CC BY
20
УДК 663.421
Влияние низкоинтенсивной акустической обработки
на водопоглощение ячменей в процессе солодоращения
|Т. Н. Данильчук, канд. хим. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Ключевые слова: зерно; ячмень; солод; акустическая обработка зерна; активность ферментов солода.
Keywords: grain; barley; malt; acoustic processing of grain; activity of malt ferments.
В пищевых технологиях, использующих проращенное зерно (производство пива, кваса), технологическая операция проращивания зерна во многом обусловливает эффективность производства и качество готовой продукции. Результативность биохимических процессов, происходящих в ходе проращивания, определяется в первую очередь качеством перерабатываемого сырья. Огромную роль при этом играют влажность, температура ращения, степень аэрации, продолжительность проращивания.
Кривые набухания ячменя во временном интервале до 60 ч и их анализ в соответствии с изменением структуры различных частей зерновки и биохимическими процессами, проходящими параллельно с изменением динамики водопоглощения, представлены в [1]. Описаны три основных этапа водопоглощения ячменя, каждый из которых состоит из быстрого проникновения воды в структуру зерновок и периода, в течение которого наблюдается минимальное увеличение сырой массы (лаг-период). Динамика поглощения воды зерновками ячменя зависит не только от особенностей их химического состава, но и, при прочих равных условиях, от их физиологического состояния [2]. Способность прорастания Есп, не влияя на общую длительность основных этапов водопоглощения, во многом определяет характер прохождения этих этапов во времени. При этом зерно, имеющее меньшую Есп, по-
глощает больше влаги,чем зерно с достаточно высокой Есп. При полной потере зерном способности к прорастанию наблюдаются резкое ускорение периодов интенсивного водопоглощения и уменьшение длительности следующих за ними на каждом этапе лаг-периодов. При набухании мертвых семян проявляются в основном физико-химические свойства капиллярно-пористой структуры зерновок: смачивание, набухание биополимеров, выделение теплоты гидратации, изменение теплопроводности и т. п. Биохимические процессы при этом протекают слабо.
На характер метаболических процессов в прорастающих зерновках можно влиять путем изменения режимов проращивания или путем использования физических и химических факторов воздействия. В частности, используя акустическую обработку в звуковом диапазоне частот, можно усилить активность гидролитических ферментов в процессе проращивания ячменя на солод [3,4]. Реакция зерновок ячменя на кратковременное акустическое воздействие в диапазоне частот 50-10 000 Гц позволяет предположить механизм воздействия, который в значительной степени определяется переменной составляющей воздействия, т. е. частотой звука [5]. В одних диапазонах частот наблюдается активация семян (ускорение их прорастания, увеличение скорости роста корней), а в других — инги-бирование.
Важным следствием таких воз-
действий может быть изменение динамики водопоглощения. В этой связи целью настоящей работы является выявление влияния акустической обработки на динамику водопоглощения ячменя при проращивании его на солод.
Выращивание ячменя на солод проводили по лабораторному способу солодоращения (первое замачивание — 4 ч в воде, воздушная пауза — 14-16 ч, второе замачивание — 4 ч в воде и далее проращивание, общая продолжительность проращивания — 5 сут). Для проведения экспериментов использовали ячмени сортов Рядовой и Одесский 115, имеющие Есп различного уровня, по двум вариантам: I — водопоглощение ячменя с Есп = = 88-92%; II — водопоглощение ячменя с Е = 49-53%. Амилоли-
сп
тическую активность (АС) солода определяли по методу Виндиша-Кольбаха, протеолитическую активность (ПА) — рефрактометрически по методу Петрова [6].
Акустическую обработку проводили в суховоздушном режиме перед первым замачиванием при частотах от 102 до 104 Гц и мощностях, не превышающих «3'10-10 Вт/см2 («1-10-9 Вт /кг). Время воздействия составляло 5 мин. Эксперименты показали, что низкоинтенсивная акустическая обработка в звуковом диапазоне частот может менять динамику водопоглощения зерна, при этом характер прохождения процесса набухания зерна во времени зависит от параметров воздействия и от Есп.
На рис. 1 представлены кривые набухания ячменя сорта Рядовой по варианту I, подвергнутого предварительной акустической обработке. Видно, что воздействие звука при достаточно низких частотах (100-500 Гц) приводит к ускорению начального интенсивного поглощения воды и увеличению продолжительности следующего за ним лаг-периода на стадии I этапа. У озвученных образцов скорость увеличения массы сырого зерна на этапе II гораздо ниже, чем у контрольного образца. При этом после 6 ч замачивания уровень влажности озвученного зерна мало отличается от такового для контрольного образца.
