Ultraschall in der Lebensmittelindustrie

Leistungsultraschall wird für zahlreiche Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt, darunter Extraktion, Homogenisierung, Pasteurisierung und Fermentation. Als nichtthermische Behandlung verbessert die Ultraschallbehandlung die Prozesse der Lebensmittelherstellung durch höhere Ausbeuten, höhere Qualität, verbesserte Nährstoff- und Geschmacksprofile sowie eine zeit- und kostensparende Verarbeitung.

Ultraschallanwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Leistungsultraschall bietet ein breites Anwendungsspektrum in der Lebensmittelverarbeitung, darunter Extraktion, Mischen, Emulgieren, Pasteurisieren, Entgasen und das Zartmachen von Fleisch. Neben diesen Hauptanwendungen wird Leistungsultraschall auch eingesetzt, um das Gefrieren, Auftauen und Trocknen von Lebensmitteln zu verbessern.
Die wesentlichen Vorteile von Ultraschall hoher Intensität liegen in der Verbesserung verschiedener Vorgänge der Lebensmittelverarbeitung, etwa durch kürzere Verarbeitungszeiten, höhere Ausbeuten und eine bessere Produktqualität. Dadurch wird eine zeit- und kostensparendere, wirtschaftlichere Verarbeitung ermöglicht.

Im folgenden Abschnitt finden Sie die wichtigsten Anwendungen von Ultraschall hoher Intensität in der Lebensmittelindustrie:

• Extraktion: Ultraschall kann eingesetzt werden, um bioaktive Verbindungen wie Antioxidantien, Pigmente und ätherische Öle aus pflanzlichen Materialien zu extrahieren. Dieses Verfahren ist als ultraschallgestützte Extraktion bekannt und ermöglicht die Herstellung hochwertiger Extrakte in kürzerer Zeit und mit geringerem Lösungsmittelverbrauch als herkömmliche Methoden.
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• Homogenisierung und Emulgierung: Die Ultraschallhomogenisierung kann zur Herstellung stabiler Emulsionen und Suspensionen wie Salatdressings, Mayonnaise, Cremes und Milchprodukte eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren werden hochfrequente Schallwellen eingesetzt, um die Fettkügelchen in der Flüssigkeit zu zerkleinern, wodurch eine glatte und gleichmäßige Textur entsteht.
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  Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung und ein Video zur ultraschallgestützten Emulgierung von Mayonnaise!
• Konservierung: Ultraschall hoher Intensität kann eingesetzt werden, um Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen in Lebensmitteln zu inaktivieren. Das als ultraschallgestützte Pasteurisierung bekannte Verfahren kann die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern und das Risiko lebensmittelbedingter Erkrankungen verringern. Als nichtthermisches Verarbeitungsverfahren vermeidet die Ultraschallbehandlung den Einsatz sehr hoher Temperaturen und verhindert dadurch den damit verbundenen Abbau hitzeempfindlicher Nährstoffe.
  Lesen Sie mehr über längere Haltbarkeit und den Erhalt von Nährstoffen durch Ultraschallbehandlung!

• Entgasung: Durch die Anwendung von Ultraschall auf eine Flüssigkeit werden darin eingeschlossene Gasblasen in Bewegung versetzt. Dadurch nähern sich diese Luft- und Gasblasen einander an und verschmelzen. Sie wachsen somit zu größeren Blasen heran, die zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen und leicht entfernt werden können.
• Lösen: Dank seiner hervorragenden Mischfähigkeiten ist Ultraschall äußerst wirksam bei der Herstellung hoch gesättigter und sogar übersättigter Lösungen. Dies wird sowohl bei Kristallisationsprozessen als auch bei der Herstellung von Salzlaken genutzt.
• Fermentation: Da Ultraschallwellen die Zellwände der Mikroorganismen perforieren und aufbrechen, werden die Mikroorganismen für den Fermentationsprozess empfänglicher. Gleichzeitig beschleunigt Ultraschall den Transport von Nährstoffen und Sauerstoff zu den Mikroorganismen und steigert dadurch deren Stoffwechselaktivität. Insgesamt erhöht die Ultraschallbehandlung die Fermentationsrate, verkürzt die Fermentationszeit und verbessert die Ausbeute des gewünschten Endprodukts. Diese Technologie ist besonders nützlich für die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken wie Milchprodukten, Joghurt, Bier, Kombucha und Wein.
• Viskositätsreduzierung vor der Sprühtrocknung: Ultraschall-Scherkräfte können die Viskosität scherverdünnender und thixotroper Suspensionen erheblich reduzieren. Durch ultraschallbedingte Scherverdünnung vor dem Versprühen und der Sprühtrocknung lässt sich der Durchsatz der Sprühanlagen deutlich erhöhen. Sprühtrocknungstürme sind häufig der Engpass in der Produktionslinie. Mit Ultraschall kann die Kapazität bestehender Sprühtrockner erhöht werden.

