Ultrazvučna obrada proteina za hranu i nutritivne dodatke

Sonikacija je moćna procesna tehnologija za poboljšanje funkcionalnosti, disperzibilnosti, rastvorljivosti i stabilnosti proteina koji se koriste u hrani i nutritivnim dodacima. Od biljnih proteina poput zobi, graška, soje, konoplje i riže do mliječnih proteina i miješanih formulacija, ultrazvuk visokog intenziteta pomaže proizvođačima da optimiziraju proteinske sisteme za bolje ponašanje u obradi i poboljšane performanse proizvoda.

U obradi proteina, ultrazvuk je više od pomoći u miješanju. Pravilno kontrolisana sonikacija može smanjiti veličinu čestica, poboljšati hidrataciju i disperziju, povećati udjel rastvorenih proteina i poboljšati stabilnost suspenzije. Ovi efekti su posebno relevantni za gotova pića, proteinske koncentrate, obogaćenu hranu i formulacije suplemenata u prahu. U studiji objavljenoj 2025. godine (Höhme-Matthes i saradnici) koja je istraživala ultrazvučnu obradu proteina zobi, ultrazvuk je povećao količinu rastvorenog koncentrata zobnih proteina i smanjio nestabilnost suspenzije kako je energetska gustina rasla.

Zašto je ultrazvučna obrada proteina važna

Proizvođači hrane i dodataka često se suočavaju sa izazovima kao što su loše mokrenje, nepotpuna hidratacija, sedimentacija, visoka viskoznost, nestabilne suspenzije i neujednačena funkcionalnost. Ova pitanja postaju još važnija u formulacijama bogatim proteinima, biljnim i čistim deklaracijama.
Visokointenzivni, niskofrekventni ultrazvuk generiše akustičnu kavitaciju u tečnostima. Implozija mikroskopskih mjehurića stvara lokalizirane sile smicanja, turbulenciju i mikromiješanje. U proteinskim sistemima, ovi efekti mogu razbiti aglomerate, smanjiti veličinu čestica, poboljšati prijenos mase i izmijeniti fizičku organizaciju proteinom bogatih suspenzija. Rezultat je proteinski sistem koji je lakši za obradu i često bolje funkcioniše u gotovom proizvodu.

Kako sonikacija poboljšava preradu proteina u prehrambenoj industriji

• Poboljšana disperzija i hidratacija
  Proteinski prahovi se često hidriraju neujednačeno i formiraju aglomerate. Sonikacija pomaže u deaglomeraciji čestica i podstiče ravnomjernije mokrenje, što može skratiti vrijeme hidratacije i poboljšati rukovanje nizvodno.
• smanjenje veličine čestica
  Smanjena veličina čestica često je povezana sa glađim osjećajem u ustima, poboljšanim ponašanjem suspenzije i boljim pristupom vode površinama proteina. Rad o ovsenim proteinima posebno zaključuje da je ultrazvuk koristan za industrijsku obradu biljnih proteina u pogledu smanjenja veličine čestica.
• Veća rastvorljivost proteina
  Sonikacija može povećati udjel rastvorenih proteina i poboljšati prividnu rastvorljivost u teškim sistemima. U studiji o ovsenim proteinima, autori navode da je ultrazvuk povećao količinu rastvorenog koncentrata zobnih proteina, pri čemu je rastvorljivost već oko tri puta veća pri energetskoj gustini od 200 J/mL.
• Poboljšana stabilnost ovjesa
  Poboljšavajući disperziju i smanjujući frakcije nerastvorenih čestica, ultrazvuk pomaže u smanjenju sedimentacije i faznog razdvajanja. Objavljeni rad izvještava da ultrazvuk smanjuje nestabilnost suspenzije koncentrata zobnih proteina i da je kontinuirani tretman ćelijama snažno poboljšao stabilnost suspenzije pri istoj energetskoj gustini.

Primjer: Obrada ovsenih proteina pomoću Hielscher Sonicatora

Studija iz 2025. o obradi koncentrata zobnih proteina karakterizirala je ultrazvučnu obradu i protočnih ćelija koristeći Hielscherovu opremu. Istraživači su koristili Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St u svojim eksperimentima. Otkrili su da ultrazvuk povećava količinu rastvorenog koncentrata zobnih proteina, dok smanjuje nestabilnost suspenzije sa povećanjem energetske gustine. Također su otkrili da sonifikacija protočnih ćelija omogućava veći protok i nudi industrijsku relevantnost u poređenju sa uobičajenim serijskim dizajnom.
Studija dalje zaključuje da je ultrazvuk koristan alat u industrijskim procesima za biljne proteinske koncentrate. Ističe poboljšano smanjenje veličine čestica, bolju stabilnost suspenzije i važnost kontinuirane sonifikacije u konfiguracijama ćelija protoka za efikasnost procesa i skaliranje.

Primjer: Sonikacija poboljšana funkcionalnost proteina graška

Ultrazvučna obrada nudi nekoliko jasnih prednosti za proteinske sisteme graška: poboljšava disperzibilnost i rastvorljivost razgradnjom agregata i smanjenjem veličine čestica, što može poboljšati funkcionalne performanse hrane bez narušavanja probavljivosti proteina ili biopristupačnosti. U formulacijama koje sadrže vlakna, ultrazvuk također može potaknuti formiranje korisnih protein–vlaknastih mreža i, u zavisnosti od vrste vlakna, povećati viskoznost i kapacitet za izgradnju teksture. Kod fermentiranih alternativa jogurtu sa proteinom graška, ultrazvuk je dodatno poboljšao kvalitet proizvoda smanjenjem ključnih spojeva sa lošim ukusom kao što su heksanal i 2-pentilfuran, dok je povećao poželjne aromatične spojeve slične jogurtu kao što su diacetil i acetoin, što ga čini obećavajućim alatom za čistu etiketu za poboljšanje funkcionalnosti i senzornog sadržaja.
(usp. Kalla-Berthold i dr., 2023; Matysek i dr., 2024)

FE-SEM slike (400x i 2000x uvećanja, skala: 10 μm) neobrađenih (UT) i
uzorci proteina graška tretirani ultrazvukom (T) (PP).
Studija i slika: ©Kalla-Berthold i dr., 2023

Primjer: Prednosti ultrazvučno tretiranog proteina konoplje

Ultrazvučna ekstrakcija proteina konoplje nudi nekoliko značajnih prednosti, posebno za valorizaciju odmajenog otpada sjemenki konoplje u sastojke veće vrijednosti. U objavljenoj studiji, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija poboljšala je ukupni oporavak proteina i čistoću u poređenju sa konvencionalnom ekstrakcijom, pri čemu je najbolji kombinovani proces postigao oko 62% oporavka proteina i oko 76% čistoće u kombinaciji sa HPP predtretmanom. Također je poboljšao ekstrakciju aminokiselina kroz izolate, sugerišući bolji nutritivni prinos, dok je izbjegla značajna vidljiva oštećenja proteinskih pojaseva na SDS-PAGE. Sveukupno, nalazi podržavaju ultrazvuk kao ekološki prihvatljiviji i efikasniji pristup ekstrakciji koji može skratiti intenzitet obrade i pomoći u pretvaranju nusproizvoda konoplje u korisne sastojke hrane i nutraceutskih proteina.
(usp. Cabral i dr. 2023)

Primjer: Ultrazvučna ekstrakcija proteinskog hidrolizata iz rižinih mekinja

Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata proteina riže nudi jasne funkcionalne prednosti jer ultrazvuk poboljšava oslobađanje proteina iz mekinja riže narušavajući ćelijske strukture i poboljšavajući prijenos mase, čineći ekstrakciju efikasnijom od konvencionalnih metoda. U studiji, ekstrakcija je uspješno optimizirana na omjeru čvrstog i tečnog stanja od 0,43, amplitude 48,25% i 29,89 minuta, a enzimska hidroliza uz pomoć ultrazvuka također je podržala stvaranje hidrolizata sa jakom bioaktivnošću, uključujući visoku ACE-inhibitornu aktivnost i antioksidativni potencijal. Autori zaključuju da je ultrazvuk efikasna tehnika ne samo za ekstrakciju proteina, već i za ubrzavanje enzimske hidrolize, pomažući pretvaranju rižinih mekinja u bioaktivne sastojke proteina veće vrijednosti.
(usp. Hayta i dr., 2020)

Prednosti za proizvođače hrane i dodataka

• Bolji kvalitet proizvoda
  Sonikacija može podržati glađu teksturu i osjećaj u ustima u tečnim proteinskim proizvodima, poboljšanu homogenost u suspenzijama i premixima, manje vidljivu sedimentaciju u proteinskim napicima i dosljednije funkcionalne performanse kroz serije.
• Efikasnija obrada
  Ultrazvuk može pojačati obradu ubrzavanjem disperzije i hidratacije te omogućavanjem kontinuiranog inline tretmana. Studija o ovsenim proteinima izvještava da dizajn protočnih ćelija omogućava veće gustine uprkos velikom protoku mase i stoga može podržati veću efikasnost i veću industrijsku relevantnost nego uobičajeni batch dizajn.
• Veća fleksibilnost formulacije
  Sonikacija je korisna za izazovne formulacije biljnih proteina, RTD napitke sa visokim sadržajem proteina, baze suplemenata i procese uzvodno od homogenizacije, hidrolize ili sušenja. Rad ističe relevantnost za biljna pića, kaše i naredne korake hidrolize.
• Bolji potencijal za skaliranje
  Definisani su parametri sonifikacije kao što su amplituda, intenzitet, gustina energije, vrijeme zadržavanja i prijenos procesa podrške povratnim pritiskom od laboratorijskog rada do pilot i industrijske proizvodnje. Objavljena studija stavlja poseban naglasak na ove parametre za dizajniranje skalabilne kontinuirane obrade.

Zašto upotreba Hielscher sonikatora donosi koristi

Hielscher sonikatori su privlačni za obradu proteina jer omogućavaju kontrolisani i ponovljivi ultrazvučni tretman. Za proizvođače, prava prednost nije samo generisanje kavitacije, već njeno generisanje pod definisanim i skalabilnim uslovima.

• Parametri kontrolisane sonikacije
  Hielscherovi sistemi korišteni u studiji omogućili su istraživačima rad sa definisanim amplitudama, intenzitetima i gustinama energije u režimu batch i flow cell. Ovo podržava sistematski razvoj procesa i njihovo skaliranje.
• Kapacitet za batch i protok ćelija
  Proizvođači mogu procijeniti sonifikaciju u serijama, a zatim preći na kontinuiranu inline obradu. Objavljeni rad pokazuje da kontinuirana sonifikacija ćelija protoka može nadmašiti serijski tretman u stabilnosti suspenzije i industrijskoj relevantnosti.
• Dizajn procesa za industrijski protok
  Studija pokazuje da su povratni pritisak, vrijeme zadržavanja i maseni protok važni faktori u kontinuiranoj sonikaciji. Ovo je važno za proizvođače jer ultrazvučni tretman postaje pravi alat za procesno inženjerstvo, a ne samo laboratorijska tehnika.
• Podrška za teške proteinske sisteme
  Rad naglašava da je prilagođavanje svojstava proizvoda kao što su veličina čestica, stabilnost suspenzije, rastvorljivost i viskoznost od velike važnosti za biljne suspenzije. Također navodi da sonikatori zahtijevaju mali otisak, mogu podnijeti visoke koncentracije čvrstih tvari i nude jedinstvenu kombinaciju fizičkih i hemijskih efekata.

 
Tipične primjene
Ultrazvučna obrada proteina je relevantna za

• biljna proteinska pića na bazi zobi, graška, soje, riže, faba graha ili mješavina;
• mliječne proizvode obogaćene proteinima i napitke bez mliječnih proizvoda;
• suspenzije nutritivnih dodataka i tečne injekcije;
• disperzije proteina prije homogenizacije ili emulzifikacije;
• i predmješavine za sušenje u spreju ili dalju funkcionalizaciju.

Ultrazvuk kao skalabilna tehnologija za obradu proteina

Sonikacija pomaže proizvođačima hrane i dodataka da poboljšaju funkcionalnost proteina tamo gdje konvencionalno miješanje često doseže svoje granice. Intenziviranjem disperzije, smanjenjem veličine čestica, povećanjem udjela rastvorenih proteina i stabilizacijom suspenzija, ultrazvuk može donijeti mjerljive koristi u kvalitetu proizvoda i efikasnosti procesa. Objavljena studija podržava ovaj stav za koncentrate zobnih proteina i ukazuje da je kontinuirana sonifikacija ćelija tokom posebno obećavajuća za industrijsku preradu.
Hielscher sonikatori pružaju praktičan put od laboratorijske izvodljivosti do industrijske implementacije. Njihova upotreba u objavljenim radovima na obradi proteina, uključujući i učitanu studiju o ovsenim proteinima, pokazuje kako se ultrazvučni tretman može razviti u kontrolisan i skalabilan proizvodni korak za proizvođače hrane i nutritivnih dodataka.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.

Literatura / Reference