Ultrazvukové zpracování bílkovin pro potraviny a doplňky stravy

Sonikace je výkonná procesní technologie pro zlepšení funkčnosti, dispergovatelnosti, rozpustnosti a stability proteinů používaných v potravinách a doplňcích stravy. Vysoce intenzivní ultrazvuk pomáhá výrobcům optimalizovat proteinové systémy, od rostlinných proteinů, jako je oves, hrách, sója, konopí a rýže, až po mléčné proteiny a směsné přípravky, aby se lépe chovaly při zpracování a zlepšily vlastnosti výrobků.

Při zpracování bílkovin je ultrazvuk více než jen pomocný prostředek při míchání. Správně řízená sonikace může snížit velikost částic, zlepšit hydrataci a dispergaci, zvýšit podíl rozpuštěných bílkovin a zlepšit stabilitu suspenze. Tyto účinky jsou důležité zejména pro nápoje připravené k pití, proteinové koncentráty, obohacené potraviny a práškové doplňkové přípravky. V publikované studii z roku 2025 (Höhme-Matthes et al.), která zkoumala ultrazvukové zpracování ovesných bílkovin, ultrazvuk zvýšil množství rozpuštěného ovesného bílkovinného koncentrátu a snížil nestabilitu suspenze při zvýšení energetické hustoty.

Proč je důležité ultrazvukové zpracování bílkovin

Výrobci potravin a doplňků se často potýkají s problémy, jako je špatné smáčení, neúplná hydratace, sedimentace, vysoká viskozita, nestabilní suspenze a nekonzistentní funkčnost. Tyto problémy jsou ještě důležitější u vysoce proteinových, rostlinných a čistě značkových přípravků.
Ultrazvuk o vysoké intenzitě a nízké frekvenci vytváří v kapalinách akustickou kavitaci. Imploze mikroskopických bublinek vytváří lokalizované smykové síly, turbulence a mikromíchání. V proteinových systémech mohou tyto efekty rozbíjet aglomeráty, zmenšovat velikost částic, zlepšovat přenos hmoty a měnit fyzikální uspořádání suspenzí bohatých na proteiny. Výsledkem je proteinový systém, který se snadněji zpracovává a často má lepší vlastnosti v konečném výrobku.

Jak sonikace zlepšuje zpracování bílkovin v potravinářském průmyslu

• Zlepšená disperze a hydratace
  Proteinové prášky často hydratují nerovnoměrně a tvoří aglomeráty. Sonikace pomáhá deaglomerovat částice a podporuje rovnoměrnější smáčení, což může zkrátit dobu hydratace a zlepšit následnou manipulaci.
• Zmenšení velikosti částic
  Menší velikost částic je často spojena s jemnějším pocitem v ústech, lepším chováním suspenze a lepším přístupem vody k povrchu bílkovin. V článku o ovesných bílkovinách se konkrétně uvádí, že ultrazvuk je užitečný pro zpracování rostlinných bílkovin v průmyslovém měřítku s ohledem na snížení velikosti částic.
• Vyšší rozpustnost bílkovin
  Sonikace může zvýšit rozpuštěnou frakci proteinů a zlepšit zdánlivou rozpustnost v obtížných systémech. Ve studii ovesných bílkovin autoři uvádějí, že ultrazvukem se zvýšilo rozpuštěné množství ovesného bílkovinného koncentrátu, přičemž rozpustnost byla přibližně třikrát vyšší již při hustotě energie 200 J/ml.
• Zvýšená stabilita odpružení
  Zlepšením dispergace a snížením podílu nerozpuštěných částic pomáhá ultrazvuk omezit sedimentaci a separaci fází. V nahraném článku se uvádí, že ultrazvuk snižuje nestabilitu suspenzí ovesného bílkovinného koncentrátu a že kontinuální ošetření průtokovými buňkami silně zlepšuje stabilitu suspenze při stejné hustotě energie.

