nastavitvi moči na 100%. Pri semenih, sonikiranih 5, 10 in 15 min pri polni moči (nastavitev moči naprave na 100%), se je delež kalitve povečal s ~93,3% (nesonikirana semena) na 97,2%, 98% oziroma 99,4%. Te rezultate je mogoče pripisati mehanskim učinkom ultrazvočno povzročene kavitacije, ki povečuje privzem vode skozi celične stene. Sonikacija izboljša prenos snovi in olajša prodiranje vode skozi celično steno v notranjost celice. Sesedanje kavitacijskih mehurčkov v bližini celičnih sten poruši celično strukturo in zaradi ultrazvočnih tekočinskih curkov omogoča dober prenos snovi.
Metoda je znatno skrajšala čas, potreben za začetek kalitve semen. Lasaste korenine so se v obdelanih vzorcih pojavile hitreje in rasle obilneje kot pri nesonikiranih semenih. Pri uporabi ječmena, obdelanega na zgoraj opisani način, se je obdobje kalitve skrajšalo z običajnih 7 dni na 4 do 5 dni (odvisno od ultrazvočne moči in časa izpostavljenosti). Poleg tega se je po 15 min obdelave povprečni čas kalitve zmanjšal s 6,66 dni pri nastavitvi moči na 20% na 4,04 dni pri nastavitvi ultrazvočne moči na 100%. Analiza pridobljenih podatkov kaže, da so različne nastavitve ultrazvočne moči med preskusom kalitve znatno vplivale na obseg kalitve in povprečni čas kalitve. Pri vseh poskusih je bila kalitev ječmenovih semen večja kot pri nesonikirani kontroli (sl. 1). Najdaljši povprečni čas kalitve je bil zabeležen pri nastavitvi moči na 20%, najkrajši povprečni čas kalitve pa pri nastavitvi moči na 100% (sl. 2).
Večji delež in izplen kalitve z ultrazvokom
Dokazano je tudi, da sonikacija izboljša kalitev semen čičerike, pšenice, paradižnika, paprike, korenja, redkvice, koruze, riža, lubenice, sončnice in številnih drugih rastlin.
Ultrazvočna oprema
Hielscher Ultrasonics dobavlja zanesljive ultrazvočne naprave velike moči za laboratorijsko, namizno in industrijsko uporabo. Za predkalitveno obdelavo semen in slajenje v komercialnem obsegu vam priporočamo naše industrijske ultrazvočne sisteme, kot so UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ali UIP16000 (16kW). Raznovrstni reaktorji s pretočnimi celicami in dodatna oprema dopolnjujejo našo ponudbo izdelkov. Vsi sistemi Hielscher so izjemno robustni in izdelani za delovanje 24/7.
Za preskušanje in optimizacijo ultrazvočne predkalitvene obdelave in kalitve semen vam ponujamo možnost obiska našega popolnoma opremljenega laboratorija za ultrazvočne procese in tehničnega centra!
Kontaktirajte nas še danes! Z veseljem se bomo z vami pogovorili o vašem procesu!
UIP1000hdT
ultrazvokom
- Pospešena kalitev
- Večji izplen
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura/viri
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Izboljšanje kalitve semen štirih vrst kulturnih rastlin z ultrazvočno tehniko. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231–242.
- Nilsson, Frida (2009): Študija sestave ječmenovih beljakovin med proizvodnjo piva z uporabo SE-HPLC. Diplomsko projektno delo na Univerzi v Kalmarju, Fakulteti za čiste in uporabne naravoslovne vede, Švedska.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Uporaba ultrazvočnih valov kot tehnike predkalitvene obdelave za pospeševanje in izboljšanje kalitve ječmenovih semen: optimizacija metode s Taguchijevim pristopom. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14–21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Učinkovitost ultrazvočne obdelave pri spodbujanju kalitve ječmenovih semen in njihove aktivnosti alfa-amilaze. Mednarodni časopis za biološko, biomolekularno, kmetijsko, prehransko in biotehnološko inženirstvo 1/10, 2007.
Dejstva o ječmenu in sladu
Postopek slajenja
Pri slajenju žitno zrno kali, postopek pa vključuje tri korake: namakanje, kalitev in sušenje. Med namakanjem se zrnom doda voda, ki aktivira encime. Običajno namakanje traja 1–2 dni. Po 1–2 dneh ječmenova zrna dosežejo vsebnost vode 40–45%. Takrat se ječmen odstrani iz vode za namakanje in začne se kalitev.
Med kalitvijo nastane ali se aktivira več encimov, ki so pozneje bistveni pri drozganju. β-glukani se razgradijo z endo-β-1,4-glukanazo in endo-β-1,3-glukanazo. Endo-β-1,4-glukanaza je že prisotna v ječmenu, endo-β-1,3-glukanaza pa je prisotna samo v sladu. Ker β-glukani tvorijo gele in zato lahko povzročajo težave pri filtraciji, sta v sladu zaželeni visoka vsebnost β-glukanaze in nizka vsebnost β-glukana. Med kalitvijo se vsebnost škroba zmanjšuje, vsebnost sladkorjev pa povečuje; škrob razgrajujeta α-amilaza in β-amilaza. V ječmenu ni α-amilaze; ta nastane med kalitvijo, medtem ko je β-amilaza že prisotna v ječmenu. Med kalitvijo se razgrajujejo tudi beljakovine. Peptidaze razgradijo 35 – 40 % beljakovin v topne snovi. Po 5 do 6 dneh je kalitev končana, življenjski procesi pa se ustavijo s sušenjem. Pri sušenju se voda odstrani s prehajanjem vročega zraka skozi slad. S tem se ustavijo kalitev in spremembe, namesto tega pa z Maillardovimi reakcijami nastajajo spojine, ki dajejo barvo in aromo.
Encimi pri slajenju in proizvodnji piva
Najpomembnejša encima za hidrolizo škroba v ječmenu sta α-amilaza in β-amilaza, ki katalizirata hidrolizo škroba v sladkorje. Amilaza razgrajuje polisaharide, in sicer škrob, v maltozo. β-amilaza je pred kalitvijo prisotna v neaktivni obliki, α-amilaza in proteaze pa se pojavijo, ko se kalitev začne. Ker lahko α-amilaza deluje kjer koli na substratu, običajno deluje hitreje kot β-amilaza. β-amilaza katalizira hidrolizo druge α-1,4-glikozidne vezi, pri čemer naenkrat odcepi dve enoti glukoze / maltozo.
Drugi encimi, kot so proteaze, razgrajujejo beljakovine v zrnu v oblike, ki jih lahko uporabijo kvasovke. Glede na to, kdaj se slajenje ustavi, dobimo želeno razmerje med škrobom in encimi ter škrob, ki je delno pretvorjen v fermentabilne sladkorje. Slad vsebuje tudi majhne količine drugih sladkorjev, kot sta saharoza in fruktoza, ki nista produkta pretvorbe škroba, temveč sta bila v zrnu že prej. Nadaljnja pretvorba v fermentabilne sladkorje se doseže med drozganjem.
Hidroliza škroba
Med encimsko hidrolizo encimi katalizirajo proces saharifikacije, kar pomeni, da se ogljikovi hidrati (škrob) razgradijo v molekule sladkorjev, ki jih sestavljajo. S hidrolizo se vir energije (škrob) pretvori v sladkorje, ki jih kalček porablja za rast.
Beljakovine v ječmenu
Ječmen vsebuje 8 do 15% beljakovin. Ječmenove beljakovine bistveno prispevajo h kakovosti slada in piva. Topne beljakovine so pomembne za obstojnost in stabilnost pivske pene.
Arabinoksilani in β-glukan v ječmenu
Arabinoksilani in β-glukan so topne prehranske vlaknine. Sladni ekstrakti lahko vsebujejo velike količine arabinoksilanov, ki lahko povzročajo težave pri filtraciji, saj lahko viskozni ekstrakti znatno poslabšajo učinkovitost postopkov proizvodnje piva. Pri proizvodnji piva lahko visoka vsebnost β-glukana v ječmenu povzroči nezadostno razgradnjo celičnih sten, kar nato ovira difuzijo encimov, kalitev in mobilizacijo zalog v zrnu ter tako zmanjša sladni ekstrakt. Preostali β-glukan lahko povzroči tudi zelo viskozno pivino, kar povzroča težave pri filtraciji v pivovarni, lahko pa sodeluje tudi pri zorenju piva in povzroča hladno motnost. Arabinoksilani so v celičnih stenah ječmena, ovsa, pšenice, rži, koruze, riža, sirka in prosa. Sonikacija znatno poveča možnost ekstrakcije tako arabinoksilanov kot β-glukana.
Antioksidanti v ječmenu
Ječmen vsebuje več kot 50 proantocianidinov, vključno z oligomernim in polimernim flavan-3-olom, katehinom in galokatehinom. Dimerni proantocianin B3 in procianidin B3 sta najobilneje zastopana v ječmenu.
Antioksidanti so znani po svoji sposobnosti odložiti ali preprečiti oksidacijske reakcije in reakcije prostih kisikovih radikalov, zato so pomembni pri slajenju in proizvodnji piva. Antioksidanti (npr. sulfiti, formaldehid, askorbat) se uporabljajo kot dodatki pri proizvodnji piva za izboljšanje stabilnosti njegove arome. Približno 80% fenolnih spojin v pivu izvira iz ječmenovega slada.