Mältning och maltgroning med ultraljud
- Mältning är en tidskrävande process: blötläggningen och hydreringen av spannmålskärnorna tar lång tid och ger oftast ojämna resultat.
- Med ultraljudsbehandling kan kornets groningshastighet, groningsgrad och utbyte förbättras avsevärt.
Maltproduktion
Malt / mältat spannmål används i stor utsträckning för att tillverka öl, whisky, milkshakes med malt och maltvinäger samt som livsmedelstillsats. Under mältningsprocessen blötläggs det torkade spannmålet (t.ex. korn) i vatten för att starta groningen. Under groningen frigörs befintliga enzymer, nya enzymer bildas och endospermets cellväggar bryts ned för att frigöra cellinnehållet samt bryta ned en del av det lagrade proteinet till aminosyror. När en viss groningsgrad har uppnåtts avbryts groningsprocessen genom torkning. Genom mältning av spannmål utvecklas de enzymer – nämligen α-amylas och β-amylas – som krävs för att omvandla spannmålets stärkelse till sockerarter. De olika sockerarterna omfattar monosackariden glukos, disackariden maltos, trisackariden maltotrios och högre sockerarter som kallas maltodextriner. Stöpningen och groningen av spannmålet är ganska tidskrävande, eftersom stöpningen tar 1–2 dagar och groningen tar ytterligare 4–6 dagar. Detta gör maltproduktionen tidskrävande och dyr.
Groende korn
Förbättrad mältning med ultraljud
Lösningen: ultraljudsbehandling
- Ultraljudsbehandling förbättrar kornkärnornas groningsförmåga och groningshastighet.
Ultraljudets effekter:
- Snabbare och bättre blötläggning
- Snabbare groning
- Fullständigare groning
- Aktivering av enzymer
- Högre extraktionshastighet
- Malt av hög kvalitet
Dessa effekter som initieras av ultraljud orsakas av förbättrad enzymaktivitet och mikrosprickor som induceras av ultraljudskavitation i fröet. Kornkärnan kan absorbera mer vatten på kortare tid, vilket leder till en avsevärt förbättrad hydrering av fröna. Snabb hydrering och jämn groning är viktiga för god mältningskvalitet, eftersom ogrodda frön är känsliga för bakterie- och svampskador.
Mältning är en komplex process som involverar många enzymer; viktiga sådana är α-amylas, β-amylas, α-glukosidas och gränsdextrin. Under mältningen genomgår korn en ofullständig naturlig groningsprocess som innefattar en serie enzymatiska nedbrytningar av kornkärnans endosperm. Till följd av denna enzymatiska nedbrytning bryts endospermets cellväggar ned och stärkelsegranuler frigörs från den matris i endospermet där de är inbäddade. Ultraljud aktiverar enzymer och förbättrar extraktionshastigheten för det intracellulära materialet, t.ex. stärkelse och proteiner. Arabinoxylanmolekyler tenderar att bilda makromolekylära aggregat i utspädda polysackaridlösningar. Ultraljudsbehandling bidrar till att effektivt reducera polysackaridaggregaten. Genom nedbrytning av polysackariden stärkelse bildas jäsbara kolhydrater. Dessa kolhydrater omvandlas till alkohol under jäsningssteget i öltillverkningen.
Alla dessa ultraljudseffekter på de biokemiska processerna under mältningen resulterar i en kortare groningstid och en högre groningsgrad / högre utbyte. En förkortning av groningsperioden ger betydande kommersiella fördelar för mältnings- och bryggeriindustrin.
Yaldagard et al. (2008) har visat att ultraljud ”har potential att användas i mältningsprocesser som en metod för behandling av frön för att förkorta groningsperioden och förbättra den totala groningsprocenten.”
Snabbare groning genom ultraljudsbehandling
Protokoll för groningsförbehandling av kornfrön med ultraljud
Kornfrön Hordeum vulgare (9% fukthalt; lagrade vid rumstemperatur i 3 månader efter skörd)
Ultraljudsenhet UP200H (200W, 24kHz) utrustad med sonotrod S3 (radiell form, 3mm diameter, max. nedsänkningsdjup 90mm)
Protokoll:
Sonotrodens spets sänktes ned cirka 9 mm i processlösningen bestående av vatten och kornfrön. Alla försök utfördes på prover (10 g kornfrön) dispergerade i 80 mL kranvatten med direkt ultraljudsbehandling (sondsystem) vid en effekttillförsel på 20, 60 och 100%, med ytterligare omrörning eller skakning. Detta gjordes för att undvika stående vågor eller bildning av områden utan fasta partiklar och därmed få en jämn fördelning av ultraljudsvågorna. Ultraljudsenheten ställdes in på pulserande drift med reglering av arbetscykeln för att minska bildningen av fria radikaler. Arbetscykeln ställdes in på 50% för alla försök. Lösningen behandlades vid en konstant temperatur på 30°C i 5, 10 och 15 min. [Yaldagard et al. 2008]
Resultat:
Ultraljudsbehandlingarna ger högre hydratisering och snabbare groning på kortare tid.
Den högsta frögroningen (cirka 100%) registrerades vid effektinställningen 100%. För fröna som ultraljudsbehandlades i 5, 10 och 15 min vid full effekt (enhetens effektinställning 100%) ökade groningsgraden från ~93,3% (frön som inte ultraljudsbehandlats) till 97,2%, 98% respektive 99,4%. Dessa resultat kan tillskrivas mekaniska effekter av ultraljudsinducerad kavitation som ökar cellväggarnas vattenupptag. Ultraljudsbehandlingen förbättrar massöverföringen och underlättar vattnets inträngning genom cellväggen till cellens inre. När kavitationsbubblor kollapsar nära cellväggarna bryts cellstrukturen upp, och de ultraljudsinducerade vätskestrålarna möjliggör god massöverföring.
Metoden minskade avsevärt den tid som krävdes för att påbörja frönas groning. Rottrådar uppträdde snabbare i de behandlade proverna och växte rikligt jämfört med fröna som inte ultraljudsbehandlats. När korn som behandlats enligt ovan användes förkortades groningstiden från de vanliga 7 dagarna till 4 till 5 dagar (beroende på ultraljudseffekt och exponeringstid). Dessutom minskade den genomsnittliga groningstiden från 6,66 dagar vid effektinställningen 20% till 4,04 dagar vid ultraljudseffektinställningen 100% efter en behandlingstid på 15 min. Analysen av de erhållna uppgifterna visar att groningens omfattning och den genomsnittliga groningstiden påverkades signifikant av de olika ultraljudseffektinställningarna under groningstestet. Alla försök resulterade i ökad groning av kornfröna jämfört med kontrollen som inte ultraljudsbehandlats (Fig. 1). Den längsta genomsnittliga groningstiden registrerades vid effektinställningen 20% och den kortaste genomsnittliga groningstiden registrerades vid effektinställningen 100% (Fig. 2).
Högre groningsgrad och utbyte med ultraljud
Ultraljudsbehandling har också visats förbättra frögroningen hos kikärter, vete, tomat, paprika, morot, rädisa, majs, ris, vattenmelon, solros och många andra.
Ultraljudsutrustning
Hielscher Ultrasonics levererar tillförlitliga ultraljudsapparater med hög effekt för laboratoriebruk, bänkplacering och industriell användning. För förbehandling av frön och mältning i kommersiell skala rekommenderar vi våra industriella ultraljudssystem såsom UIP2000hdT (2kW), UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) eller UIP16000 (16kW). Ett flertal olika flödescellsreaktorer och tillbehör kompletterar vårt produktsortiment. Alla Hielscher-system är extremt robusta och byggda för drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
För att testa och optimera förbehandling och groning av frön med ultraljud erbjuder vi dig möjligheten att besöka vårt fullt utrustade ultraljudsprocesslaboratorium och teknikcenter!
Kontakta oss i dag! Vi diskuterar gärna din process med dig!
UIP1000hdT
ultraljud
- Accelererad groning
- Högre utbyte
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur/referenser
- Goussous, S. J.; Samarah, N. H.; Alqudah, A. M.; Othman, M. O. (2010): Förbättrad frögroning hos fyra grödarter med hjälp av en ultraljudsteknik. Experimental Agriculture, 46/02, 2010. 231-242.
- Nilsson, Frida (2009): En studie av kornets proteinsammansättning under ölbryggningsprocessen med hjälp av SE-HPLC. Examensarbete vid Högskolan i Kalmar, institutionen för ren och tillämpad naturvetenskap, Sverige.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2008): Användning av ultraljudsvågor som förbehandlingsteknik för att påskynda och förbättra groningen av kornfrön: optimering av metoden med Taguchimetoden. J. Inst. Brew. 114(1), 2008. 14-21.
- Yaldagard, Maryam; Mortazavi, Seyed Ali; Tabatabaie, Farideh (2007): Ultraljudsbehandlingens effektivitet för att stimulera groningen av kornfrön och deras alfa-amylasaktivitet. Internationell tidskrift för biologisk teknik, biomolekylär teknik, jordbruksteknik, livsmedelsteknik och bioteknik 1/10, 2007.
Fakta om korn och malt
Mältningsprocessen
Vid mältning gror spannmålskärnorna, och processen omfattar tre steg: stöpning, groning och kölning. Under stöpningen tillsätts vatten till kärnorna, vilket aktiverar enzymerna. Den konventionella stöpningen tar 1–2 dagar. Efter 1–2 dagar har kornkärnorna nått en vattenhalt på 40–45%. Vid denna tidpunkt tas kornet upp ur stöpvatten och groningen börjar.
