Ултразвукова обработка на протеини за храни и хранителни добавки

Ултразвуковата обработка е мощна технологична възможност за подобряване на функционалността, диспергируемостта, разтворимостта и стабилността на протеините, използвани в храни и хранителни добавки. От растителни протеини като овесен, грахов, соев, конопен и оризов до млечни протеини и смесени рецептури, ултразвукът с висок интензитет помага на производителите да оптимизират протеиновите системи за по-добро поведение при обработка и подобрени свойства на продукта.

При обработката на протеини ултразвукът е повече от помощно средство за смесване. Правилно контролираната ултразвукова обработка може да намали размера на частиците, да подобри хидратацията и диспергирането, да увеличи разтворената протеинова фракция и да подобри стабилността на суспензията. Тези ефекти са особено значими за готови за пиене напитки, протеинови концентрати, обогатени храни и прахообразни рецептури на хранителни добавки. В публикувано през 2025 г. изследване (Höhme-Matthes et al.), посветено на ултразвуковата обработка на овесен протеин, ултразвуковата обработка увеличава разтвореното количество овесен протеинов концентрат и намалява нестабилността на суспензията с увеличаване на енергийната плътност.

Защо ултразвуковата обработка на протеини е важна

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-значими при рецептури с високо съдържание на протеини, на растителна основа и с изчистен етикет.
Нискочестотният ултразвук с висок интензитет генерира акустична кавитация в течности. Имплозията на микроскопични мехурчета създава локализирани сили на срязване, турбулентност и микросмесване. В протеиновите системи тези ефекти могат да разрушават агломерати, да намаляват размера на частиците, да подобряват масообмена и да променят физическата организация на богатите на протеини суспензии. Резултатът е протеинова система, която се обработва по-лесно и често проявява по-добри свойства в крайния продукт.

Промишлено ултразвуково устройство за обработка на храни за хомогенизиране на обогатени с протеини храни и напитки в режим на непрекъснат поток.

Ултразвуков хомогенизатор за храни UIP16000 за промишлена обработка на протеини с цел повишаване на добивите и подобряване на функционалните свойства

Как ултразвуковата обработка подобрява обработката на протеини в хранителната промишленост

Подобрено диспергиране и хидратация
Протеиновите прахове често се хидратират неравномерно и образуват агломерати. Ултразвуковата обработка подпомага деагломерацията на частиците и насърчава по-равномерното омокряне, което може да съкрати времето за хидратация и да подобри последващата обработка.
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 повърхностите на протеините. Статията за овесния протеин изрично заключава, 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
Ултразвуковата обработка може да увеличи разтворената фракция на протеините и да подобри привидната разтворимост в трудни за обработка системи. В изследването на овесния протеин авторите съобщават, че ултразвуковата обработка увеличава разтвореното количество овесен протеинов концентрат, като разтворимостта е около три пъти по-висока още при енергийна плътност от 200 J/mL.
Повишена стабилност на суспензията
Чрез подобряване на диспергирането и намаляване на фракциите от неразтворени частици ултразвукът помага да се намалят утаяването и разделянето на фазите. Качената статия съобщава, че ултразвуковата обработка намалява нестабилността на суспензиите от овесен протеинов концентрат и че непрекъснатата обработка в проточна клетка значително подобрява стабилността на суспензията при същата енергийна плътност.

Открийте как мощният ултразвук подобрява обработката на леща и други бобови култури в тази демонстрация със сондовия ултразвуков процесор Hielscher UP400ST. Във видеото лещата се подлага на контролирана ултразвукова кавитация – мощен физичен механизъм, който подобрява хидратацията, ускорява дифузионните процеси и подпомага освобождаването на ценни съединения. Ултразвуковата обработка способства за бърза хидратация на семената, сонопорация на клетъчните стени и подобрен масопренос, което я прави ефективен метод за предсеитбена подготовка на семена, преработка на храни и екстракция. Когато кавитационните мехурчета колабират близо до повърхността на семената, те създават микроструи и сили на срязване, които отварят микроканали в семенната обвивка – така водата и разтворените вещества проникват по-ефективно. Ултразвуковата обработка се използва широко в науката за храните, селското стопанство, биотехнологиите и производството на растителни съставки.