Příklad: Zpracování ovesných bílkovin s Hielscher Sonicators

Studie 2025 o zpracování ovesného bílkovinného koncentrátu charakterizovala ultrazvukování ve vsádce i v průtokových buňkách za použití zařízení Hielscher. Výzkumníci při svých experimentech použili zařízení Hielscher UIP1500hdT a Hielscher UP200St. Zjistili, že ultrazvukem se zvýšilo množství rozpuštěného ovesného bílkovinného koncentrátu a zároveň se snížila nestabilita suspenze s rostoucí hustotou energie. Zjistili také, že sonikace v průtočné buňce umožňuje vyšší výkonnost a nabízí průmyslový význam ve srovnání s běžnou dávkovou konstrukcí.
Studie dále dochází k závěru, že ultrazvuk je užitečným nástrojem v průmyslovém měřítku při zpracování koncentrátů rostlinných bílkovin. Zdůrazňuje lepší redukci velikosti částic, lepší stabilitu suspenze a důležitost kontinuální sonikace v konfiguracích průtokových buněk pro efektivitu a rozšiřování procesu.

Příklad: Sonikací zlepšená funkčnost hrachového proteinu

Ultrazvukové zpracování nabízí několik jasných výhod pro systémy hrachových bílkovin: zlepšuje dispergovatelnost a rozpustnost tím, že rozbíjí agregáty a zmenšuje velikost částic, což může posílit funkční vlastnosti potravin, aniž by se poškodila stravitelnost nebo biologická přístupnost bílkovin. Ve formulacích obsahujících vlákninu může ultrazvuk také podpořit užitečnou tvorbu sítě bílkovin a vlákniny a v závislosti na typu vlákniny zvýšit viskozitu a schopnost vytvářet texturu. V alternativách fermentovaných jogurtů z hrachových bílkovin ultrazvuk dále zlepšil kvalitu výrobku tím, že snížil obsah klíčových nearomatických sloučenin, jako je hexanal a 2-pentylfuran, a zároveň zvýšil obsah žádoucích aromatických sloučenin podobných jogurtu, jako je diacetyl a acetoin, což z něj činí slibný nástroj pro čistou značku jak z hlediska funkčnosti, tak z hlediska senzorického zlepšení.
(srov. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

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

Příklad: Výhody konopného proteinu ošetřeného ultrazvukem

Ultrazvuková extrakce konopného proteinu nabízí několik významných výhod, zejména pro zhodnocení odtučněného odpadu z konopných semen na hodnotnější složky. V nahrané studii zlepšila extrakce ultrazvukem celkovou výtěžnost a čistotu bílkovin ve srovnání s konvenční extrakcí, přičemž nejlepší kombinovaný proces dosáhl přibližně 62% výtěžnosti bílkovin a přibližně 76% čistoty ve spojení s předúpravou HPP. Zlepšila také extrakci aminokyselin napříč izoláty, což naznačuje lepší nutriční výtěžnost, a zároveň se vyhnula významnému viditelnému poškození struktury proteinových pásů na SDS-PAGE. Celkově tato zjištění podporují ultrazvuk jako ekologičtější a účinnější přístup k extrakci, který může zkrátit intenzitu zpracování a pomoci přeměnit vedlejší produkty z konopí na užitečné potravinářské a nutraceutické proteinové složky.
(srov. Cabral et al. 2023)

Příklad: Extrakce bílkovinného hydrolyzátu z rýžových otrub ultrazvukem

Extrakce hydrolyzátu rýžových bílkovin ultrazvukem nabízí jasné funkční výhody, protože ultrazvuk zlepšuje uvolňování bílkovin z rýžových otrub narušením buněčných struktur a zlepšením přenosu hmoty, takže extrakce je účinnější než konvenční přístupy. V této studii byla extrakce úspěšně optimalizována při poměru pevná látka/kapalina 0,43, amplitudě 48,25 % a 29,89 minutách a ultrazvukem asistovaná enzymatická hydrolýza rovněž podpořila tvorbu hydrolyzátů se silnou bioaktivitou, včetně vysoké ACE-inhibiční aktivity a antioxidačního potenciálu. Autoři došli k závěru, že ultrazvuk je účinnou technikou nejen pro extrakci bílkovin, ale také pro urychlení enzymatické hydrolýzy, což pomáhá přeměnit rýžové otruby na bioaktivní bílkovinné složky s vyšší hodnotou.
(srov. Hayta et al., 2020)

