معالجة البروتينات بالموجات فوق الصوتية للأغذية والمكملات الغذائية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة فعالة لتحسين الخصائص الوظيفية وقابلية التشتت والذوبانية والثبات للبروتينات المستخدمة في الأغذية والمكملات الغذائية. بدءًا من البروتينات النباتية مثل بروتينات الشوفان والبازلاء والصويا والقنب والأرز، وصولًا إلى بروتينات الحليب والتركيبات المخلوطة، تساعد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة المصنّعين على تحسين أنظمة البروتين لتحقيق سلوك أفضل أثناء المعالجة وتحسين أداء المنتج.

في معالجة البروتينات، تتجاوز الموجات فوق الصوتية دورها كوسيلة مساعدة على الخلط. إذ يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية المضبوطة على نحو سليم أن تقلل حجم الجسيمات، وتحسّن الإماهة والتشتت، وتزيد الجزء الذائب من البروتين، وتحسّن ثبات المعلّقات. وتكتسب هذه التأثيرات أهمية خاصة للمشروبات الجاهزة للشرب ومركزات البروتين والأغذية المدعّمة وتركيبات المكملات المسحوقة. في دراسة نُشرت عام 2025 (Höhme-Matthes et al.) تناولت معالجة بروتين الشوفان بالموجات فوق الصوتية، زادت المعالجة بالموجات فوق الصوتية الكمية الذائبة من مركز بروتين الشوفان وخفّضت عدم ثبات المعلّق مع زيادة كثافة الطاقة.

أهمية معالجة البروتينات بالموجات فوق الصوتية

كثيرًا ما يواجه مصنّعو الأغذية والمكملات تحديات مثل ضعف البلل، وعدم اكتمال الإماهة، والترسّب، وارتفاع اللزوجة، وعدم ثبات المعلّقات، وعدم اتساق الخصائص الوظيفية. وتزداد أهمية هذه المشكلات في التركيبات عالية البروتين، والقائمة على مكونات نباتية، وذات قوائم المكونات البسيطة والخالية من الإضافات غير المرغوبة.
تولّد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد تجويفًا صوتيًا في السوائل. ويؤدي انهيار الفقاعات المجهرية إلى توليد قوى قص موضعية واضطراب وخلط دقيق. وفي أنظمة البروتين، يمكن لهذه التأثيرات تفكيك التكتلات وتقليل حجم الجسيمات وتحسين انتقال الكتلة وتعديل التنظيم الفيزيائي للمعلّقات الغنية بالبروتين. والنتيجة هي نظام بروتيني أسهل في المعالجة وغالبًا ما يقدّم أداءً أفضل في المنتج النهائي.

كيف تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة البروتينات في صناعة الأغذية

• تحسين التشتت والإماهة
  غالبًا ما تتم إماهة مساحيق البروتين بصورة غير متجانسة وتتكوّن فيها تكتلات. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تفكيك تكتلات الجسيمات وتعزز بللًا أكثر تجانسًا، مما قد يقصّر أزمنة الإماهة ويحسّن المناولة في المراحل اللاحقة.
• تقليل حجم الجسيمات
  غالبًا ما يرتبط انخفاض حجم الجسيمات بإحساس أكثر نعومة في الفم، وتحسّن سلوك المعلّقات، ووصول الماء بصورة أفضل إلى أسطح البروتينات. وتخلص ورقة بروتين الشوفان تحديدًا إلى أن الموجات فوق الصوتية مفيدة في معالجة البروتينات النباتية على النطاق الصناعي من حيث تقليل حجم الجسيمات.
• زيادة ذوبانية البروتين
  يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تزيد الجزء الذائب من البروتينات وتحسّن الذوبانية الظاهرية في الأنظمة التي يصعب التعامل معها. وفي دراسة بروتين الشوفان، أفاد المؤلفون بأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية زادت الكمية الذائبة من مركز بروتين الشوفان، إذ بلغت الذوبانية بالفعل نحو ثلاثة أمثالها عند كثافة طاقة قدرها 200 J/mL.
• تعزيز ثبات المعلّقات
  من خلال تحسين التشتت وتقليل نسب الجسيمات غير الذائبة، تساعد الموجات فوق الصوتية على تقليل الترسّب وانفصال الأطوار. وتفيد الورقة المرفوعة بأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية خفّضت عدم ثبات معلّقات مركز بروتين الشوفان، وأن المعالجة المستمرة في خلية التدفق حسّنت ثبات المعلّقات بدرجة كبيرة عند كثافة الطاقة نفسها.

