Ultrazvukové zpracování proteinů pro potraviny a doplňky stravy

Sonikace je účinná procesní technologie pro zlepšení funkčnosti, dispergovatelnosti, rozpustnosti a stability proteinů používaných v potravinách a doplňcích stravy. Od rostlinných proteinů, jako jsou ovesné, hrachové, sójové, konopné a rýžové proteiny, až po mléčné proteiny a směsné formulace pomáhá vysoce intenzivní ultrazvuk výrobcům optimalizovat proteinové systémy pro lepší chování při zpracování a lepší užitné vlastnosti výrobků.

Při zpracování proteinů je ultrazvuk víc než jen pomůcka pro míchání. Správně řízená sonikace může zmenšit velikost částic, zlepšit hydrataci a disperzi, zvýšit podíl rozpuštěných proteinů a zlepšit stabilitu suspenze. Tyto účinky jsou zvláště významné pro nápoje připravené k pití, proteinové koncentráty, obohacené potraviny a práškové formulace doplňků stravy. Ve studii publikované v roce 2025 (Höhme-Matthes et al.), která zkoumala ultrazvukové zpracování ovesného proteinu, sonikace se zvyšující se hustotou energie zvýšila rozpuštěné množství ovesného proteinového koncentrátu a snížila nestabilitu suspenze.

Proč je ultrazvukové zpracování proteinů důležité

Výrobci potravin a doplňků stravy se často potýkají s problémy, jako je špatná smáčivost, neúplná hydratace, sedimentace, vysoká viskozita, nestabilní suspenze a nekonzistentní funkčnost. Tyto problémy nabývají ještě většího významu u formulací s vysokým obsahem proteinů, rostlinných formulací a formulací typu clean label.
Vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvuk vytváří v kapalinách akustickou kavitaci. Implozí mikroskopických bublin vznikají lokální smykové síly, turbulence a mikromíchání. V proteinových systémech mohou tyto účinky rozbíjet aglomeráty, zmenšovat velikost částic, zlepšovat přenos hmoty a měnit fyzikální uspořádání suspenzí bohatých na proteiny. Výsledkem je proteinový systém, který se snáze zpracovává a v hotovém výrobku často dosahuje lepších vlastností.

Jak sonikace zlepšuje zpracování proteinů v potravinářském průmyslu

• Lepší disperze a hydratace
  Proteinové prášky často hydratují nerovnoměrně a tvoří aglomeráty. Sonikace napomáhá deaglomeraci částic a podporuje rovnoměrnější smáčení, což může zkrátit dobu hydratace a usnadnit manipulaci v navazujících krocích zpracování.
• Zmenšení velikosti částic
  Menší velikost částic je často spojena s jemnějším pocitem v ústech, lepším chováním suspenze a lepším přístupem vody k povrchům proteinů. Publikace o ovesném proteinu konkrétně dochází k závěru, že ultrazvuk je užitečný pro zpracování rostlinných proteinů v průmyslovém měřítku s ohledem na zmenšení velikosti částic.
• Vyšší rozpustnost proteinů
  Sonikace může zvýšit rozpuštěný podíl proteinů a zlepšit zdánlivou rozpustnost v obtížných systémech. Ve studii o ovesném proteinu autoři uvádějí, že sonikace zvýšila rozpuštěné množství ovesného proteinového koncentrátu, přičemž rozpustnost byla již při hustotě energie 200 J/mL přibližně třikrát vyšší.
• Zvýšená stabilita suspenze
  Zlepšením disperze a snížením podílu nerozpuštěných částic pomáhá ultrazvuk omezit sedimentaci a fázovou separaci. Nahraná publikace uvádí, že sonikace snížila nestabilitu suspenzí ovesného proteinového koncentrátu a že kontinuální ošetření v průtokové cele při stejné hustotě energie výrazně zlepšilo stabilitu suspenze.

Příklad: Zpracování ovesného proteinu pomocí sonikátorů Hielscher

Studie z roku 2025 zaměřená na zpracování ovesného proteinového koncentrátu charakterizovala vsádkovou sonikaci i sonikaci v průtokové cele s využitím zařízení Hielscher. Výzkumníci ve svých experimentech použili Hielscher UIP1500hdT a Hielscher UP200St. Zjistili, že sonikace se zvyšující se hustotou energie zvyšovala rozpuštěné množství ovesného proteinového koncentrátu a současně snižovala nestabilitu suspenze. Dále zjistili, že sonikace v průtokové cele umožnila vyšší průchodnost a ve srovnání s běžným vsádkovým uspořádáním měla průmyslový význam.
Studie dále dochází k závěru, že ultrazvuk je užitečným nástrojem v procesních aplikacích v průmyslovém měřítku pro rostlinné proteinové koncentráty. Zdůrazňuje lepší zmenšení velikosti částic, lepší stabilitu suspenze a význam kontinuální sonikace v uspořádání s průtokovou celou pro efektivitu procesu a přenos do většího měřítka.

Příklad: Funkčnost hrachového proteinu zlepšená sonikací

Ultrazvukové zpracování přináší pro systémy hrachového proteinu několik jasných výhod: zlepšuje dispergovatelnost a rozpustnost rozrušováním agregátů a zmenšováním velikosti částic, což může posílit funkční vlastnosti v potravinách, aniž by se zhoršila stravitelnost nebo biologická přístupnost proteinů. Ve formulacích obsahujících vlákninu může ultrazvuk také podpořit tvorbu užitečné sítě protein–vláknina a v závislosti na typu vlákniny zvýšit viskozitu a schopnost vytvářet texturu. U fermentovaných alternativ jogurtu na bázi hrachového proteinu ultrazvuk dále zlepšil kvalitu výrobku tím, že snížil obsah klíčových sloučenin způsobujících nežádoucí pachuť, jako jsou hexanal a 2-pentylfuran, a zároveň zvýšil obsah žádoucích aromatických sloučenin typických pro jogurt, jako jsou diacetyl a acetoin, což z něj činí slibný nástroj typu clean label pro zlepšení funkčnosti i senzorických vlastností.
(srov. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Snímky FE-SEM (zvětšení 400x a 2000x, měřítko: 10 µm) neošetřených (UT) a
ultrazvukem ošetřených (T) vzorků hrachového proteinu (PP).
Studie a snímek: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Příklad: Výhody ultrazvukem ošetřeného konopného proteinu

Ultrazvuková extrakce konopného proteinu nabízí několik významných výhod, zejména pro zhodnocení odpadu z odtučněných konopných semen na hodnotnější složky. V nahrané studii zlepšila ultrazvukem asistovaná extrakce celkovou výtěžnost a čistotu proteinu ve srovnání s konvenční extrakcí, přičemž nejlepší kombinovaný proces dosáhl při spojení s předúpravou HPP výtěžnosti proteinu přibližně 62 % a čistoty přibližně 76 %. Zlepšila také extrakci aminokyselin ve všech izolátech, což naznačuje lepší nutriční výtěžek, a přitom nezpůsobila výrazné viditelné poškození vzorů proteinových pásů na SDS-PAGE. Celkově zjištění podporují ultrazvuk jako ekologičtější a účinnější extrakční přístup, který může snížit intenzitu zpracování a pomoci přeměnit vedlejší produkty z konopí na užitečné proteinové složky pro potraviny a nutraceutika.
(srov. Cabral et al. 2023)

Příklad: Ultrazvuková extrakce proteinového hydrolyzátu z rýžových otrub

Ultrazvuková extrakce hydrolyzátu rýžového proteinu nabízí jasné funkční výhody, protože ultrazvuk zlepšuje uvolňování proteinů z rýžových otrub narušováním buněčných struktur a zlepšováním přenosu hmoty, takže extrakce je účinnější než při konvenčních postupech. Ve studii byla extrakce úspěšně optimalizována při poměru pevná fáze/kapalina 0,43, amplitudě 48,25 % a době 29,89 minuty a ultrazvukem asistovaná enzymatická hydrolýza rovněž podpořila vznik hydrolyzátů se silnou bioaktivitou, včetně vysoké ACE-inhibiční aktivity a antioxidačního potenciálu. Autoři dospěli k závěru, že ultrazvuk je účinnou technikou nejen pro extrakci proteinů, ale také pro urychlení enzymatické hydrolýzy, a pomáhá tak přeměnit rýžové otruby na hodnotnější bioaktivní proteinové složky.
(srov. Hayta et al., 2020)

Výhody pro výrobce potravin a doplňků stravy

• Vyšší kvalita výrobků
  Sonikace může přispět k jemnější textuře a pocitu v ústech u tekutých proteinových výrobků, k lepší homogenitě suspenzí a premixů, k méně viditelné sedimentaci v proteinových nápojích a ke konzistentnějším funkčním vlastnostem napříč šaržemi.
• Efektivnější zpracování
  Ultrazvuk může zintenzivnit zpracování urychlením disperze a hydratace a umožněním kontinuálního inline ošetření. Studie o ovesném proteinu uvádí, že uspořádání s průtokovou celou umožňuje vyšší hustoty navzdory vysoké hmotnostní průchodnosti, a proto může podpořit vyšší efektivitu a větší průmyslový význam než běžné vsádkové uspořádání.
• Větší flexibilita formulací
  Sonikace je užitečná pro náročné formulace s rostlinnými proteiny, nápoje RTD s vysokým obsahem proteinů, základy doplňků stravy a procesy předcházející homogenizaci, hydrolýze nebo sušení. Publikace uvádí význam pro rostlinné nápoje, husté suspenze a následné kroky hydrolýzy.
• Lepší potenciál pro přenos do většího měřítka
  Definované parametry sonikace, jako je amplituda, intenzita, hustota energie, doba zdržení a protitlak, podporují přenos procesu z laboratorní práce do poloprovozní a průmyslové výroby. Nahraná studie klade zvláštní důraz na tyto parametry při navrhování škálovatelného kontinuálního zpracování.

Proč použití sonikátorů Hielscher přináší výhody

Sonikátory Hielscher jsou pro zpracování proteinů atraktivní, protože umožňují řízené a reprodukovatelné ultrazvukové ošetření. Pro výrobce není skutečnou výhodou pouhé vytváření kavitace, ale její vytváření za definovaných a škálovatelných podmínek.

• Řízené parametry sonikace
  Systémy Hielscher použité ve studii umožnily výzkumníkům pracovat s definovanými amplitudami, intenzitami a hustotami energie ve vsádkovém režimu i v režimu s průtokovou celou. To podporuje systematický vývoj procesu a jeho přenos do většího měřítka.
• Vsádkový provoz i provoz s průtokovou celou
  Výrobci mohou sonikaci vyhodnotit ve vsádkovém režimu a poté přejít ke kontinuálnímu inline zpracování. Nahraná publikace ukazuje, že kontinuální sonikace v průtokové cele může překonat vsádkové ošetření z hlediska stability suspenze a průmyslového významu.
• Návrh procesu pro průmyslovou průchodnost
  Studie ukazuje, že protitlak, doba zdržení a hmotnostní průtok jsou důležitými proměnnými kontinuální sonikace. To je pro výrobce podstatné, protože se tím ultrazvukové ošetření stává skutečným nástrojem procesního inženýrství, a nikoli pouze laboratorní technikou.
• Podpora pro obtížné proteinové systémy
  Publikace zdůrazňuje, že cílené přizpůsobení vlastností výrobku, jako je velikost částic, stabilita suspenze, rozpustnost a viskozita, má pro rostlinné suspenze zásadní význam. Uvádí také, že sonikátory vyžadují malou zastavěnou plochu, dokážou zpracovat vysoké koncentrace pevných látek a nabízejí jedinečnou kombinaci fyzikálních a chemických účinků.

 
Typické aplikace
Ultrazvukové zpracování proteinů je významné pro

• nápoje z rostlinných proteinů na bázi ovsa, hrachu, sóji, rýže, bobu obecného nebo jejich směsí;
• mléčné i nemléčné nápoje obohacené proteiny;
• suspenze doplňků stravy a tekuté shoty;
• proteinové disperze před homogenizací nebo emulgací;
• a premixy pro sprejové sušení nebo další funkcionalizaci.

Ultrazvuk jako škálovatelná technologie zpracování proteinů

Sonikace pomáhá výrobcům potravin a doplňků stravy zlepšit funkčnost proteinů tam, kde samotné konvenční míchání často naráží na své limity. Zintenzivněním disperze, zmenšením velikosti částic, zvýšením podílu rozpuštěných proteinů a stabilizací suspenzí může ultrazvuk přinést měřitelné výhody v kvalitě výrobků a efektivitě procesu. Nahraná studie toto stanovisko podporuje pro ovesné proteinové koncentráty a naznačuje, že kontinuální sonikace v průtokové cele je obzvláště slibná pro průmyslové zpracování.
Sonikátory Hielscher nabízejí praktickou cestu od laboratorního ověření proveditelnosti k průmyslové realizaci. Jejich použití v publikovaných pracích o zpracování proteinů, včetně nahrané studie o ovesném proteinu, ukazuje, jak lze ultrazvukové ošetření rozvinout v řízený a škálovatelný výrobní krok pro výrobce potravin a doplňků stravy.

Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou proslulé svou nejvyšší kvalitou a standardy designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Ultrazvukové přístroje Hielscher si snadno poradí s drsnými podmínkami i náročným prostředím.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují předpisům CE a splňují požadavky UL, CSA a 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.