Höhere Effizienz und Qualität bei der Nussmilchproduktion mit Ultraschall

Nussmilch und pflanzliche Milchalternativen bilden ein wachsendes Lebensmittelsegment. Bei der Herstellung von Nussmilch und pflanzlichen Milchalternativen bieten Ultraschallextraktion und Ultraschallhomogenisierung erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Hochleistungsultraschall erhöht die Ausbeute, die Produktstabilität, den Nährstoffgehalt und die Gesamteffizienz der Verarbeitung.

Höhere Nussmilchausbeuten mit Leistungsultraschall

Die Ultraschallextraktion ist als zuverlässige und hocheffiziente Methode zur Steigerung der Ausbeute an pflanzlichen Ölen, Proteinen, Polysacchariden und Mikronährstoffen bekannt. Deshalb wird die Beschallung bei der Herstellung pflanzlicher Milchalternativen eingesetzt, z. B. aus Mandeln, Cashewkernen, Kokosnüssen, Haselnüssen, Erdnüssen, Sesam, Soja, Erdmandeln, Hafer, Reis, Hanf, Erbsen, Pistazien, Walnüssen, Amarant oder Quinoa. Die Rohstoffe für Nussmilch und andere pflanzliche Milchalternativen sind häufig teuer. Höhere Extraktionsausbeuten aus diesen Rohstoffen senken die Produktionskosten und verbessern die Produktionseffizienz.

Wie erhöht die Ultraschallextraktion die Ausbeute?

Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion ist die akustische Kavitation. Der extraktionsverstärkende Mechanismus von niederfrequentem Ultraschall hoher Intensität wird hauptsächlich auf das Phänomen der akustischen Kavitation zurückgeführt. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche des pflanzlichen Materials kollabieren, brechen Erosion und Sonoporation die Matrix der Pflanzenzellen auf – etwa in mazerierten Nüssen, Samen, Hülsenfrüchten und Blättern. Dadurch wird die Zellstruktur zerstört, und intrazelluläre Stoffe wie Proteine, Lipide, Polysaccharide, Fasern, Vitamine, Mineralstoffe und sekundäre Pflanzenstoffe werden freigesetzt. Der dadurch intensivierte Stofftransport erleichtert die Freisetzung von Molekülen wie Proteinen, Lipiden, Polysacchariden und sekundären Pflanzenstoffen.
Durch Ultraschall erzeugte Scherkräfte verbessern das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix des pflanzlichen Materials sowie die Durchlässigkeit der Zellmembranen. (Bitte beachten Sie, dass der Begriff Lösungsmittel hier im weiteren Sinne verwendet wird und jede Flüssigkeit einschließt, z. B. Wasser.) Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls bewirken die erhebliche Prozessintensivierung, die beim Einsatz der Ultraschallbehandlung zur Extraktion von Lebensmittelprodukten aus pflanzlichen Rohstoffen erreicht wird. Da die Ultraschallkavitation derart starke Kräfte erzeugt, ermöglicht sie einen hochwirksamen Zellaufschluss und eine intensive Durchmischung auf Makro- und Mikroebene. Darüber hinaus werden das Eindringen des Lösungsmittels, das Herauslösen bioaktiver Verbindungen und der Stofftransport deutlich verbessert. Dadurch ist die ultraschallgestützte Extraktion besonders wirksam und erzielt höhere Extraktionsausbeuten bei kurzer Prozessdauer.

Verbesserte Stabilität von Nussmilch durch Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung mit hoher Intensität und niedriger Frequenz ist eine wirksame und zuverlässige Methode zur Verbesserung der physikalischen Stabilität von Suspensionen sowie der mikrobiellen Stabilität von Lebensmitteln (z. B. Nussmilch und andere Milchalternativen).