مثال: معالجة بروتين الشوفان باستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher

وصفت دراسة أُجريت عام 2025 حول معالجة مركز بروتين الشوفان خصائص المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنظام الدفعات وباستخدام خلية التدفق، بالاستعانة بمعدات Hielscher. واستخدم الباحثون جهاز Hielscher UIP1500hdT وجهاز Hielscher UP200St في تجاربهم. ووجدوا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية زادت الكمية الذائبة من مركز بروتين الشوفان، مع انخفاض عدم ثبات المعلّقات كلما زادت كثافة الطاقة. ووجدوا أيضًا أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية في خلية التدفق أتاحت معدل معالجة أعلى وكانت ذات أهمية صناعية مقارنة بالتصميم الشائع لنظام الدفعات.
وتخلص الدراسة كذلك إلى أن الموجات فوق الصوتية أداة مفيدة في تطبيقات المعالجة على النطاق الصناعي لمركزات البروتين النباتي. وتبرز الدراسة التحسّن في تقليل حجم الجسيمات وثبات المعلّقات، وأهمية المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية في ترتيبات خلايا التدفق لتحقيق كفاءة المعالجة والتوسّع في النطاق.

مثال: تحسين الخصائص الوظيفية لبروتين البازلاء بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية عدة فوائد واضحة لأنظمة بروتين البازلاء: فهي تحسّن قابلية التشتت والذوبانية بتفكيك التجمعات وتقليل حجم الجسيمات، مما قد يعزز الأداء الوظيفي في الأغذية دون الإضرار بقابلية هضم البروتين أو إتاحته الحيوية. وفي التركيبات المحتوية على الألياف، يمكن للموجات فوق الصوتية أيضًا تعزيز تكوّن شبكات مفيدة من البروتين–الألياف، وزيادة اللزوجة والقدرة على بناء القوام بحسب نوع الألياف. وفي بدائل الزبادي المخمّرة القائمة على بروتين البازلاء، حسّنت الموجات فوق الصوتية جودة المنتج أيضًا عن طريق تقليل المركبات الرئيسية المسببة للنكهات غير المرغوبة مثل hexanal و2-pentylfuran، مع زيادة مركبات الرائحة المرغوبة المشابهة لرائحة الزبادي مثل diacetyl وacetoin، مما يجعلها أداة واعدة تلائم قوائم المكونات البسيطة والخالية من الإضافات غير المرغوبة، لتحسين كل من الخصائص الوظيفية والخصائص الحسية.
(راجع Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني FE-SEM (بتكبير 400x و2000x، وشريط مقياس: 10 µm) لعينات بروتين البازلاء (PP) غير المعالجة (UT) و
المعالجة بالموجات فوق الصوتية (T).
الدراسة والصورة: ©Kalla-Berthold et al., 2023

مثال: مزايا بروتين القنب المعالج بالموجات فوق الصوتية

يوفر استخلاص بروتين القنب بالموجات فوق الصوتية عدة فوائد ملحوظة، ولا سيما لتثمين مخلفات بذور القنب المنزوعة الدهن وتحويلها إلى مكونات أعلى قيمة. وفي الدراسة المرفوعة، حسّن الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية إجمالي استرداد البروتين ونقاوته مقارنة بالاستخلاص التقليدي، إذ حققت أفضل عملية مشتركة استردادًا للبروتين بنحو 62% ونقاوة بنحو 76% عند اقترانها بمعالجة مسبقة بالضغط العالي HPP. كما عززت استخلاص الأحماض الأمينية في مختلف المعزولات، مما يشير إلى مردود تغذوي أفضل، مع تجنب حدوث ضرر مرئي كبير في أنماط حزم البروتين في SDS-PAGE. وبوجه عام، تدعم النتائج استخدام الموجات فوق الصوتية بوصفها نهج استخلاص أكثر مراعاة للبيئة وأعلى كفاءة، يمكنه تقليل شدة المعالجة والمساعدة على تحويل المنتجات الثانوية للقنب إلى مكونات بروتينية مفيدة للأغذية والمستحضرات الغذائية الصحية.
(راجع Cabral et al. 2023)

