Ultralydsbehandling af proteiner til fødevarer og kosttilskud

Sonikering er en effektiv procesteknologi til at forbedre funktionaliteten, dispergerbarheden, opløseligheden og stabiliteten af proteiner, der anvendes i fødevarer og kosttilskud. Fra planteproteiner såsom havre-, ærte-, soja-, hamp- og risproteiner til mælkeproteiner og blandede formuleringer hjælper ultralyd med høj intensitet producenter med at optimere proteinsystemer, så de bliver lettere at forarbejde og giver forbedrede produktegenskaber.

Ved proteinforarbejdning er ultralyd mere end et hjælpemiddel til blanding. Korrekt kontrolleret sonikering kan reducere partikelstørrelsen, forbedre hydrering og dispergering, øge den opløste proteinfraktion og forbedre suspensioners stabilitet. Disse virkninger er særligt relevante for drikkeklare drikkevarer, proteinkoncentrater, berigede fødevarer og kosttilskudsformuleringer i pulverform. I et studie offentliggjort i 2025 (Höhme-Matthes et al.), som undersøgte ultralydsbehandling af havreprotein, øgede sonikering den opløste mængde havreproteinkoncentrat og reducerede suspensionens ustabilitet, efterhånden som energitætheden steg.

Hvorfor ultralydsbehandling af proteiner er vigtig

Producenter af fødevarer og kosttilskud står ofte over for udfordringer såsom dårlig befugtning, ufuldstændig hydrering, sedimentation, høj viskositet, ustabile suspensioner og uensartet funktionalitet. Disse problemer bliver endnu vigtigere i proteinrige, plantebaserede formuleringer og clean label-formuleringer.
Lavfrekvent ultralyd med høj intensitet frembringer akustisk kavitation i væsker. Implosionen af mikroskopiske bobler skaber lokale forskydningskræfter, turbulens og mikroblanding. I proteinsystemer kan disse virkninger bryde agglomerater op, reducere partikelstørrelsen, forbedre masseoverførslen og ændre den fysiske organisering af proteinrige suspensioner. Resultatet er et proteinsystem, som er lettere at forarbejde og ofte fungerer bedre i det færdige produkt.

Hvordan sonikering forbedrer proteinforarbejdning i fødevareindustrien

• Forbedret dispergering og hydrering
  Proteinpulvere hydreres ofte ujævnt og danner agglomerater. Sonikering hjælper med at bryde partikelagglomerater op og fremmer mere ensartet befugtning, hvilket kan forkorte hydreringstiden og forbedre den efterfølgende håndtering.
• Reduktion af partikelstørrelsen
  Reduceret partikelstørrelse er ofte forbundet med en mere glat mundfølelse, forbedrede suspensionsegenskaber og bedre adgang for vand til proteinoverflader. Artiklen om havreprotein konkluderer specifikt, at ultralyd er nyttig til forarbejdning af planteproteiner i industriel skala med hensyn til reduktion af partikelstørrelsen.
• Højere proteinopløselighed
  Sonikering kan øge den opløste proteinfraktion og forbedre den tilsyneladende opløselighed i vanskelige systemer. I studiet om havreprotein rapporterer forfatterne, at sonikering øgede den opløste mængde havreproteinkoncentrat, og at opløseligheden allerede var omkring tre gange højere ved en energitæthed på 200 J/mL.
• Forbedret suspensionsstabilitet
  Ved at forbedre dispergeringen og reducere uopløste partikelfraktioner hjælper ultralyd med at reducere sedimentation og faseadskillelse. Den uploadede artikel rapporterer, at sonikering reducerede ustabiliteten af suspensioner af havreproteinkoncentrat, og at kontinuerlig behandling i en flowcelle forbedrede suspensionsstabiliteten betydeligt ved samme energitæthed.

Eksempel: Forarbejdning af havreprotein med sonikeringsapparater fra Hielscher

Et studie fra 2025 om forarbejdning af havreproteinkoncentrat karakteriserede både batchsonikering og sonikering i flowceller ved hjælp af udstyr fra Hielscher. Forskerne anvendte en Hielscher UIP1500hdT og en Hielscher UP200St i deres forsøg. De fandt, at sonikering øgede den opløste mængde havreproteinkoncentrat, samtidig med at suspensionens ustabilitet faldt med stigende energitæthed. De fandt også, at sonikering i flowceller muliggjorde højere gennemløbskapacitet og var industrielt relevant sammenlignet med et almindeligt batchdesign.
Studiet konkluderer desuden, at ultralyd er et nyttigt værktøj i procesanvendelser i industriel skala til planteproteinkoncentrater. Det fremhæver forbedret reduktion af partikelstørrelsen, bedre suspensionsstabilitet og betydningen af kontinuerlig sonikering i flowcellekonfigurationer for proceseffektivitet og opskalering.

Eksempel: Forbedret funktionalitet af ærteprotein ved sonikering

Ultralydsbehandling giver flere klare fordele for ærteproteinsystemer: Den forbedrer dispergerbarheden og opløseligheden ved at nedbryde aggregater og reducere partikelstørrelsen, hvilket kan styrke de funktionelle egenskaber i fødevarer uden at forringe proteinets fordøjelighed eller biotilgængelighed. I fiberholdige formuleringer kan ultralyd også fremme nyttig dannelse af protein–fibernetværk og, afhængigt af fibertypen, øge viskositeten og evnen til at danne tekstur. I fermenterede yoghurtalternativer baseret på ærteprotein forbedrede ultralyd desuden produktkvaliteten ved at reducere væsentlige forbindelser, der giver uønsket smag og aroma, såsom hexanal og 2-pentylfuran, samtidig med at mængden af ønskede yoghurtlignende aromaforbindelser såsom diacetyl og acetoin steg. Det gør ultralyd til et lovende clean label-værktøj til forbedring af både funktionalitet og sensoriske egenskaber.
(jf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM-billeder (400x og 2000x forstørrelse, skalabjælke: 10 µm) af ubehandlede (UT) og
ultralydsbehandlede (T) ærteproteinprøver (PP).
Studie og billede: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Eksempel: Fordele ved ultralydsbehandlet hampprotein

Ultralydsekstraktion af hampprotein giver flere bemærkelsesværdige fordele, især ved opgradering af affedtet hampefrøaffald til ingredienser med højere værdi. I det uploadede studie forbedrede ultralydsassisteret ekstraktion den samlede proteingenvinding og renhed sammenlignet med konventionel ekstraktion, og den bedste kombinerede proces opnåede omkring 62% proteingenvinding og omkring 76% renhed, når den blev kombineret med en HPP-forbehandling. Den forbedrede også ekstraktionen af aminosyrer i alle isolaterne, hvilket tyder på et bedre ernæringsmæssigt udbytte, samtidig med at større synlige skader på proteinbåndmønstrene ved SDS-PAGE blev undgået. Samlet set understøtter resultaterne ultralyd som en mere miljøvenlig og effektiv ekstraktionsmetode, der kan reducere forarbejdningsintensiteten og hjælpe med at omdanne hampbiprodukter til nyttige proteiningredienser til fødevarer og nutraceutiske produkter.
(jf. Cabral et al. 2023)

Eksempel: Ultralydsekstraktion af proteinhydrolysat fra risklid

Ultralydsekstraktion af risproteinhydrolysat giver klare funktionelle fordele, fordi ultralyd forbedrer frigivelsen af protein fra risklid ved at bryde cellestrukturer op og forbedre masseoverførslen, hvilket gør ekstraktionen mere effektiv end konventionelle metoder. I studiet blev ekstraktionen med succes optimeret ved et faststof/væske-forhold på 0,43, en amplitude på 48,25% og 29,89 minutter, og ultralydsassisteret enzymatisk hydrolyse understøttede også dannelsen af hydrolysater med stærk bioaktivitet, herunder høj ACE-hæmmende aktivitet og antioxidantpotentiale. Forfatterne konkluderer, at ultralyd er en effektiv teknik ikke kun til proteinekstraktion, men også til at accelerere enzymatisk hydrolyse, og dermed hjælper med at omdanne risklid til bioaktive proteiningredienser med højere værdi.
(jf. Hayta et al., 2020)

Fordele for producenter af fødevarer og kosttilskud

• Bedre produktkvalitet
  Sonikering kan understøtte en mere glat tekstur og mundfølelse i flydende proteinprodukter, forbedret homogenitet i suspensioner og forblandinger, mindre synlig sedimentation i proteindrikke og mere ensartede funktionelle egenskaber på tværs af batcher.
• Mere effektiv forarbejdning
  Ultralyd kan intensivere forarbejdningen ved at accelerere dispergering og hydrering og ved at muliggøre kontinuerlig inlinebehandling. Studiet om havreprotein rapporterer, at flowcelledesignet muliggør højere tætheder trods høj massegennemløbskapacitet og derfor kan understøtte højere effektivitet og større industriel relevans end et almindeligt batchdesign.
• Større fleksibilitet i formuleringen
  Sonikering er nyttig til udfordrende planteproteinformuleringer, proteinrige drikkeklare drikkevarer, baser til kosttilskud og processer forud for homogenisering, hydrolyse eller tørring. Artiklen fremhæver relevansen for plantebaserede drikke, opslæmninger og efterfølgende hydrolysetrin.
• Bedre opskaleringspotentiale
  Definerede sonikeringsparametre såsom amplitude, intensitet, energitæthed, opholdstid og modtryk understøtter overførsel af processen fra laboratoriearbejde til pilotproduktion og industriel produktion. Det uploadede studie lægger særlig vægt på disse parametre ved udformning af skalerbar kontinuerlig forarbejdning.

Hvorfor brugen af sonikeringsapparater fra Hielscher giver fordele

Sonikeringsapparater fra Hielscher er attraktive til proteinforarbejdning, fordi de muliggør kontrolleret og reproducerbar ultralydsbehandling. For producenter er den egentlige fordel ikke blot at frembringe kavitation, men at frembringe den under definerede og skalerbare betingelser.

• Kontrollerede sonikeringsparametre
  De systemer fra Hielscher, der blev anvendt i studiet, gjorde det muligt for forskerne at arbejde med definerede amplituder, intensiteter og energitætheder i både batch- og flowcelledrift. Dette understøtter systematisk procesudvikling og opskalering.
• Mulighed for batch- og flowcelledrift
  Producenter kan evaluere sonikering i batch og derefter gå videre til kontinuerlig inlinebehandling. Den uploadede artikel viser, at kontinuerlig sonikering i flowceller kan overgå batchbehandling med hensyn til suspensionsstabilitet og industriel relevans.
• Procesdesign til industriel gennemløbskapacitet
  Studiet viser, at modtryk, opholdstid og masseflow er vigtige variabler ved kontinuerlig sonikering. Det er væsentligt for producenter, fordi det gør ultralydsbehandling til et egentligt procesteknisk værktøj frem for kun en laboratorieteknik.
• Understøttelse af vanskelige proteinsystemer
  Artiklen understreger, at tilpasning af produktegenskaber såsom partikelstørrelse, suspensionsstabilitet, opløselighed og viskositet er af stor betydning for plantebaserede suspensioner. Den bemærker også, at sonikeringsapparater kræver lidt gulvplads, kan håndtere høje faststofkoncentrationer og giver en unik kombination af fysiske og kemiske virkninger.

 
Typiske anvendelser
Ultralydsbehandling af proteiner er relevant for

• planteproteindrikke baseret på havre, ærter, soja, ris, hestebønner eller blandinger;
• proteinberigede mælkedrikke og drikke uden mælk;
• kosttilskudssuspensioner og flydende shots;
• proteindispersioner før homogenisering eller emulgering;
• og forblandinger til spraytørring eller yderligere funktionalisering.

Ultralyd som skalerbar teknologi til proteinforarbejdning

Sonikering hjælper producenter af fødevarer og kosttilskud med at forbedre proteiners funktionalitet, hvor konventionel blanding alene ofte når sine grænser. Ved at intensivere dispergeringen, reducere partikelstørrelsen, øge de opløste proteinfraktioner og stabilisere suspensioner kan ultralyd give målbare fordele i produktkvalitet og proceseffektivitet. Det uploadede studie understøtter dette for havreproteinkoncentrater og peger på, at kontinuerlig sonikering i flowceller er særligt lovende til industriel forarbejdning.
Sonikeringsapparater fra Hielscher giver en praktisk vej fra afprøvning af gennemførlighed i laboratoriet til industriel implementering. Deres anvendelse i offentliggjorte arbejder om proteinforarbejdning, herunder det uploadede studie om havreprotein, viser, hvordan ultralydsbehandling kan udvikles til et kontrolleret og skalerbart produktionstrin for producenter af fødevarer og kosttilskud.

Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer

• 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.