Výhody pro výrobce potravin a doplňků stravy

• Lepší kvalita výrobků
  Sonikace může podpořit hladší texturu a chuť v ústech u tekutých proteinových výrobků, lepší homogenitu suspenzí a premixů, méně viditelnou sedimentaci u proteinových nápojů a konzistentnější funkční vlastnosti u různých šarží.
• Efektivnější zpracování
  Ultrazvuk může zintenzivnit zpracování tím, že urychlí dispergaci a hydrataci a umožní kontinuální inline zpracování. Studie ovesných bílkovin uvádí, že konstrukce průtočné buňky umožňuje vyšší hustotu navzdory vysokému hmotnostnímu průtoku, a proto může podporovat vyšší účinnost a větší průmyslový význam než běžná dávková konstrukce.
• Větší flexibilita složení
  Sonikace je užitečná pro náročné receptury rostlinných bílkovin, vysokoproteinové nápoje RTD, doplňky stravy a procesy předcházející homogenizaci, hydrolýze nebo sušení. Článek poukazuje na význam pro rostlinné nápoje, kaše a následné kroky hydrolýzy.
• Lepší potenciál pro rozšíření
  Definované parametry sonikace, jako je amplituda, intenzita, hustota energie, doba setrvání a protitlak, podporují přenos procesu z laboratorní práce do pilotní a průmyslové výroby. Nahrazená studie klade zvláštní důraz na tyto parametry pro návrh škálovatelného kontinuálního zpracování.

Proč používání sonických přístrojů Hielscher přináší výhody

Sonikátory Hielscher jsou atraktivní pro zpracování bílkovin, protože umožňují řízené a reprodukovatelné ultrazvukové ošetření. Pro výrobce je skutečnou výhodou nejen generování kavitace, ale také její generování za definovaných a škálovatelných podmínek.

• Řízené parametry sonikace
  Systémy Hielscher použité ve studii umožnily výzkumníkům pracovat s definovanými amplitudami, intenzitami a hustotami energie jak v dávkovém režimu, tak v režimu průtokových buněk. To podporuje systematický vývoj a rozšiřování procesu.
• Možnost dávkování a průtokové buňky
  Výrobci mohou vyhodnotit sonikaci v dávce a poté přejít na kontinuální inline zpracování. Nahrazený článek ukazuje, že kontinuální sonikace v průtočném článku může překonat dávkové zpracování z hlediska stability suspenze a průmyslového významu.
• Návrh procesu pro průmyslovou výkonnost
  Studie ukazuje, že protitlak, doba zdržení a hmotnostní průtok jsou důležité proměnné při kontinuální sonikaci. To má význam pro výrobce, protože se tak ultrazvuková úprava stává skutečným nástrojem procesního inženýrství, a nikoli pouze laboratorní technikou.
• Podpora pro obtížné proteinové systémy
  Článek zdůrazňuje, že pro suspenze na rostlinné bázi má velký význam přizpůsobení vlastností produktu, jako je velikost částic, stabilita suspenze, rozpustnost a viskozita. Upozorňuje také, že sonikátory potřebují malé rozměry, zvládnou vysoké koncentrace pevných látek a nabízejí jedinečnou kombinaci fyzikálních a chemických účinků.

 
Typické aplikace
Ultrazvukové zpracování bílkovin je důležité pro

• nápoje z rostlinných bílkovin na bázi ovsa, hrachu, sóji, rýže, fazolí faba nebo jejich směsí;
• mléčné a nemléčné nápoje obohacené bílkovinami;
• výživové doplňky v suspenzi a tekuté injekce;
• bílkovinné disperze před homogenizací nebo emulgací;
• a premixy pro sušení rozprašováním nebo další funkcionalizaci.

Ultrazvuk jako škálovatelná technologie zpracování bílkovin

Sonikace pomáhá výrobcům potravin a doplňků stravy zlepšit funkčnost bílkovin tam, kde běžné míchání často naráží na své limity. Zintenzivněním dispergace, snížením velikosti částic, zvýšením rozpuštěných bílkovinných frakcí a stabilizací suspenzí může ultrazvuk přinést měřitelné výhody v oblasti kvality výrobků a účinnosti procesů. Nahraná studie podporuje toto stanovisko pro ovesné proteinové koncentráty a naznačuje, že kontinuální sonikace průtokových buněk je pro průmyslové zpracování obzvláště slibná.
Sonikátory Hielscher představují praktickou cestu od laboratorní proveditelnosti k průmyslové realizaci. Jejich použití v publikovaných pracích o zpracování bílkovin, včetně nahrané studie ovesných bílkovin, ukazuje, jak lze ultrazvukovou úpravu rozvinout do řízeného a škálovatelného výrobního kroku pro výrobce potravin a doplňků stravy.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference