Ултразвукова обработка на протеини за храни и хранителни добавки

Соникацията е мощна технологична процедура за подобряване на функционалността, диспергирането, разтворимостта и стабилността на протеините, използвани в храни и хранителни добавки. От растителни протеини, като овес, грах, соя, коноп и ориз, до млечни протеини и смесени формули, високоинтензивният ултразвук помага на производителите да оптимизират протеиновите системи за по-добро поведение при обработка и по-добри характеристики на продуктите.

При обработката на протеини ултразвукът е нещо повече от помощно средство за смесване. Правилно контролираната ултразвукова обработка може да намали размера на частиците, да подобри хидратацията и дисперсията, да увеличи разтворената протеинова фракция и да подобри стабилността на суспензията. Тези ефекти са от особено значение за готови за пиене напитки, протеинови концентрати, обогатени храни и прахообразни добавки. В публикуваното през 2025 г. проучване (Höhme-Matthes et al.), в което се изследва обработката на овесени протеини с ултразвук, ултразвукът увеличава разтвореното количество овесен протеинов концентрат и намалява нестабилността на суспензията при увеличаване на енергийната плътност.

Защо е важна ултразвуковата обработка на протеини

Производителите на храни и хранителни добавки често се сблъскват с предизвикателства като лошо омокряне, непълна хидратация, утаяване, висок вискозитет, нестабилни суспензии и непостоянна функционалност. Тези проблеми стават още по-важни при високопротеиновите формулировки, тези на растителна основа и тези с чиста маркировка.
Високоинтензивният нискочестотен ултразвук предизвиква акустична кавитация в течностите. Имплозията на микроскопични мехурчета създава локални сили на срязване, турбулентност и микросмесване. В протеинови системи тези ефекти могат да разбият агломерати, да намалят размера на частиците, да подобрят масовия трансфер и да променят физическата организация на богати на протеини суспензии. Резултатът е протеинова система, която се обработва по-лесно и често се представя по-добре в крайния продукт.

Как соникацията подобрява обработката на протеини в хранително-вкусовата промишленост

• Подобрена дисперсия и хидратация
  Протеините на прах често се хидратират неравномерно и образуват агломерати. Соникацията спомага за деагломериране на частиците и насърчава по-равномерното омокряне, което може да съкрати времето за хидратация и да подобри обработката надолу по веригата.
• намаляване на размера на частиците
  Намаленият размер на частиците често се свързва с по-гладко усещане в устата, подобрено поведение на суспензията и по-добър достъп на водата до протеиновите повърхности. В статията за овесените протеини се стига до заключението, че ултразвукът е полезен за обработката на растителни протеини в промишлен мащаб по отношение на намаляването на размера на частиците.
• По-висока разтворимост на протеините
  Соникацията може да увеличи разтворената фракция на протеините и да подобри видимата разтворимост в трудни системи. В изследването на овесените протеини авторите съобщават, че ултразвуковото въздействие увеличава разтвореното количество на овесения протеинов концентрат, като разтворимостта вече е около три пъти по-висока при енергийна плътност от 200 J/mL.
• Повишена стабилност на окачването
  Чрез подобряване на дисперсията и намаляване на неразтворените фракции на частиците ултразвукът спомага за намаляване на седиментацията и фазовото разделяне. В качената статия се съобщава, че ултразвуковото въздействие намалява нестабилността на суспензиите на овесен протеинов концентрат и че непрекъснатото третиране с поточни клетки силно подобрява стабилността на суспензията при същата енергийна плътност.

Пример: Обработка на овесени протеини със соникатори на Hielscher

В проучване от 2025 г. относно обработката на овесен протеинов концентрат е характеризирана както периодична, така и проточна ултразвукова обработка с помощта на оборудване на Hielscher. Изследователите използват Hielscher UIP1500hdT и Hielscher UP200St в своите експерименти. Те установяват, че ултразвуковото въздействие увеличава разтвореното количество овесен протеинов концентрат, като същевременно намалява нестабилността на суспензията с увеличаване на енергийната плътност. Те също така установиха, че сондирането в проточна клетка позволява по-висока производителност и предлага промишлена значимост в сравнение с обичайния дизайн на партиди.
Проучването заключава също така, че ултразвукът е полезен инструмент за промишлени приложения в процеса на производство на растителни протеинови концентрати. То подчертава подобреното намаляване на размера на частиците, по-добрата стабилност на суспензията и значението на непрекъснатото сондиране в конфигурации с поточни клетки за ефективността на процеса и увеличаването на мащаба.

Пример: Подобрена функционалност на грахов протеин чрез соникация

Ултразвуковата обработка предлага няколко ясни предимства за протеиновите системи от грах: тя подобрява диспергирането и разтворимостта чрез разрушаване на агрегатите и намаляване на размера на частиците, което може да подобри функционалните характеристики на храните, без да се нарушава смилаемостта на протеините или тяхната биодостъпност. В рецептури, съдържащи фибри, ултразвукът може също така да насърчи полезното формиране на протеиново-фиброва мрежа и, в зависимост от вида на фибрите, да увеличи вискозитета и способността за изграждане на текстура. Във ферментирали алтернативи на кисело мляко от грахови протеини ултразвукът допълнително подобрява качеството на продукта, като намалява ключовите неароматни съединения като хексанал и 2-пентилфуран, като същевременно увеличава желаните ароматни съединения, подобни на киселото мляко, като диацетил и ацетоин, което го прави обещаващ инструмент за чисто етикетиране както за функционално, така и за сензорно подобряване.
(вж. Kalla-Berthold и др., 2023; Matysek и др., 2024)

FE-SEM изображения (400x и 2000x увеличение, скала: 10 µm) на нетретирани (UT) и
Проби от грахов протеин, третирани с ултразвук (Т).
Проучване и изображение: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Пример: Предимства на конопения протеин, обработен с ултразвук

Ултразвуковата екстракция на конопен протеин предлага няколко забележителни предимства, особено за валоризиране на обезмаслени отпадъци от конопено семе в съставки с по-висока стойност. В натовареното проучване екстракцията с помощта на ултразвук подобрява цялостното възстановяване на протеини и чистотата в сравнение с конвенционалната екстракция, като най-добрият комбиниран процес достига около 62 % възстановяване на протеини и около 76 % чистота, когато е съчетан с предварителна обработка с HPP. Също така се подобрява извличането на аминокиселини в изолатите, което предполага по-добър хранителен добив, като същевременно се избягват големи видими увреждания на моделите на протеиновите ленти при SDS-PAGE. Като цяло констатациите подкрепят ултразвука като по-екологичен и по-ефективен подход за екстракция, който може да съкрати интензивността на обработката и да помогне за превръщането на страничните продукти от коноп в полезни хранителни и нутрацевтични протеинови съставки.
(вж. Cabral et al. 2023)

Пример: Ултразвукова екстракция на протеинов хидролизат от оризови трици

Ултразвуковата екстракция на оризов протеинов хидролизат предлага ясни функционални предимства, тъй като ултразвукът подобрява освобождаването на протеини от оризовите трици чрез разрушаване на клетъчните структури и засилване на масовия трансфер, което прави екстракцията по-ефективна от конвенционалните подходи. В проучването екстракцията е успешно оптимизирана при съотношение твърдо/течно вещество 0,43, амплитуда 48,25 % и 29,89 минути, а ултразвуково подпомаганата ензимна хидролиза също подкрепя генерирането на хидролизати със силна биоактивност, включително висока АСЕ-инхибираща активност и антиоксидантен потенциал. Авторите заключават, че ултразвукът е ефективна техника не само за извличане на протеини, но и за ускоряване на ензимната хидролиза, което спомага за превръщането на оризовите трици в биоактивни протеинови съставки с по-висока стойност.
(вж. Hayta et al., 2020)

Ползи за производителите на храни и добавки

• По-добро качество на продукта
  Соникацията може да допринесе за по-гладка текстура и усещане в устата при течните протеинови продукти, подобрена хомогенност при суспензиите и премиксите, по-малко видима седиментация при протеиновите напитки и по-постоянни функционални характеристики при различните партиди.
• По-ефективна обработка
  Ултразвукът може да засили обработката, като ускори диспергирането и хидратацията и като даде възможност за непрекъсната обработка в поточната линия. Проучването на овесените протеини съобщава, че дизайнът на поточната клетка позволява по-висока плътност въпреки високата масова производителност и следователно може да поддържа по-висока ефективност и по-голямо промишлено значение, отколкото обичайния дизайн на партидата.
• По-голяма гъвкавост на формулировката
  Соникацията е полезна за сложни растително-белтъчни формули, високобелтъчни RTD напитки, бази за добавки и процеси, предшестващи хомогенизацията, хидролизата или сушенето. В документа се отбелязва значението за напитките на растителна основа, суспензиите и последващите етапи на хидролиза.
• По-добър потенциал за увеличаване на мащаба
  Дефинираните параметри на соникацията, като амплитуда, интензивност, енергийна плътност, време на престой и противоналягане, подпомагат прехвърлянето на процеса от лабораторна работа към пилотно и промишлено производство. В натовареното изследване се поставя специален акцент върху тези параметри за проектиране на мащабируема непрекъсната обработка.

Защо използването на Hielscher Sonicators носи ползи

Соникаторите на Hielscher са привлекателни за обработка на протеини, тъй като позволяват контролирана и възпроизводима ултразвукова обработка. За производителите истинското предимство е не просто генерирането на кавитация, а генерирането ѝ при определени и мащабируеми условия.

• Контролирани параметри на сониране
  Системите на Hielscher, използвани в проучването, позволяват на изследователите да работят с определени амплитуди, интензивност и плътност на енергията както в партиден режим, така и в режим на поточна клетка. Това подпомага систематичното разработване и увеличаване на мащаба на процеса.
• Възможност за работа с партиди и поточни клетки
  Производителите могат да оценят сонирането в партида и след това да преминат към непрекъсната обработка в поточна линия. В качената статия е показано, че непрекъснатото сониране в поточна клетка може да превъзхожда обработката на партиди по отношение на стабилността на суспензията и промишлената значимост.
• Проектиране на процеси за промишлена производителност
  Проучването показва, че обратното налягане, времето на престой и масовият поток са важни променливи при непрекъснато сониране. Това е от значение за производителите, тъй като превръща ултразвуковата обработка в реален инструмент за технологично проектиране, а не само в лабораторна техника.
• Поддръжка на сложни протеинови системи
  В документа се подчертава, че адаптирането на свойствата на продукта, като например размер на частиците, стабилност на суспензията, разтворимост и вискозитет, е от голямо значение за суспензиите на растителна основа. Отбелязва се също така, че сонаторите се нуждаят от малка площ, могат да работят с високи концентрации на твърди вещества и предлагат уникална комбинация от физични и химични ефекти.

 
Типични приложения
Ултразвуковата обработка на протеини е от значение за

• напитки от растителни протеини на основата на овес, грах, соя, ориз, фаба или смеси от тях;
• обогатени с протеини млечни и немлечни напитки;
• суспензии на хранителни добавки и течни инжекции;
• протеинови дисперсии преди хомогенизиране или емулгиране;
• и премикси за сушене чрез разпръскване или допълнително функционализиране.

Ултразвукът като мащабируема технология за обработка на протеини

Соникацията помага на производителите на храни и хранителни добавки да подобрят функционалността на протеините там, където конвенционалното смесване често достига своите граници. Чрез засилване на дисперсията, намаляване на размера на частиците, увеличаване на разтворените протеинови фракции и стабилизиране на суспензиите ултразвукът може да донесе измерими ползи за качеството на продуктите и ефективността на процесите. В каченото проучване се подкрепя тази позиция за овесените протеинови концентрати и се посочва, че непрекъснатото сондиране в проточни клетки е особено обещаващо за промишлена обработка.
Соникаторите на Hielscher осигуряват практически път от лабораторна осъществимост до промишлено приложение. Тяхното използване в публикувани разработки за преработка на протеини, включително в каченото изследване на овесени протеини, показва как ултразвуковата обработка може да се превърне в контролирана и мащабируема производствена стъпка за производителите на храни и хранителни добавки.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Препратки