Durch Ultraschall verbesserte physikochemische Stabilität von Nussmilch

Hochleistungsultraschall wird häufig zur Homogenisierung und Emulgierung von Lebensmitteln eingesetzt und ist ein hocheffizientes nichtthermisches Verfahren zur Herstellung besonders homogener und langfristig stabiler Lebensmittel. Die Ultraschallhomogenisierung reduziert den Durchmesser von Fetttröpfchen auf eine einheitliche, sehr geringe Größe und verteilt Feststoffpartikel wie Stärke, Zucker und Fasern gleichmäßig. Dadurch verbessert die Ultraschallhomogenisierung die physikochemische Stabilität von Nussmilch und anderen pflanzlichen Milchalternativen erheblich und verhindert eine unerwünschte Phasentrennung.
Lu et al. (2019) untersuchten die Auswirkungen einer Hochleistungs-Ultraschallbehandlung auf Kokosmilch. Die Beschallung reduzierte die Partikelgröße der Kokosmilch und homogenisierte die Verteilung der Tröpfchen und Feststoffe im System. Im Vergleich zu mechanisch emulgierter Kokosmilch zeigte die Ultraschallbehandlung einen signifikanten Einfluss auf die Gleichmäßigkeit des Emulsionssystems (p kleiner als 0,05). Zusätzlich wurde beobachtet, dass die Beschallung die Einkapselung von Amylose in das Enzym Amylase in der Grenzflächenschicht förderte.
Iswarin und Permadi (2012) untersuchten anhand verschiedener Kombinationen der Ultraschallintensität, wie sich die Ultraschallbehandlung auf den Tröpfchendurchmesser von Milchgetränken auf Kokosbasis auswirkt. Die Ultraschallverarbeitung reduzierte den Tröpfchendurchmesser, wobei die Größenreduktion mit höherer Ultraschallintensität zunahm.

Durch Ultraschall verbesserte mikrobielle Stabilität von Nussmilch

Die Ultraschallbehandlung reduziert nachweislich die mikrobielle Belastung von Milchprodukten, Fruchtsäften und anderen flüssigen Lebensmitteln. Deshalb wird die Ultraschallpasteurisierung auch zur Haltbarmachung von Milchalternativen eingesetzt, um die mikrobielle Stabilität von Nussmilch und anderen pflanzlichen Milchalternativen zu verbessern.
Iorio et al. (2019) untersuchten die ultraschallinduzierte Inaktivierung von Escherichia coli O157:H7 und Listeria monocytogenes in Mandelmilch. Sie konnten zeigen, dass die Ultraschallpasteurisierung subletale Schäden an den Krankheitserregern verursacht, was zu einer längeren Haltbarkeit führt. Beispielsweise reduzierte die Ultraschallpasteurisierung die Konzentration von E. coli O157:H7 signifikant von 5,12 auf 3,81 log CFU/mL und senkte die Wachstumsrate (µmax) von 1,19 auf 0,79 (log CFU/mL)/Tag.

Höherer Nährstoffgehalt durch Ultraschallextraktion bei der Nussmilchherstellung

Mikronährstoffe wie Vitamine, Polyphenole und Antioxidantien befinden sich in der Zellmatrix von Pflanzen. Um diese Mikronährstoffe effizient freizusetzen, sind ein vollständiger Zellaufschluss und eine intensive Durchmischung von Zellmaterial und Lösungsmittel auf Mikroebene erforderlich. Wie oben beschrieben, ist die Ultraschallextraktion sehr effizient beim Aufschluss von Zellen und bei der Freisetzung von Lipiden, Proteinen, Polysacchariden, Fasern und sekundären Pflanzenstoffen aus der Zellmatrix. Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Methode, um die gesamte Menge an sekundären Pflanzenstoffen in einem schnellen Extraktionsprozess aus pflanzlichem Material zu isolieren. Der Einsatz von Hochleistungsultraschall erzeugt starke Kavitationseffekte, Störungen beziehungsweise Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen hoher Geschwindigkeit, die die sekundären Pflanzenstoffe aus dem Zellinneren herausspülen. Da die Ultraschallbehandlung eine nichtthermische Extraktionsmethode ist, verhindert sie den thermischen Abbau dieser empfindlichen Mikronährstoffe.

