Ultraschall zur Haltbarmachung und Nährstoffverbesserung in Säften

In der modernen Lebensmittelverarbeitung gehört Haltbarkeitsmachung bei gleichzeitiger Verbesserung der Nährwerte zu den zentrale Herausforderungen. Hochleistungs-Ultraschall hat sich als leistungsstarke nicht-thermische Verarbeitungsmethode durchgesetzt. In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer wissenschaftlichen Studie vorgestellt, in der untersucht wurde, wie das Nährwertprofil von Erdbeersaft, der mit Stevia rebaudiana gesüßt wurde, mithilfe von Hielscher Ultraschallprozessoren verbessert wird.

Kurz und knapp: Ultraschall erhöht den Phenolgehalt, den Flavonoidgehalt und die antioxidative Kapazität. Die Prozessparameter für die Ultraschallbehandlung sind linear skalierbar und eignen sich für den industriellen Einsatz.

Warum Hitzebehandlung durch Ultraschall ersetzen?

Die herkömmliche Pasteurisierung kann thermolabile Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide abbauen. Die Ultraschallbehandlung hingegen ist eine nicht-thermische Verarbeitungstechnik, bei der akustische Kavitation eingesetzt wird, um den Zellaufschluss und die molekulare Diffusion ohne Hitzeschäden zu verbessern.

Eine aktuelle, von Experten begutachtete Studie von Šic Žlabur et al. (2019), die in der Zeitschrift „Molecules“ veröffentlicht wurde, liefert robuste Beweise für die Wirksamkeit von intensivem Ultraschall zur Behandlung von mit Stevia rebaudiana gesüßtem Erdbeersaft. Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die industrielle Saftverarbeitung, da die Versuchsbedingungen mit den verwendeten Hielscher Ultraschallsystemen linear skalierbar sind.

Vorteile der Saftverarbeitung mit Ultraschall:

• Verbesserte Extraktion von bioaktiven Substanzen
• Bewahrung von Geschmack und Farbe
• Verringerung der mikrobiellen Belastung
• Skalierbar und energieeffizient
• Clean-Label, frei von Zusatzstoffen

Der Versuchsaufbau: Saftbeschallung

In der Studie wurde ein Hielscher UP400St Sonicator (400 W, 24 kHz) zur Behandlung von Stevia-gesüßtem Erdbeersaft eingesetzt.
Die Forscher untersuchten die Auswirkungen der Beschallung mit verschiedenen Amplituden (50 %, 75 %, 100 %), verschiedenen Sonotrodendurchmessern (Sonotrode S24d7 mit 7 mm und S24d22 mit 22 mm Spitzengröße) und Beschallungszeiten (15, 20 und 25 Minuten). Von allen getesteten Bedingungen führte die intensivste Behandlung - 100 % Amplitude mit der 22mm-Sonotrode für 25 Minuten - zu den deutlichsten Ergebnissen.

Überblick über die Ergebnisse – Saftverarbeitung mit Ultraschall

Erhöhter Gesamtphenolgehalt (TPC)

Mit Ultraschall behandelte Säfte wiesen einen um bis zu 23 % höheren TPC-Wert auf als mit mildem Ultraschall behandelte Säfte und einen um 18 % höheren Wert als nicht mit Ultraschall behandelte Säfte mit Stevia.

C18: Beschallung mit 22mm-Sonotrode, 100 % Amplitude, 25 Minuten
Tabelle: Effekt der Ultraschallbehandlung auf den Phenolgehalt und die antioxidative Aktivität

 
Der Gesamtphenolgehalt (TPC) stieg im Vergleich zur mildesten Beschallung um 23% und im Vergleich zu nicht-beschallten Proben mit Stevia um 18%.
Zu den wichtigsten Phenolen, die verbessert wurden, gehörten Luteolin, Apigenin, Quercetin, Myricetin und Kaempferol, wobei der Anstieg zwischen dem 3- und 7-fachen lag.
Die antioxidative Kapazität (mittels ABTS-Assay) nahm ebenfalls zu, was den Anstieg der bioaktiven Substanzen belegt.

Phenolsäuren und Flavonoidprofil

Ultraschall ermöglichte eine überlegene Extraktion von Phenolsäuren wie Pyrogallol und 4-Methyl-Catechol, wobei Pyrogallol im am stärksten beschallten Saft fast 2 mg/g erreichte - mehr als das 3,5-fache des Wertes in nicht-beschallten Säften.

Die Bildung von Hydroxylradikalen während der akustischen Kavitation trägt wahrscheinlich zur verstärkten Hydroxylierung und Freisetzung von Polyphenolverbindungen bei, was bereits in früheren Studien zur Ultraschallextraktion dargelegt wurde.

Verbesserte Süße

In der Studie wurden vor allem Steviolglykoside untersucht, insbesondere Steviosid und Rebaudiosid A (Reb A) - die wichtigsten Süßstoffe in Stevia rebaudiana. Durch die Beschallung wurden ihre Konzentrationen deutlich erhöht:

• Der Steviosidgehalt stieg um 61%.
• Der Gehalt an Reb A hat sich verdoppelt (+114%).

Diese Verbesserung ist nicht nur in Hinsicht auf die Süße von Vorteil, sondern auch aus sensorischer und metabolischer Sicht. Ein höherer Reb A-Gehalt verbessert die Schmackhaftigkeit, indem er die Bitterkeit reduziert, die oft mit Steviosid assoziiert wird.

Verarbeitung von Saft mit Ultraschall: Industrielle Relevanz und Skalierbarkeit

Hielscher-Sonicatoren ermöglichen eine präzise Kontrolle aller wichtigen Prozessparameter. Dabei sind alle Ergebnisse linear skalierbar, da die Hielscher-Ultraschallprozessoren so konzipiert sind, dass die Energieintensität beim Scale-up konstant bleibt. Dies macht den Übergang von Tischgeräten zu kontinuierlichen industriellen Systemen sowohl technisch machbar als auch wirtschaftlich attraktiv.

Diese Studie trägt zu einer wachsenden Zahl von Belegen bei, die hochintensiven Ultraschall als nachhaltige, nicht-thermische Verarbeitungsmethode unterstützen. Die beobachteten kombinierten Vorteile - Verbesserung der Nährstoffe, verbesserte antioxidative Kapazität und optimierte sensorische Eigenschaften - unterstreichen den Wert dieser Methode für die Entwicklung funktioneller Getränke.

Was bedeutet das nun für die Industrie?
Mit skalierbaren Technologieplattformen wie der von Hielscher können Saftproduzenten die Beschallung jetzt nicht nur als Alternative, sondern als Upgrade betrachten - sowohl für die Produktqualität als auch für die Gesundheit der Verbraucher.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.