Пример: Обработка на овесен протеин с ултразвукови устройства Hielscher

Изследване от 2025 г. върху обработката на овесен протеинов концентрат характеризира както партидната ултразвукова обработка, така и ултразвуковата обработка в проточна клетка с оборудване Hielscher. Изследователите използват Hielscher UIP1500hdT и Hielscher UP200St в експериментите си. Те установяват, че ултразвуковата обработка увеличава разтвореното количество овесен протеинов концентрат, като същевременно намалява нестабилността на суспензията с увеличаване на енергийната плътност. Те също така установяват, че ултразвуковата обработка в проточна клетка позволява по-висока производителност и има приложимост в промишлеността в сравнение с обичайната партидна конфигурация.
Изследването допълнително заключава, че ултразвукът е полезен инструмент за технологични приложения в промишлен мащаб за растителни протеинови концентрати. То подчертава подобреното намаляване на размера на частиците, по-добрата стабилност на суспензията и значението на непрекъснатата ултразвукова обработка в конфигурации с проточна клетка за ефективността на процеса и увеличаването на мащаба.

Пример: Подобрена чрез ултразвукова обработка функционалност на граховия протеин

Ултразвуковата обработка предлага няколко ясно изразени предимства за системите с грахов протеин: тя подобрява диспергируемостта и разтворимостта чрез разрушаване на агрегати и намаляване на размера на частиците, което може да подобри функционалните свойства в храните, без да уврежда смилаемостта или биодостъпността на протеините. В рецептури, съдържащи фибри, ултразвукът може също да насърчи образуването на полезни мрежи от протеини и фибри и, в зависимост от вида на фибрите, да увеличи вискозитета и способността за формиране на текстура. При ферментирали алтернативи на киселото мляко на основата на грахов протеин ултразвукът допълнително подобрява качеството на продукта, като намалява основни съединения, причиняващи нежелан вкус и аромат, като хексанал и 2-pentylfuran, и същевременно увеличава желаните ароматни съединения, характерни за киселото мляко, като диацетил и ацетоин. Това го прави обещаващ инструмент за продукти с изчистен етикет, който подобрява както функционалните, така и сензорните свойства.
(срв. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Ултразвуковата обработка оказва значителни ефекти върху граховия протеин: ултразвуковото намаляване на размера на частиците и модификацията водят до по-добри функционални свойства като добавка към храните.

FE-SEM изображения (увеличения 400x и 2000x, мащабна линия: 10 µm) на необработени (UT) и
обработени с ултразвук (T) проби от грахов протеин (PP).
Изследване и изображение: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Ултразвуков екстрактор UIP4000hdT за екстракция и модификация на растителни протеини с висока производителност

Ултразвуково устройство UIP4000hdT за екстракция и модификация на растителни протеини с висока производителност

Пример: Предимства на обработения с ултразвук конопен протеин

Ултразвуковата екстракция на конопен протеин предлага няколко значителни предимства, особено за оползотворяването на обезмаслени отпадъци от конопено семе чрез превръщането им в съставки с по-висока стойност. В каченото изследване екстракцията с помощта на ултразвук подобрява общото извличане и чистотата на протеините в сравнение с конвенционалната екстракция, като най-добрият комбиниран процес достига около 62% извличане на протеин и около 76% чистота при съчетаване с предварителна обработка с високо налягане (HPP). Тя също така подобрява извличането на аминокиселини във всички изолати, което предполага по-добър добив на хранителни вещества, като същевременно се избягват значителни видими увреждания на профилите на протеиновите ленти при SDS-PAGE. Като цяло резултатите подкрепят ултразвука като по-екологичен и по-ефективен подход за екстракция, който може да намали интензивността на обработката и да подпомогне превръщането на конопени странични продукти в полезни протеинови съставки за храни и нутрицевтични продукти.
(срв. Cabral et al. 2023)