مثال: استخلاص ناتج التحلل المائي للبروتين من نخالة الأرز بالموجات فوق الصوتية

يوفر استخلاص ناتج التحلل المائي لبروتين الأرز بالموجات فوق الصوتية مزايا وظيفية واضحة، لأن الموجات فوق الصوتية تحسّن تحرير البروتين من نخالة الأرز عن طريق تفكيك البنى الخلوية وتعزيز انتقال الكتلة، مما يجعل الاستخلاص أكثر كفاءة من الطرق التقليدية. وفي الدراسة، جرى تحسين الاستخلاص بنجاح عند نسبة صلب/سائل قدرها 0.43، وسعة اهتزاز قدرها 48.25%، ومدة قدرها 29.89 دقيقة. كما دعم التحلل المائي الإنزيمي بمساعدة الموجات فوق الصوتية إنتاج نواتج تحلل مائي ذات نشاط حيوي قوي، بما يشمل نشاطًا مرتفعًا مثبطًا للإنزيم المحوّل للأنجيوتنسين ACE وقدرة مضادة للأكسدة. ويخلص المؤلفون إلى أن الموجات فوق الصوتية تقنية فعالة لا لاستخلاص البروتين فحسب، بل أيضًا لتسريع التحلل المائي الإنزيمي، مما يساعد على تحويل نخالة الأرز إلى مكونات بروتينية نشطة حيويًا ذات قيمة أعلى.
(راجع Hayta et al., 2020)

فوائد لمصنّعي الأغذية والمكملات

• جودة أفضل للمنتج
  يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تسهم في تحقيق قوام وإحساس أكثر نعومة في الفم في المنتجات البروتينية السائلة، وتحسين التجانس في المعلّقات والخلطات المسبقة، وتقليل الترسّب المرئي في المشروبات البروتينية، وتحقيق أداء وظيفي أكثر اتساقًا بين الدفعات.
• معالجة أكثر كفاءة
  يمكن للموجات فوق الصوتية تكثيف المعالجة عن طريق تسريع التشتت والإماهة وإتاحة المعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج. وتفيد دراسة بروتين الشوفان بأن تصميم خلية التدفق يتيح كثافات أعلى رغم ارتفاع معدل المعالجة الكتلي، ولذلك يمكن أن يدعم كفاءة أعلى وأهمية صناعية أكبر مقارنة بالتصميم الشائع لنظام الدفعات.
• مرونة أكبر في إعداد التركيبات
  المعالجة بالموجات فوق الصوتية مفيدة لتركيبات البروتين النباتي التي يصعب التعامل معها، والمشروبات عالية البروتين الجاهزة للشرب RTD، والتركيبات الأساسية للمكملات، والعمليات التي تسبق التجانس أو التحلل المائي أو التجفيف. وتشير الورقة إلى أهميتها للمشروبات النباتية والمعلّقات الكثيفة وخطوات التحلل المائي اللاحقة.
• إمكانات أفضل للتوسّع في النطاق
  تدعم معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية المحددة، مثل سعة الاهتزاز والشدة وكثافة الطاقة وزمن المكوث والضغط الخلفي، نقل العملية من العمل المخبري إلى الإنتاج التجريبي والصناعي. وتولي الدراسة المرفوعة اهتمامًا خاصًا لهذه المعلمات لتصميم معالجة مستمرة قابلة للتوسّع في النطاق.

لماذا يحقق استخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher فوائد

تُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher خيارًا جذابًا لمعالجة البروتينات لأنها تتيح معالجة بالموجات فوق الصوتية مضبوطة وقابلة للتكرار. وبالنسبة للمصنّعين، لا تتمثل الميزة الحقيقية في توليد التجويف فحسب، بل في توليده ضمن ظروف محددة وقابلة للتوسّع في النطاق.

• معلمات مضبوطة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية
  أتاحت أنظمة Hielscher المستخدمة في الدراسة للباحثين العمل بسعات اهتزاز وشدات وكثافات طاقة محددة في كل من نمط الدفعات ونمط خلية التدفق. ويدعم ذلك التطوير المنهجي للعملية والتوسّع في نطاقها.
• إمكانية التشغيل بنظام الدفعات وباستخدام خلية التدفق
  يمكن للمصنّعين تقييم المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنظام الدفعات ثم الانتقال إلى المعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج. وتوضح الورقة المرفوعة أن المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية في خلية التدفق يمكن أن تتفوق على المعالجة بنظام الدفعات من حيث ثبات المعلّقات والأهمية الصناعية.
• تصميم العملية لتحقيق معدل معالجة صناعي
  توضح الدراسة أن الضغط الخلفي وزمن المكوث والتدفق الكتلي متغيرات مهمة في المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية. ويهم ذلك المصنّعين لأنه يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة فعلية في هندسة العمليات بدلًا من كونها تقنية مخبرية فقط.
• دعم أنظمة البروتين التي يصعب التعامل معها
  تؤكد الورقة أن ضبط خصائص المنتج، مثل حجم الجسيمات وثبات المعلّقات والذوبانية واللزوجة، له أهمية كبيرة للمعلّقات النباتية. وتشير أيضًا إلى أن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية تتطلب حيزًا صغيرًا، ويمكنها التعامل مع تركيزات مرتفعة من المواد الصلبة، وتوفر مزيجًا فريدًا من التأثيرات الفيزيائية والكيميائية.

