Ultrazvučna obrada proteina za hranu i dodatke prehrani

Ultrazvučna obrada (sonikacija) je moćna procesna tehnologija za poboljšanje funkcionalnosti, dispergibilnosti, topljivosti i stabilnosti proteina koji se koriste u hrani i dodacima prehrani. Od biljnih proteina kao što su zob, grašak, soja, konoplja i pirinač do mliječnih proteina i mješovitih formulacija, ultrazvuk visokog intenziteta pomaže proizvođačima da optimiziraju proteinske sisteme radi boljeg ponašanja tokom obrade i poboljšanih performansi proizvoda.

U preradi proteina ultrazvuk je više od pomoćnog sredstva za miješanje. Pravilno kontrolisana ultrazvučna obrada može smanjiti veličinu čestica, poboljšati hidrataciju i disperziju, povećati udio otopljenih proteina i poboljšati stabilnost suspenzije. Ovi učinci su posebno važni za napitke spremne za piće, proteinske koncentrate, obogaćenu hranu i formulacije dodataka prehrani u prahu. U studiji objavljenoj 2025. godine (Höhme-Matthes et al.) koja je istraživala ultrazvučnu obradu proteina zobi, ultrazvučna obrada je povećala otopljenu količinu koncentrata proteina zobi i smanjila nestabilnost suspenzije kako se gustoća energije povećavala.

Zašto je ultrazvučna obrada proteina važna

Proizvođači hrane i dodataka prehrani se često suočavaju s izazovima kao što su loše vlaženje, nepotpuna hidratacija, sedimentacija, visok viskozitet, nestabilne suspenzije i nedosljedna funkcionalnost. Ovi problemi postaju još važniji u formulacijama s visokim sadržajem proteina, biljnim formulacijama i formulacijama „clean-label“.
Ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Implozija mikroskopskih mjehurića stvara lokalizirane smične sile, turbulenciju i mikromiješanje. U proteinskim sistemima ovi učinci mogu razbiti aglomerate, smanjiti veličinu čestica, poboljšati prijenos mase i izmijeniti fizičku organizaciju suspenzija bogatih proteinima. Rezultat je proteinski sistem koji se lakše obrađuje i često daje bolje rezultate u gotovom proizvodu.

Kako ultrazvučna obrada poboljšava preradu proteina u prehrambenoj industriji

• Poboljšana disperzija i hidratacija
  Proteinski prahovi se često hidratiziraju neravnomjerno i stvaraju aglomerate. Ultrazvučna obrada pomaže u razbijanju aglomerata čestica i potiče ravnomjernije vlaženje, što može skratiti vrijeme hidratacije i poboljšati daljnje rukovanje.
• Smanjenje veličine čestica
  Smanjena veličina čestica se često povezuje s glađim osjećajem u ustima, poboljšanim ponašanjem suspenzije i boljim pristupom vode površinama proteina. U radu o proteinu zobi se izričito zaključuje da je ultrazvuk koristan za industrijsku preradu biljnih proteina u pogledu smanjenja veličine čestica.
• Veća topljivost proteina
  Ultrazvučna obrada može povećati otopljeni udio proteina i poboljšati prividnu topljivost u zahtjevnim sistemima. U studiji o proteinu zobi autori navode da je ultrazvučna obrada povećala otopljenu količinu koncentrata proteina zobi, pri čemu je topljivost već pri gustoći energije od 200 J/mL bila oko tri puta veća.
• Poboljšana stabilnost suspenzije
  Poboljšanjem disperzije i smanjenjem udjela neotopljenih čestica, ultrazvuk pomaže u smanjenju sedimentacije i razdvajanja faza. Priloženi rad navodi da je ultrazvučna obrada smanjila nestabilnost suspenzija koncentrata proteina zobi te da je obrada u protočnoj ćeliji pri istoj gustoći energije snažno poboljšala stabilnost suspenzije.

Primjer: obrada proteina zobi sonikatorima Hielscher

Studija iz 2025. godine o obradi koncentrata proteina zobi opisala je i šaržnu ultrazvučnu obradu i ultrazvučnu obradu u protočnoj ćeliji koristeći opremu Hielscher. Istraživači su u svojim eksperimentima koristili Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St. Utvrdili su da je ultrazvučna obrada povećala otopljenu količinu koncentrata proteina zobi, dok se nestabilnost suspenzije smanjivala s povećanjem gustoće energije. Također su utvrdili da je ultrazvučna obrada u protočnoj ćeliji omogućila veći protok uzorka i pokazala industrijsku relevantnost u poređenju s uobičajenim šaržnim dizajnom.
Studija dalje zaključuje da je ultrazvuk koristan alat u industrijskim procesnim primjenama za koncentrate biljnih proteina. Ističe poboljšano smanjenje veličine čestica, bolju stabilnost suspenzije i važnost kontinuirane ultrazvučne obrade u konfiguracijama s protočnom ćelijom za efikasnost procesa i povećanje razmjera.

Primjer: funkcionalnost proteina graška poboljšana ultrazvučnom obradom

Ultrazvučna obrada nudi nekoliko jasnih prednosti za sisteme proteina graška: poboljšava dispergibilnost i topljivost razbijanjem agregata i smanjenjem veličine čestica, što može ojačati funkcionalne performanse u hrani bez narušavanja probavljivosti proteina ili bioraspoloživosti. U formulacijama koje sadrže vlakna, ultrazvuk može također potaknuti korisno stvaranje mreže protein–vlakna i, ovisno o vrsti vlakana, povećati viskozitet i sposobnost izgradnje teksture. U fermentiranim alternativama jogurtu na bazi proteina graška, ultrazvuk je dodatno poboljšao kvalitet proizvoda smanjenjem ključnih spojeva neželjenog okusa kao što su heksanal i 2-pentilfuran, uz povećanje poželjnih spojeva arome nalik jogurtu kao što su diacetil i acetoin, što ga čini obećavajućim „clean-label“ alatom i za funkcionalnost i za senzorno poboljšanje.
(usp. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM snimci (povećanja 400x i 2000x, skala: 10 µm) netretiranih (UT) i
ultrazvukom tretiranih (T) uzoraka proteina graška (PP).
Studija i snimak: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Primjer: prednosti ultrazvučno tretiranog proteina konoplje

Ultrazvučna ekstrakcija proteina konoplje nudi nekoliko značajnih prednosti, posebno za valorizaciju odmašćenog otpada sjemena konoplje u sastojke veće vrijednosti. U priloženoj studiji, ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom poboljšala je ukupno iskorištenje i čistoću proteina u poređenju s konvencionalnom ekstrakcijom, pri čemu je najbolji kombinirani proces postigao oko 62 % iskorištenja proteina i oko 76 % čistoće kada je bio uparen s HPP predtretmanom. Također je poboljšala ekstrakciju aminokiselina u svim izolatima, što upućuje na bolji nutritivni prinos, uz izbjegavanje značajnijeg vidljivog oštećenja uzoraka proteinskih traka na SDS-PAGE. Sveukupno, nalazi podupiru ultrazvuk kao zeleniji i efikasniji pristup ekstrakciji koji može smanjiti intenzitet obrade i pomoći da se nusproizvodi konoplje pretvore u korisne prehrambene i nutraceutičke proteinske sastojke.
(usp. Cabral et al. 2023)

Primjer: ultrazvučna ekstrakcija proteinskog hidrolizata iz pirinčanih mekinja

Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata proteina pirinča nudi jasne funkcionalne prednosti jer ultrazvuk poboljšava oslobađanje proteina iz pirinčanih mekinja razgradnjom ćelijskih struktura i pojačavanjem prijenosa mase, čime ekstrakcija postaje efikasnija od konvencionalnih pristupa. U studiji je ekstrakcija uspješno optimizirana pri omjeru čvrsto/tečno od 0,43, amplitudi od 48,25 % i trajanju od 29,89 minuta, a enzimska hidroliza potpomognuta ultrazvukom također je podržala stvaranje hidrolizata s jakom bioaktivnošću, uključujući visoku ACE-inhibitornu aktivnost i antioksidativni potencijal. Autori zaključuju da je ultrazvuk efikasna tehnika ne samo za ekstrakciju proteina nego i za ubrzavanje enzimske hidrolize, što pomaže u pretvaranju pirinčanih mekinja u bioaktivne proteinske sastojke veće vrijednosti.
(usp. Hayta et al., 2020)

Prednosti za proizvođače hrane i dodataka prehrani

• Bolji kvalitet proizvoda
  Ultrazvučna obrada može doprinijeti glađoj teksturi i osjećaju u ustima kod tekućih proteinskih proizvoda, boljoj homogenosti suspenzija i premiksova, manje vidljivoj sedimentaciji u proteinskim napicima i konzistentnijim funkcionalnim performansama kroz šarže.
• Efikasnija obrada
  Ultrazvuk može intenzivirati obradu ubrzavanjem disperzije i hidratacije te omogućavanjem kontinuirane inline obrade. Studija o proteinu zobi navodi da dizajn s protočnom ćelijom omogućava veće gustoće uprkos velikom protoku mase i stoga može podržati veću efikasnost i veću industrijsku relevantnost od uobičajenog šaržnog dizajna.
• Veća fleksibilnost formulacije
  Ultrazvučna obrada je korisna za zahtjevne formulacije biljnih proteina, napitke s visokim sadržajem proteina spremne za piće (RTD), baze dodataka prehrani te procese prije homogenizacije, hidrolize ili sušenja. Rad navodi relevantnost za biljne napitke, kaše (slurry) i naknadne korake hidrolize.
• Bolji potencijal za povećanje razmjera
  Definirani parametri ultrazvučne obrade kao što su amplituda, intenzitet, gustoća energije, vrijeme zadržavanja i povratni pritisak podržavaju prijenos procesa iz laboratorijskog rada u pilot i industrijsku proizvodnju. Priložena studija stavlja poseban naglasak na ove parametre za projektiranje skalabilne kontinuirane obrade.

Zašto upotreba sonikatora Hielscher donosi prednosti

Sonikatori Hielscher su privlačni za preradu proteina jer omogućavaju kontrolisanu i ponovljivu ultrazvučnu obradu. Za proizvođače prava prednost nije samo stvaranje kavitacije, već njeno stvaranje pod definiranim i skalabilnim uslovima.

• Kontrolisani parametri ultrazvučne obrade
  Sistemi Hielscher korišteni u studiji omogućili su istraživačima rad s definiranim amplitudama, intenzitetima i gustoćama energije u šaržnom načinu rada i načinu rada s protočnom ćelijom. Ovo podržava sistematski razvoj procesa i povećanje razmjera.
• Mogućnost šaržnog rada i rada s protočnom ćelijom
  Proizvođači mogu procijeniti ultrazvučnu obradu u šaržnom načinu rada, a zatim preći na kontinuiranu inline obradu. Priloženi rad pokazuje da kontinuirana ultrazvučna obrada u protočnoj ćeliji može nadmašiti šaržnu obradu u pogledu stabilnosti suspenzije i industrijske relevantnosti.
• Dizajn procesa za industrijski protok
  Studija pokazuje da su povratni pritisak, vrijeme zadržavanja i maseni protok važne varijable u kontinuiranoj ultrazvučnoj obradi. To je važno za proizvođače jer ultrazvučnu obradu čini pravim alatom procesnog inženjerstva, a ne samo laboratorijskom tehnikom.
• Podrška za zahtjevne proteinske sisteme
  Rad naglašava da je prilagođavanje svojstava proizvoda kao što su veličina čestica, stabilnost suspenzije, topljivost i viskozitet od velike važnosti za biljne suspenzije. Također navodi da sonikatori zahtijevaju malu površinu postavljanja, mogu podnijeti visoke koncentracije čvrstih tvari i nude jedinstvenu kombinaciju fizičkih i hemijskih učinaka.

 
Tipične primjene
Ultrazvučna obrada proteina je relevantna za

• napitke od biljnih proteina na bazi zobi, graška, soje, pirinča, boba ili mješavina;
• mliječne i nemliječne napitke obogaćene proteinima;
• suspenzije dodataka prehrani i tečne „shotove“;
• proteinske disperzije prije homogenizacije ili emulgiranja;
• i premiksove za sušenje raspršivanjem ili daljnju funkcionalizaciju.

Ultrazvuk kao skalabilna tehnologija obrade proteina

Ultrazvučna obrada pomaže proizvođačima hrane i dodataka prehrani da poboljšaju funkcionalnost proteina tamo gdje konvencionalno miješanje samo često dostiže svoje granice. Intenziviranjem disperzije, smanjenjem veličine čestica, povećanjem udjela otopljenih proteina i stabilizacijom suspenzija, ultrazvuk može pružiti mjerljive koristi u kvalitetu proizvoda i efikasnosti procesa. Priložena studija podupire ovaj stav za koncentrate proteina zobi i ukazuje na to da je kontinuirana ultrazvučna obrada u protočnoj ćeliji posebno obećavajuća za industrijsku preradu.
Sonikatori Hielscher pružaju praktičan put od laboratorijske izvodljivosti do industrijske implementacije. Njihova upotreba u objavljenim radovima o preradi proteina, uključujući priloženu studiju o proteinu zobi, pokazuje kako se ultrazvučna obrada može razviti u kontrolisan i skalabilan proizvodni korak za proizvođače hrane i dodataka prehrani.

Tabela ispod daje vam okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uslove i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje ultrazvučnim uređajima visokih performansi koji imaju najsavremeniju tehnologiju i jednostavnost korištenja. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher su usklađeni s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.