Пример: Ултразвукова екстракция на протеинов хидролизат от оризови трици

Ултразвуковата екстракция на оризов протеинов хидролизат предлага ясно изразени функционални предимства, тъй като ултразвукът подобрява освобождаването на протеини от оризовите трици чрез разрушаване на клетъчните структури и усилване на масообмена, което прави екстракцията по-ефективна от конвенционалните подходи. В изследването екстракцията е успешно оптимизирана при съотношение твърдо вещество/течност 0,43, амплитуда 48,25% и продължителност 29,89 минути, а ензимната хидролиза с помощта на ултразвук също подпомага получаването на хидролизати със силна биоактивност, включително висока ACE-инхибираща активност и антиоксидантен потенциал. Авторите заключават, че ултразвукът е ефективна техника не само за екстракция на протеини, но и за ускоряване на ензимната хидролиза, като подпомага превръщането на оризовите трици в биоактивни протеинови съставки с по-висока стойност.
(срв. Hayta et al., 2020)

Ползи за производителите на храни и хранителни добавки

По-добро качество на продукта
Ултразвуковата обработка може да спомогне за по-гладка текстура и усещане в устата при течните протеинови продукти, подобрена хомогенност на суспензиите и предварителните смеси, по-слабо видимо утаяване в протеиновите напитки и по-постоянни функционални свойства между партидите.
По-ефективна обработка
Ултразвукът може да интензифицира обработката, като ускорява диспергирането и хидратацията и позволява непрекъсната обработка в технологичната линия. Изследването на овесния протеин съобщава, че конфигурацията с проточна клетка позволява по-високи плътности въпреки високата масова производителност и следователно може да осигури по-висока ефективност и по-голяма приложимост в промишлеността от обичайната партидна конфигурация.
По-голяма гъвкавост при разработването на рецептури
Ултразвуковата обработка е полезна за трудни за обработка рецептури с растителни протеини, готови за пиене (RTD) напитки с високо съдържание на протеини, основи за хранителни добавки и процеси, предхождащи хомогенизацията, хидролизата или сушенето. Статията отбелязва приложимостта ѝ за напитки на растителна основа, суспензионни смеси и последващи етапи на хидролиза.
По-добър потенциал за увеличаване на мащаба
Определени параметри на ултразвуковата обработка като амплитуда, интензитет, енергийна плътност, време на престой и противоналягане подпомагат пренасянето на процеса от лабораторна работа към пилотно и промишлено производство. Каченото изследване поставя особен акцент върху тези параметри при проектирането на непрекъсната обработка с възможност за увеличаване на мащаба.

Промишлена обработка на растителни протеини с ултразвуковото устройство Hielscher UIP6000hdT за работа в технологичната линия

Промишлено ултразвуково устройство UIP6000hdT (6kW) за обработка на протеинови суспензии в технологичната линия

Защо използването на ултразвукови устройства Hielscher носи ползи

Ултразвуковите устройства Hielscher са привлекателни за обработката на протеини, защото позволяват контролирана и възпроизводима ултразвукова обработка. За производителите истинското предимство е не просто генерирането на кавитация, а генерирането ѝ при определени условия, които позволяват увеличаване на мащаба.

Контролирани параметри на ултразвуковата обработка
Използваните в изследването системи Hielscher позволяват на изследователите да работят с определени амплитуди, интензитети и енергийни плътности както в партиден режим, така и в режим с проточна клетка. Това подпомага системното разработване на процеса и увеличаването на мащаба.
Възможност за партидна обработка и обработка в проточна клетка
Производителите могат да оценят ултразвуковата обработка в партиден режим и след това да преминат към непрекъсната обработка в технологичната линия. Качената статия показва, че непрекъснатата ултразвукова обработка в проточна клетка може да превъзхожда партидната обработка по отношение на стабилността на суспензията и приложимостта в промишлеността.
Проектиране на процеса за промишлена производителност
Изследването показва, че противоналягането, времето на престой и масовият дебит са важни променливи при непрекъснатата ултразвукова обработка. Това е значимо за производителите, защото превръща ултразвуковата обработка в реален инструмент на технологичното инженерство, а не само в лабораторна техника.
Възможности за обработка на трудни протеинови системи
Статията подчертава, че целенасоченото регулиране на свойства на продукта като размер на частиците, стабилност на суспензията, разтворимост и вискозитет е от голямо значение за суспензиите на растителна основа. Тя също така отбелязва, че ултразвуковите устройства заемат малка площ, могат да обработват високи концентрации на твърди вещества и предлагат уникална комбинация от физични и химични ефекти.

Типични приложения
Ултразвуковата обработка на протеини е приложима за

напитки с растителни протеини на основата на овес, грах, соя, ориз, бакла или смеси;
млечни и немлечни напитки, обогатени с протеини;
суспензии на хранителни добавки и течни шотове;
протеинови дисперсии преди хомогенизация или емулгиране;
и предварителни смеси за разпрашително сушене или допълнителна функционализация.

Ултразвукът като технология за обработка на протеини с възможност за увеличаване на мащаба

Ултразвуковата обработка помага на производителите на храни и хранителни добавки да подобрят функционалността на протеините там, където само конвенционалното смесване често достига своите ограничения. Чрез интензифициране на диспергирането, намаляване на размера на частиците, увеличаване на разтворените протеинови фракции и стабилизиране на суспензиите ултразвукът може да осигури измерими ползи за качеството на продукта и ефективността на процеса. Каченото изследване подкрепя тази позиция за овесните протеинови концентрати и показва, че непрекъснатата ултразвукова обработка в проточна клетка е особено обещаваща за промишлената обработка.
Ултразвуковите устройства Hielscher осигуряват практически път от установяването на осъществимостта в лаборатория до промишленото внедряване. Използването им в публикувани разработки за обработка на протеини, включително в каченото изследване за овесния протеин, показва как ултразвуковата обработка може да се развие в контролиран производствен етап с възможност за увеличаване на мащаба за производителите на храни и хранителни добавки.

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

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
15 до 150L	3 до 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	по-голям	група от UIP16000hdT

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите устройства Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови устройства в промишлени съоръжения. Ултразвуковите устройства Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови устройства с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите устройства Hielscher отговарят на изискванията за CE и изпълняват изискванията на UL, CSA и RoHs.

Ултразвуковите хомогенизатори с високо срязване се използват за лабораторна, настолна, пилотна и промишлена обработка.

Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.

Свързани теми

Често задавани въпроси

Каква е разликата между растителните и животинските протеини?

Растителните и животинските протеини се различават главно по аминокиселинен профил, смилаемост и свързаната с тях хранителна матрица. Животинските протеини обикновено се считат за пълноценни протеини, защото осигуряват всички незаменими аминокиселини в съотношения, които съответстват в голяма степен на човешките потребности, и често имат висока смилаемост. Много растителни протеини съдържат по-малко от една или повече незаменими аминокиселини, като лизин в зърнените култури или метионин в бобовите култури, и може да имат по-ниска смилаемост поради фибри, полифеноли или антинутриционни фактори. От хранителна гледна точка обаче растителните протеини все пак могат напълно да удовлетворят човешките потребности, когато се консумират в достатъчно количество и в съчетание с допълващи източници.

Какви качества трябва да предлагат растителните протеини като добавка към храните?

Като добавки към храните растителните протеини трябва да предлагат както хранително, така и функционално качество. Те трябва да имат добър баланс на незаменимите аминокиселини, висока смилаемост, ниски нива на антинутриционни съединения и добър контрол на безопасността и алергените. От технологична гледна точка те трябва да осигуряват полезни свойства като разтворимост, емулгиране, пенообразуване, желиране, свързване на вода, термична стабилност и неутрален или приемлив вкус и цвят, така че да могат да се включват в храни, без да влошават текстурата или сензорното качество.

Какво е протеинов изолат?

Протеиновият изолат е пречистена протеинова съставка, от която са отстранени повечето непротеинови компоненти като мазнини, нишесте и фибри, като остава висока концентрация на протеини, често над приблизително 80–90% на база сухо вещество. Протеиновите изолати се произвеждат, за да осигурят концентриран протеин с подобрена функционалност и по-предвидим състав за употреба в храни, хранене или промишлеността.

Какво е хидролизиран протеин?

Хидролизираният протеин е протеин, който е частично разграден до по-малки пептиди и свободни аминокиселини чрез ензимна, киселинна или понякога термична обработка. Този процес увеличава смилаемостта и често променя функционални свойства като разтворимост, емулгиращо поведение и биоактивност. В някои случаи хидролизираните протеини съдържат и пептиди със специфични биологични ефекти, като антиоксидантна или ACE-инхибираща активност.

Литература / Източници

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.