 
التطبيقات المعتادة
تُستخدم معالجة البروتينات بالموجات فوق الصوتية في

• مشروبات البروتين النباتي القائمة على الشوفان أو البازلاء أو الصويا أو الأرز أو الفول أو خلطات منها؛
• المشروبات اللبنية وغير اللبنية المدعّمة بالبروتين؛
• معلّقات المكملات الغذائية والجرعات السائلة الصغيرة؛
• مشتتات البروتين قبل التجانس أو الاستحلاب؛
• والخلطات المسبقة للتجفيف بالرش أو لمزيد من إكساب الخصائص الوظيفية.

الموجات فوق الصوتية كتقنية قابلة للتوسّع في النطاق لمعالجة البروتينات

تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية مصنّعي الأغذية والمكملات على تحسين الخصائص الوظيفية للبروتينات حين يبلغ الخلط التقليدي وحده حدوده في كثير من الأحيان. ومن خلال تكثيف التشتت وتقليل حجم الجسيمات وزيادة نسب البروتين الذائب وتثبيت المعلّقات، يمكن للموجات فوق الصوتية أن تحقق فوائد قابلة للقياس في جودة المنتج وكفاءة العملية. وتدعم الدراسة المرفوعة هذا التوجه بالنسبة لمركزات بروتين الشوفان، وتشير إلى أن المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية في خلية التدفق واعدة على نحو خاص للمعالجة الصناعية.
توفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مسارًا عمليًا من إثبات الجدوى مخبريًا إلى التنفيذ الصناعي. ويبين استخدامها في الأبحاث المنشورة حول معالجة البروتينات، بما فيها دراسة بروتين الشوفان المرفوعة، كيف يمكن تطوير المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتصبح خطوة إنتاج مضبوطة وقابلة للتوسّع في النطاق لدى مصنّعي الأغذية والمكملات الغذائية.

يقدّم الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات كثيرة المتطلبات.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.

المؤلفات / المراجع

• Höhme-Matthes, L., A.Krause, F. Schulnies, S. Kleinschmidt, T. Kleinschmidt (2025): Characterization of Batch and Flow Cell Ultrasonication in the Processing of Oat Protein Concentrates to Obtain Higher Efficiency and Scalability. Journal of Food Process Engineering 48, no. 6: e70164.
• Cabral, E.M.; Zhu, X.; Garcia-Vaquero, M.; Pérez-Vila, S.; Tang, J.; Gómez-Mascaraque, L.G.; Poojary, M.M.; Curtin, J.; Tiwari, B.K. (2023): Recovery of Protein from Industrial Hemp Waste (Cannabis sativa, L.) Using High-Pressure Processing and Ultrasound Technologies. Foods 2023, 12, 2883.
• Hayta, M., Benli, B., İşçimen, E.M. et al. (2020): Optimization of antihypertensive and antioxidant hydrolysate extraction from rice bran proteins using ultrasound assisted enzymatic hydrolysis. Journal of Food Measurement and Characterization 14, 2020. 2578–2589.
• Antonio J. Vela, Marina Villanueva, Ángela García Solaesa, Felicidad Ronda (2021): Impact of high-intensity ultrasound waves on structural, functional, thermal and rheological properties of rice flour and its biopolymers structural features. Food Hydrocolloids, Volume 113, 2021.
• Kalla-Bertholdt, A.-M.; Baier, A.K.; Rauh, C. (2023): Influence of High-Intensity Ultrasound on Characteristics and Bioaccessibility of Pea Protein in Fiber-Enriched Suspensions. Foods 2023, 12, 3160.
• Julia Matysek, Anne Baier, Ann-Marie Kalla-Bertholdt, Sandra Grebenteuch, Sascha Rohn, Cornelia Rauh (2024): Effect of ultrasound and fibre enrichment on aroma profile and texture characteristics of pea protein-based yoghurt alternatives. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 93, 2024.