Under groningen bildas eller aktiveras flera enzymer som senare är avgörande i mäskningsprocessen. β-glukaner bryts ned av endo-β-1,4-glukanas och endo-β-1,3-glukanas. Endo-β-1,4-glukanas finns redan i korn, men endo-β-1,3-glukanas finns endast i malt. Eftersom β-glukanerna är gelbildande och därmed kan orsaka problem vid filtreringen är en hög halt av β-glukanas och en låg halt av β-glukan önskvärda i malt. Stärkelsehalten minskar och sockerhalten ökar under groningen, och stärkelsen bryts ned av α-amylas och β-amylas. Det finns inget α-amylas i korn; det produceras under groningen, medan β-amylas redan finns i korn. Även proteiner bryts ned under groningen. Peptidaser bryter ned 35 – 40 % av proteinerna till lösligt material. Efter 5 till 6 dagar är groningen avslutad och dess livsprocesser inaktiveras genom kölning. Vid kölningen avlägsnas vattnet genom att varm luft leds genom malten. Detta stoppar groningen och modifieringarna, och i stället bildas färg- och smakämnen genom Maillardreaktioner.
Enzymer i mältnings- och bryggningsprocessen
De viktigaste enzymerna för hydrolys av stärkelse i korn är enzymerna α-amylas och β-amylas, som katalyserar hydrolysen av stärkelse till sockerarter. Amylas bryter ned polysackarider, närmare bestämt stärkelse, till maltos. β-amylas finns i en inaktiv form före groningen, medan α-amylas och proteaser uppträder när groningen har börjat. Eftersom α-amylas kan verka var som helst på substratet tenderar det att verka snabbare än β-amylas. β-amylas katalyserar hydrolysen av den andra α-1,4-glykosidbindningen och spjälkar därmed av två glukosenheter / maltos åt gången.
Andra enzymer, såsom proteaser, bryter ned proteinerna i kärnan till former som kan användas av jäst. Beroende på när mältningsprocessen avbryts får man ett önskat förhållande mellan stärkelse och enzymer samt stärkelse som delvis har omvandlats till jäsbara sockerarter. Malt innehåller också små mängder av andra sockerarter, såsom sackaros och fruktos, som inte är produkter av stärkelsemodifieringen utan redan fanns i kärnan. Ytterligare omvandling till jäsbara sockerarter sker under mäskningsprocessen.
Stärkelsehydrolys
Under den enzymatiska hydrolysen katalyserar enzymer försockringsprocessen, vilket innebär att kolhydraterna (stärkelsen) bryts ned till de sockermolekyler som de består av. Genom hydrolysen omvandlas energireserven (stärkelsen) till sockerarter som grodden förbrukar för att växa.
Proteiner i korn
Korn har en proteinhalt på 8 till 15%. Kornproteiner bidrar väsentligt till maltens och ölets kvalitet. Lösliga proteiner är viktiga för ölskummets hållbarhet och stabilitet.
Arabinoxylaner och β-glukan i korn
Arabinoxylaner och β-glukan är lösliga kostfibrer. Maltextrakt kan innehålla höga halter av arabinoxylaner, vilket kan orsaka svårigheter vid filtreringen eftersom viskösa extrakt kan försämra bryggprocessernas prestanda avsevärt. Vid bryggning kan en hög halt av β-glukan i korn leda till otillräcklig nedbrytning av cellväggarna, vilket i sin tur hindrar enzymernas diffusion, groningen och mobiliseringen av kärnans reserver och därmed minskar mängden maltextrakt. Kvarvarande β-glukan kan också leda till mycket viskös vört, vilket ger upphov till filtreringsproblem i bryggeriet, och det kan medverka under ölets mognad och orsaka köldgrumling. Arabinoxylaner finns i cellväggarna hos korn, havre, vete, råg, majs, ris, durra och hirs. Extraherbarheten hos både arabinoxylaner och β-glukan ökar avsevärt genom ultraljudsbehandling.
Antioxidanter i korn
Korn innehåller mer än 50 proantocyanidiner, däribland oligomer och polymer flavan-3-ol, katekin och gallokatekin. Dimeriskt proantocyanin B3 och procyanidin B3 är de vanligast förekommande i korn.
Antioxidanter är kända för sin förmåga att fördröja eller förhindra oxidationsreaktioner och reaktioner med fria syreradikaler, vilket gör dem viktiga i mältnings- och bryggprocessen. Antioxidanter (t.ex. sulfiter, formaldehyd, askorbat) används som tillsatser i bryggprocessen för att förbättra ölets smakstabilitet. Cirka 80% av fenolföreningarna i öl kommer från kornmalt.