Акустическая обработка в диапазоне частот 1000-10 000 Гц также
приводит к увеличению длительности I этапа водопоглощения, но в меньшей степени, чем для частот <500 Гц. Особенно значительно озвучивание сказывается на характере прохождения во времени стадии начального интенсивного поглощения: на кривых набухания во временном интервале 5-30 мин появляется задержка водопогло-щения, характеризующая ступенчатый характер процесса на этой стадии. После 6 ч непрерывного нахождения зерновок под слоем воды уровень влажности зерна, озвученного частотами >1000 Гц, на 3-5% превышал уровень влажности контрольного образца.
На рис. 2 представлены кривые набухания ячменя сорта Одесский 115 по варианту II, подвергнутого предварительной акустической обработке. Видно, что воздействие звука во всем исследованном диапазоне частот приводит к ускорению начального интенсивного во-допоглощения, незначительному увеличению продолжительности следующего за ним лаг-периода на стадии I этапа, повышению скорости увеличения массы сырого зерна на II этапе и увеличению количества поглощенной воды после 6 ч непрерывного нахождения зерновок под слоем воды. Акустическая обработка при частотах > 5000 Гц меняет динамику водопоглощения во временноом интервале 5-60 мин: на фоне усиления интенсивности водопоглощения появляется задержка.
Таким образом, акустическое воздействие низкой мощности при частотах порядка 103—104 Гц приводит к ступенчатому водопо-глощению на начальном этапе интенсивного проникновения воды в зерновки ячменя с различной всхожестью. При этом зерно с меньшей Есп в большей степени реагирует на акустическое воздействие: при во-допоглощении по варианту II уровень влажности зерна после озвучивания при частотах >1000 Гц, увеличивался до 15% в сравнении с контролем, в то время как для варианта I это увеличение не превышало 5%.
Изменение характера кинетических кривых набухания может служить доказательством того, что низкоинтенсивная акустическая обработка при мощностях,
не превышающих «310-10 Вт / см2 («1-10-9 Вт/кг), влияет на гетерогенную структуру зерновок. Гетерогенность по составу, массе, механическим свойствам — одно из самых характерных свойств биологических структур всех уровней организации живых систем — от нативного белка до организма высших животных и человека. Воздействие механических колебаний (звук, вибрация) приводит к тому, что на систему, гетерогенную по массе и упругим свойствам, действует ускорение от максимума отрицательного до максимума положительного. При гармонических колебаниях полная энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды смещений или амплитуды скоростей [7]. В этой связи вполне объяснима высокая чувствительность зерновки как биологической системы к механическим колебаниям.
Известно, что влажность ячменя при проращивании имеет решающее значение для образования а-амилазы (увеличение влажности ячменя в течение 6 сут с 40 до 46 % приводит к двукратному увеличению активности а-амилазы). Для
хорошего прорастания зерновки ячменя должны достичь влажности (степени замачивания) 46—48%. При использовании акустического воздействия, меняя частоту звука, можно влиять как на характер динамики водопоглощения, так и на степень набухания зерна. В таблице приведены значения степени набухания зерна для 6-часовой длительности замачивания и показатели проращенного на солод ячменя в зависимости от частоты предварительной обработки звуком сухого зерна. Степень набухания а определялась по уравнению
а = (т — т0)/т0,
(1)
где т — масса набухшей зерновки через 6 ч после начала замачивания; т0 — масса сухой зерновки.
Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 1—2 и в таблице, показывает, что для слабого зерна (например, сорт ячменя Одесский 115 по варианту II) показатели, достигнутые в процессе проращивания с использованием низкоинтенсивной акустической обработки, намного выше таковых для контрольного
50 100 150 200 250 300
Время, мин
— Контроль — 100 Гц - 200 Гц — 500 Гц
350
400
1,25 л
- 1,15 -
о
о 1,05 -
ер
0 2 0,95 -
и
г 0,85-
0,75-
50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
— Контроль — 1000 Гц 2000 Гц — 5000 Гц — 10 000 Гц
400
Рис. 1. Водопоглощение ячменя сорта Рядовой (вариант I) для различных диапазонов предварительной звуковой обработки сухого зерна
0
0
Частота Рядовой Одесский 115
звука, а, % Показатель, % к контролю а, % Показатель, % к контролю
Гц Ет ПА АС Есп ПА АС
Контроль 33 100 100 100 37 100 100 100
100 34 103 145 110 52 115,3 218 123
200 32 96 171 114 40 116 248 130
500 35 96 166 90 49 97,3 160 125
1000 38 99 180 90 42 103,7 102 106
2000 36 105 240 112 38 106,9 212 119
5000 34 103 305 118 47 109,5 248 108
10 000 35 99 226 144 46 119 248 133
образца, за исключением частот 500 и 1000 Гц. Для относительно сильного зерна (сорт Рядовой по варианту I) при частотах 500 и 1000 Гц наблюдалось уменьшение Е и АС относительно контроля, в
сп
то время как все остальные частотные режимы приводили к довольно значительным увеличениям показателей, особенно значений ПА. Таким образом, обработка в области звуковых частот <1000 Гц вызывает усиление показателей готового солода, но это усиление не стабильно. Рост всех показателей отмечается для тех частот, которые приводят к появлению задержки водопоглощения в период начального интенсивного поглощения воды и к значительному увеличению степени набухания в сравнении с контролем. Для варианта I это частоты 2000-5000 Гц, для варианта II — 5000-10 000 Гц. Возможно, что при определенных частотах из-за вибрации отдельных гетерогенных частей зерновки микроструктура естественных каналов зерновки становится благоприятной для транспорта воды и питательных веществ. Возможно также ускорение процессов денатурации
и раскручивания полипептидных цепей в зародыше и эндосперме на II этапе водопоглощения, в результате чего возникают полости, в которые устремляется дополнительное количество осмотической воды. В результате создаются хорошие условия для жизнедеятельности зародыша, высвобождения и транспорта ферментов в клетки алейронового слоя, синтеза ферментов, необходимых для расщепления крахмала в клетках эндосперма и питания зародыша в процессе проращивания.
Таким образом, при применении акустической обработки низкой мощности, меняя частоту звука,
можно управлять динамикой во-допоглощения и влиять на степень набухания при проращивании ячменя на солод. Изменение характера кинетических кривых набухания зерна как следствие структурных изменений в зерновке — один из возможных механизмов акустического воздействия, приводящего к повышению активности основных групп гидролитических ферментов, что позволяет добиться улучшения качества готового солода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данильчук, Т. Н. Динамика водопоглощения ячменя при различных режимах замачивания/ Т. Н. Данильчук Т. Н. // Пиво и напитки. — 2009. — № 4. — С. 6-8.
2. Данильчук, Т. Н. Набухание ячменей с различной всхожестью / Т. Н. Данильчук // Пиво и напитки, — 2010. — № 1. — С. 9-11.
3. Данько, С. Ф. Звуковая обработка ячменя на разных стадиях солодораще-ния /С. Ф. Данько, Т. Н. Данильчук, Д. Н. Юрьев, В. В. Егоров // Пиво и напитки. — 2000. — № 5. — С. 50-51.
4. Данько, С. Ф. Проращивание ячменя после воздействия звуком разной частоты/С. Ф. Данько, Т. Н. Данильчук, Д. Н. Юрьев, В. В. Егоров. // Пиво и напитки. — 2000. — № 3. — С. 22-23.
5. Данильчук, Т. Н. Стимуляция биохимических процессов в прорастающем зерне акустическими и электрофизическими методами воздействия / Т. Н. Данильчук, Д. Н. Юрьев, А. Ю. Ратников // Пиво и напитки. — 2008. — № 6. — С. 11-14.
6. Мальцев, П. М. Химико-технологический контроль производства солода и пи-ва/П. М. Мальцев. — М.: Пищевая промышленность, 1976.
7. Романов, С. Н. Биологическое действие вибрации и звука / С. Н. Романов. — Л.: Наука, Ленинград. отд., 1991. — С. 58-130. &
1,25-i
- 1,15-
о
о 1,05-
ер
0 2 0,95-
и
г 0,85-
0,75-
50 100 150 200 250 300
Время, мин
— Контроль — 100 Гц - 200 Гц — 500 Гц
350
400
1,25-,
- 1,15-
о
о 1,05-
ер
0 2 0,95-
и
г 0,85-
0,75
50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
— Контроль — 1000 Гц 2000 Гц — 5000 Гц — 10 000 Гц
400
Рис. 2. Водопоглощение ячменя сорта Одесский 115 (вариант II) для различных диапазонов предварительной звуковой обработки сухого зерна
0
0