• Gefrieren: Ultraschallgestütztes Gefrieren kann eingesetzt werden, um die Bildung von Eiskristallen in Lebensmitteln während des Gefriervorgangs zu reduzieren. Bei diesem Verfahren werden die Lebensmittel während des Gefrierens hochfrequenten Schallwellen ausgesetzt. Ultraschallwellen erzeugen Schwingungen, die die Bildung großer Eiskristalle verhindern, wodurch ein Produkt mit einer glatteren Textur und besserer Qualität entsteht.
• Auftauen: Ultraschallgestütztes Auftauen kann eingesetzt werden, um die Auftauzeit gefrorener Lebensmittel zu verkürzen. Bei diesem Verfahren wird das gefrorene Produkt Ultraschallwellen ausgesetzt, die Wärme erzeugen und den Auftauvorgang beschleunigen. Da Ultraschall eine sehr gleichmäßige Energieverteilung fördert, kann ultraschallgestütztes Auftauen besonders nützlich für Produkte sein, die sich nur schwer gleichmäßig auftauen lassen, etwa Fleisch, Meeresfrüchte, Obst und Gemüse.
  Beim Gefrieren, Auftauen und Trocknen verbessert Leistungsultraschall die Stoff- und Energieübertragung erheblich, wodurch diese Prozesse beschleunigt und wirtschaftlicher werden.
• Leckerkennung bei Flaschen: Ultraschall ist eine sehr effiziente Methode, um Lecks und Risse in Flaschen und Dosen mit kohlensäurehaltigen Getränken wie Limonade, Bier, Sekt usw. zu erkennen. Ultraschall wird auch zur Entgasung kohlensäurehaltiger Getränke eingesetzt, beispielsweise bei Bier vor der Abfüllung. Dieses Verfahren wird als De-Fobbing bezeichnet.
• Einlegen in Salzlake / Einlegen: Das Einlegen in Salzlake ist ein gängiges Verfahren zur Konservierung und Herstellung von Lebensmitteln, insbesondere von Fleisch, Fisch, Käse und Gemüse. Die Ultraschallbehandlung verkürzt die Einlegezeit und ermöglicht die Verwendung geringerer Mengen an Natriumchlorid als bei herkömmlich in Salzlake eingelegten Lebensmitteln und anderen eingelegten Produkten.
• Hydratisierung / Rehydratisierung: Leistungsultraschall ist eine einfache, aber äußerst wirksame Methode zur Hydratisierung oder Rehydratisierung von Lebensmitteln wie getrockneten Hülsenfrüchten (z. B. Bohnen, Kichererbsen) oder getrockneten Pilzen. Da Ultraschall die Zellporen in Lebensmitteln öffnet, kann Wasser schnell eindringen. Dies führt zu einem beschleunigten Quellen der Hülsenfrüchte und anschließend zu einer kürzeren Kochzeit.
• Dekristallisation von Honig: Als nichtthermische Behandlung wird Ultraschall wirksam eingesetzt, um die Bildung großer Zuckerkristalle in Honig zu verhindern. Darüber hinaus können bereits gebildete große Kristalle im Honig durch Ultraschallbehandlung aufgelöst werden. Ultraschallgeräte mit Sonotrode lösen die Zuckerkristalle hochwirksam auf, wodurch ein gleichmäßig geschmeidiger Honig entsteht. Zusätzlich verbessert Ultraschall die mikrobiologische Qualität des Honigs, da unerwünschte Mikroorganismen durch die Wirkung des ultraschallbedingten Zellaufschlusses inaktiviert werden.
• Frittieren: Ultraschallgestütztes Frittieren kann eingesetzt werden, um die Ölaufnahme frittierter Lebensmittel zu reduzieren. Bei diesem Verfahren wird Fleisch oder Gemüse in heißes Öl eingetaucht und gleichzeitig hochfrequenten Schallwellen ausgesetzt. Die Ultraschallwellen erzeugen kleine Blasen auf der Oberfläche der Lebensmittel, die die Kontaktfläche zwischen Gemüse / Fleisch und Öl verringern. Dies führt zu einer geringeren Ölaufnahme und einem gesünderen Endprodukt. Ultraschallgestütztes Frittieren ermöglicht das Garen bei niedrigeren Temperaturen, wodurch bessere Geschmacksprofile entstehen und Nährstoffe erhalten bleiben.
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Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Lebensmittelverarbeitung