Zeitlicher Verlauf des Gesamtphenolgehalts (ausgedrückt als mg Naringenin-Äquivalente/g Mandeln) mit und ohne Beschallung unter Verwendung des UIP1000hdT. Die Ultraschallextraktion erhöhte den Gesamtphenolgehalt um 258 %.
Die Daten sind als Mittelwerte ± Standardabweichung angegeben, n = 3. Vergleich zwischen der Behandlung mit Ultraschall (gelb) und ohne Ultraschall (orange).
Grafik und Studie: Tabib et al., 2020

Höhere Effizienz bei der Nussmilchproduktion mit Ultraschall

Höhere Ausbeuten, ein verbessertes Nährstoffprofil und eine kürzere Verarbeitungsdauer sind nur einige Vorteile, die zur höheren Effizienz der Ultraschallverarbeitung von Nussmilch und milchfreien Getränken beitragen. Ein geringer Energieverbrauch, geringer Wartungsaufwand und der 24/7-Betrieb sind weitere Faktoren, die die außergewöhnliche Gesamteffizienz der Ultraschallverarbeitung ausmachen. Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher können im 24/7-Betrieb unter hoher Belastung arbeiten und große Volumina im kontinuierlichen Durchfluss verarbeiten. Ultraschallprozessoren von Hielscher weisen eine herausragende Gesamtenergieeffizienz auf. Robustheit und geringer Wartungsaufwand halten auch die Betriebskosten niedrig.

Was die Forschung zur Ultraschallverarbeitung von Lebensmitteln sagt

„Ultraschall hat sich im letzten Jahrzehnt in großem Umfang etabliert. Aufgrund seiner vielfältigen erwünschten Wirkungen findet er in der Fruchtsaft- und Getränkeindustrie Anwendung. Die Technologie ist kostengünstig, einfach, zuverlässig und umweltfreundlich sowie hochwirksam bei der Haltbarmachung von Säften mit verbesserten Qualitätsmerkmalen.“ (Dolas et al., 2019)

„Die Beschallung ist eine aufstrebende Technologie, die die Lebensmittelqualität verbessern und Nährstoffverluste verringern kann.“ (Cheok et al., 2013)

Ultraschallprozessoren für Lebensmittel zur industriellen Nussmilchproduktion

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallsysteme zur Lebensmittelverarbeitung für die kontinuierliche industrielle Produktion von Nussmilch (etwa Cashew-, Mandel-, Haselnuss-, Walnuss-, Erdnuss- und Kokosmilch) sowie pflanzlichen Milchalternativen (etwa Reis-, Soja-, Dinkel-, Hafer-, Sesam-, Leinsamen- und Erbsenmilch sowie fermentierter Erdmandelmilch).
Die Ultraschallverarbeitung von Lebensmitteln bietet als nichtthermisches, rein mechanisches Verfahren erhebliche Vorteile: Sie verbessert die Endprodukte, verkürzt die Verarbeitungszeit und ist umweltfreundlicher.
Ultraschallsysteme von Hielscher zur Lebensmittelverarbeitung werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Sie bieten eine sichere, zuverlässige und kosteneffiziente Technologie zur Herstellung hochwertiger Lebensmittel und Getränke. Installation und Betrieb aller Ultraschallprozessoren von Hielscher sind einfach: Die Geräte benötigen nur wenig Platz und lassen sich problemlos in bestehende Verarbeitungsanlagen nachrüsten.
Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit der Anwendung von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in vielen weiteren Industriezweigen. Unsere Ultraschallprozessoren sind mit leicht zu reinigenden Sonotroden und Durchflusszellen ausgestattet – den produktberührten Teilen, die eine Reinigung und Sterilisation im eingebauten Zustand ermöglichen (Clean-in-Place, CIP / Sterilize-in-Place, SIP). Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb aufrechterhalten. Hohe Amplituden sind wichtig, um eine homogene Partikelverteilung zu erreichen und widerstandsfähigere Mikroorganismen zu inaktivieren (z. B. grampositive Bakterien). Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Sonotroden und Ultraschall-Durchflussreaktoren können bei erhöhten Temperaturen und Drücken betrieben werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Thermo-Mano-Sonikation (Beschallung in Kombination mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck) sowie eine hochwirksame Extraktion und Stabilisierung.
Modernste Technologie, hohe Leistung und ausgereifte Software machen die Geräte von Hielscher Ultrasonics zu zuverlässigen Leistungsträgern in Ihrer Anlage zur Extraktion, Homogenisierung und Pasteurisierung von Lebensmitteln. Dank ihres geringen Platzbedarfs und vielseitiger Installationsmöglichkeiten lassen sich Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder nachrüsten.
Kontaktieren Sie uns jetzt, um mehr über die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit unserer Ultraschallsysteme zur Extraktion, Homogenisierung und Pasteurisierung zu erfahren. Wir besprechen Ihre Anwendung gerne mit Ihnen!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: