Ultraschallbehandlung zur Saftkonservierung und Erhöhung des Nährstoffgehalts

In der modernen Lebensmittelverarbeitung ist es eine zentrale Herausforderung, die Frische zu erhalten und gleichzeitig den Nährwert zu steigern. Die Hochleistungs-Ultraschallbehandlung – mit sonotrodenbasierten Ultraschallgeräten – hat sich als leistungsfähiges nichtthermisches Verarbeitungsverfahren etabliert. Dieser Artikel stellt Ergebnisse einer wissenschaftlichen Studie vor, die untersucht, wie Ultraschallprozessoren von Hielscher das Nährstoffprofil von mit Stevia rebaudiana gesüßtem Erdbeersaft verbessern.

Zentrale Erkenntnisse: Die Ultraschallbehandlung erhöht den Gehalt an phenolischen Verbindungen und Flavonoiden sowie die antioxidative Kapazität – unter skalierbaren Bedingungen, die für den industriellen Einsatz geeignet sind.

Warum Wärme durch Ultraschall ersetzen?

Die herkömmliche Pasteurisierung kann thermolabile Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide abbauen. Die Ultraschallbehandlung hingegen ist ein nichtthermisches Verarbeitungsverfahren, das akustische Kavitation nutzt, um den Zellaufschluss und die molekulare Diffusion zu verbessern, ohne wärmebedingte Schäden zu verursachen.

Eine aktuelle, von Fachkollegen begutachtete Studie von Šic Žlabur et al. (2019), die in der Zeitschrift „Molecules“ veröffentlicht wurde, liefert belastbare Belege für die Wirksamkeit von hochintensivem Ultraschall bei der Behandlung von mit Stevia rebaudiana gesüßtem Erdbeersaft unter Verwendung des Ultraschallgeräts UP400St von Hielscher. Die Ergebnisse haben erhebliche Bedeutung für die industrielle Saftverarbeitung, da sich die Versuchsbedingungen mit den verwendeten Ultraschallsystemen von Hielscher linear skalieren lassen.

Vorteile der Saftverarbeitung mit Ultraschall:

• Verbesserte Extraktion bioaktiver Verbindungen
• Erhalt von Geschmack und Farbe
• Verringerung der mikrobiellen Belastung
• Skalierbar und energieeffizient
• Clean-Label-Verfahren ohne Zusatzstoffe

Der Versuchsaufbau: Ultraschallbehandlung von Saft

In der Studie wurde ein Ultraschallprozessor UP400St von Hielscher (400 W, 24 kHz) eingesetzt, um Erdbeersaft in Gegenwart von grünem Steviapulver zu behandeln.
Die Forschenden untersuchten die Auswirkungen der sonotrodenbasierten Ultraschallbehandlung bei verschiedenen Amplituden (50%, 75%, 100%), Sonotrodendurchmessern (Sonotrode S24d7 mit 7 mm und S24d22 mit 22 mm Spitzendurchmesser) und Beschallungszeiten (15, 20 und 25 Minuten). Unter allen getesteten Bedingungen lieferte die intensivste Behandlung – 100% Amplitude, eine Sonotrode mit 22 mm Durchmesser und 25 Minuten Beschallungszeit – die deutlichsten Ergebnisse.

Ergebnisübersicht – Saftverarbeitung mit Ultraschall

Erhöhter Gesamtphenolgehalt (TPC)

Ultraschallbehandelte Säfte wiesen einen um bis zu 23% höheren TPC auf als mild ultraschallbehandelte Säfte und einen um 18% höheren TPC als nicht ultraschallbehandelte Säfte mit Stevia.

C18: Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode mit 22 mm Durchmesser bei 100% Amplitude für 25 Minuten
Tabelle: Einfluss der Ultraschallbehandlung auf den Phenolgehalt und die antioxidative Aktivität

 
Der Gesamtphenolgehalt (TPC) stieg gegenüber der mildesten Ultraschallbehandlung um 23% und gegenüber nicht ultraschallbehandelten Proben mit Stevia um 18%.
Zu den wichtigsten phenolischen Verbindungen, deren Gehalt zunahm, gehörten Luteolin, Apigenin, Quercetin, Myricetin und Kaempferol, wobei der Anstieg zwischen dem 3- und 7-Fachen lag.
Auch die antioxidative Kapazität (gemessen mit dem ABTS-Assay) nahm zu und zeigte damit den Anstieg bioaktiver Substanzen.

Phenolsäuren und Flavonoidprofil

Ultraschall ermöglichte eine bessere Extraktion von Phenolsäuren wie Pyrogallol und 4-Methylcatechol. Dabei erreichte der Pyrogallolgehalt im am intensivsten ultraschallbehandelten Saft nahezu 2 mg/g – mehr als das 3,5-Fache des Gehalts in entsprechenden nicht ultraschallbehandelten Säften.

Die Bildung von Hydroxylradikalen während der akustischen Kavitation trägt wahrscheinlich zu einer verstärkten Hydroxylierung und Freisetzung phenolischer Verbindungen bei, was mit früheren mechanistischen Studien zur Ultraschallextraktion übereinstimmt.

Verbesserte Süße mit funktionellen Vorteilen

Bemerkenswert ist, dass die Studie Steviolglykoside untersuchte, insbesondere Steviosid und Rebaudiosid A (Reb A) – die wichtigsten Süßstoffe in Stevia rebaudiana. Die Ultraschallbehandlung erhöhte ihre Konzentrationen deutlich:

• Der Steviosidgehalt stieg um 61%.
• Der Reb-A-Gehalt verdoppelte sich (+114%).

Diese Steigerung ist nicht nur hinsichtlich der Süße vorteilhaft, sondern auch aus sensorischer und metabolischer Sicht. Höhere Reb-A-Gehalte verbessern den Geschmack, indem sie die häufig mit Steviosid verbundene Bitterkeit verringern.

Saftverarbeitung mit Ultraschall: Industrielle Bedeutung und Skalierbarkeit

Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine präzise Kontrolle aller wichtigen Prozessparameter. Dadurch lassen sich sämtliche Ergebnisse linear skalieren, da die Bauweise der Ultraschallprozessoren von Hielscher bei der Maßstabsvergrößerung eine konstante Energieintensität gewährleistet. Dies macht den Übergang von Tischgeräten zu kontinuierlich arbeitenden industriellen Systemen sowohl technisch realisierbar als auch wirtschaftlich attraktiv.

Diese Studie ergänzt die wachsende Zahl von Belegen, die hochintensiven Ultraschall als nachhaltiges, nichtthermisches Verarbeitungsverfahren unterstützen. Die beobachteten kombinierten Vorteile – erhöhter Nährstoffgehalt, verbesserte antioxidative Kapazität und optimierte sensorische Eigenschaften – unterstreichen seinen Wert für die Entwicklung funktioneller Getränke.

Was bedeutet das also für die Industrie?
Mit skalierbaren Technologieplattformen wie denen von Hielscher können Safthersteller die Ultraschallbehandlung nun nicht nur als Alternative, sondern als Verbesserung betrachten – sowohl für die Produktqualität als auch für die Gesundheit der Verbraucher.

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

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

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

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