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die sich präzise steuern lassen und dadurch reproduzierbare Ergebnisse und eine gleichbleibende Produktqualität ermöglichen. Da sie sehr hohe Amplituden liefern können, lassen sich die Ultraschallprozessoren von Hielscher für sehr anspruchsvolle Anwendungen einsetzen.
Kunden schätzen die herausragende Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme von Hielscher Ultrasonics. Die Ultraschallgeräte von Hielscher arbeiten zuverlässig im harten Einsatz, in anspruchsvollen Umgebungen und im 24/7-Betrieb und gewährleisten dadurch eine effiziente und wirtschaftliche Lebensmittelverarbeitung. Die ultraschallgestützte Prozessintensivierung verkürzt die Verarbeitungszeit und erzielt bessere Ergebnisse, d. h. höhere Qualität, höhere Ausbeuten und neuartige Produkte.
Durch den konsequenten Einsatz spezieller Materialien wie Titan, Edelstahl, Keramik oder Glas verschiedener Güteklassen wird die Kompatibilität der Technik mit dem jeweiligen Prozess gewährleistet.
Ultraschallprozessoren sind bedienerfreundliche und komfortable Maschinen mit geringem Wartungsaufwand und vergleichsweise niedrigen Kosten.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen bewältigen die Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungs-Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Wissenswertes

Wie funktioniert Ultraschall in der Lebensmittelverarbeitung?

Die ultraschallgestützte Lebensmittelverarbeitung ist eine etablierte Technologie für Anwendungen wie Mischen und Homogenisieren, Emulgieren, Extrahieren, Lösen, Entgasen und Entlüften, das Zartmachen von Fleisch, Kristallisieren sowie die Funktionalisierung und Modifizierung von Zwischen- und Endprodukten der Lebensmittelherstellung. Die Ultraschallprozessoren von Hielscher werden seit Jahrzehnten in Lebensmittelproduktionsanlagen eingesetzt, sind technisch ausgereift und wurden entwickelt, um die Anforderungen der Industrie zu erfüllen. Ultraschallprozessoren nutzen die durch Leistungsultraschallwellen erzeugten physikalischen Kräfte, wodurch Kavitation entsteht.

Welche Getränke werden üblicherweise mithilfe von Ultraschallbehandlung hergestellt?

Die Ultraschallbehandlung wird häufig zur Herstellung oder Verarbeitung von Getränken wie Cold-Brew-Kaffee, Tee (einschließlich Yerba Mate), Obst- und Gemüsesäften, pflanzlichen Aufgüssen, funktionellen Getränken (Kräuterextrakten), pflanzlichen Milchalternativen, fermentierten Getränken (zur Prozessintensivierung) und Getränkekonzentraten für die Herstellung trinkfertiger Getränke (RTD) eingesetzt.
Weitere Informationen zur Herstellung der folgenden Getränke finden Sie hier:

• Kaffee / Rohkaffee
• Teeaufgüsse
• Yerba Mate
• Säfte
• Smoothies
• Kombucha
• Nussmilch

Was ist akustische Kavitation?

Akustische Kavitation, auch als Ultraschallkavitation bezeichnet, ist das Wachstum und der Kollaps winziger Vakuumblasen in einem Ultraschallfeld, das in Flüssigkeiten oder Suspensionen erzeugt wird. Die Kavitationsblasen wachsen während der abwechselnden Hochdruck- / Niederdruckzyklen, die jeweils Kompressions- und Verdünnungsphasen entsprechen. Nach dem Wachstum über mehrere wechselnde Druckzyklen erreicht die Vakuumblase einen Punkt, an dem sie keine weitere Energie aufnehmen kann, sodass sie während eines Hochdruckzyklus heftig implodiert. Beim Kollaps der Blase treten lokal extreme Bedingungen auf, darunter extreme Temperaturen von bis zu 5.000K mit sehr hohen Aufheiz- und Abkühlraten, Drücke von bis zu 2000atm und entsprechende Druckdifferenzen sowie Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s. In diesen durch Kavitation erzeugten „Hotspots“ schaffen lokal extreme Kräfte physikalische Bedingungen, die zu Vermischung, Extraktion und verstärktem Stofftransport führen.

Akustische Kavitation, die durch Ultraschall hoher Intensität und niedriger Frequenz erzeugt wird, verursacht starke Scherkräfte sowie lokal auftretende hohe Druck- und Temperaturdifferenzen. Diese liefern die erforderliche Wirkung für intensives Mischen und intensiven Stofftransport. Diese Ultraschall-Scherkräfte werden erfolgreich in der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt.

Literatur / Quellen

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