Ultraschall-Extraktion von Mycoprotein

Um die Nachfrage nach nachhaltigen und nahrhaften Lebensmittelalternativen zu befriedigen, hat sich Mykoprotein als revolutionäre Zutat herauskristallisiert, die aus Pilzen gewonnen wird und hauptsächlich zur Herstellung von Fleischersatzprodukten verwendet wird, die oft als „Falsches Fleisch.“ Diese Proteinquelle bietet eine vielversprechende Lösung für die wachsende Nachfrage nach pflanzlicher Ernährung, da sie eine reichhaltige, fleischähnliche Textur und einen hohen Nährwert aufweist. Um das Potenzial von Mykoprotein zu erschließen, wird eine fortschrittliche Extraktionstechnik, die sogenannte Probetyp-Sonikation, eingesetzt. Diese Methode nutzt die Kraft von Ultraschallwellen, um das Mykoprotein effizient aus den Pilzzellen freizusetzen, was eine hohe Proteinausbeute in einer bemerkenswert kurzen Verarbeitungszeit gewährleistet.

Mycoprotein-Extraktion mittels Ultraschall

Die Mykoproteinextraktion beginnt mit der Kultivierung von Speisepilzen, wie z. B. Fusarium venenatum, in kontrollierten Bioreaktoren. In diesen Pilzzellen ist das Mykoprotein eingekapselt und erfordert eine robuste Extraktionsmethode, um das wertvolle Protein freizusetzen. Die Sondenbeschallung erweist sich als ideale Technik, da sie einen starken Zellaufschluss bewirkt. Während dieses Prozesses erzeugt Hochleistungsultraschall intensive Kavitationskräfte, die die Zellwände der Pilze aufbrechen und so intrazelluläre Inhalte wie Proteine, Lipide und andere Nährstoffe freisetzen. Dies steigert nicht nur die Effizienz der Extraktion, sondern gewährleistet auch den Erhalt der Integrität und der funktionellen Eigenschaften der Proteine.

Die Anwendung von Ultraschallwellen bei der Extraktion von Mykoproteinen bietet mehrere bedeutende Vorteile. Erstens wird eine gleichmäßige Homogenisierung erreicht, was für die Entwicklung einer breiten Palette von Lebensmitteln mit unterschiedlichen Texturen und Geschmacksrichtungen entscheidend ist. Ob für Fleischanaloga, proteinreiche Snacks oder milchfreie Milchersatzprodukte, die Ultraschallbehandlung ermöglicht eine gleichbleibende Qualität des Mykoproteins und macht es zu einer vielseitigen Zutat in der Lebensmittelindustrie. Darüber hinaus führt die schnelle Verarbeitungszeit, die mit dieser Technik verbunden ist, zu höherer Produktivität und geringerem Energieverbrauch, was den Nachhaltigkeitszielen der modernen Lebensmittelproduktion entgegenkommt. Die Extraktion von Mykoprotein mit Ultraschall erfüllt nicht nur die wachsende Verbrauchernachfrage nach pflanzlichen Proteinen, sondern ebnet auch den Weg für innovative und nährstoffreiche Lebensmittellösungen.

Kinetik der Proteinfreisetzung aus Fusarium Venenatum durch Beschallung in Kombination mit Vermahlung
Quelle: Prakash et al. 2014

Fallstudie – Freisetzung von Mykoproteinen mittels Ultraschall

Prakash et al. (2014) untersuchten die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Freisetzung von Mykoprotein aus Fusarium Venenatum. Sie erreichten eine maximale Proteinfreisetzungsrate von 580 μg extrahiertem Mykoprotein innerhalb von 0,680 Minuten.

Wirkung der Beschallung in Kombination mit Vermahlung auf die Proteinfreisetzung von Fusarium venenatum
Quelle: Prakash et al. 2014

Mykoprotein

Mycoprotein ist ein Einzelzellprotein, das in Pilzen vorkommt. Mit seinem hohen Protein- und Ballaststoffgehalt gilt Mycoprotein als eine gesunde und nachhaltige Quelle für ernährungsphysiologisch wertvolle Aminosäuren. Mycoprotein enthält typischerweise etwa 45 % Protein und 25 % Ballaststoffe bezogen auf das Trockengewicht. Mycoprotein ist reich an essentiellen Aminosäuren und mit einer Zusammensetzung von ca. 41% Gesamtprotein bietet es einen ähnlichen Proteingehalt wie Spirulina. Dies macht Mycoprotein zu einer interessanten Proteinquelle für Vegetarier und Veganer. Mycoprotein ist reich an Ballaststoffen. Sein Ballaststoffgehalt besteht zu ca. einem Drittel aus Chitin (N-Acetylglucosamin) und zu zwei Dritteln aus β-Glucanen (1,3-Glucan und 1,6-Glucan). Dieser hohe Protein- und Ballaststoffgehalt macht Mycoprotein zu einem gesunden und nachhaltigen Rohstoff für Lebensmittel.
(vgl. Finnigan et al. 2019)

Ultraschall-Extraktion – Wirkprinzip und Vorteile

Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Phänomen der akustischen (Ultraschall-) Kavitation. Wenn intensive Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Slurry eingekoppelt werden, komprimieren und expandieren abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen die Flüssigkeit und erzeugen winzige Vakuumblasen im Medium. Diese Vakuumblasen wachsen über mehrere Hoch-/Niederdruckzyklen an, bis sie einen Punkt erreichen, an dem die Gasblase keine weitere Energie mehr aufnehmen kann. Am Punkt des maximalen Wachstums implodiert die Blase während eines Hochdruckzyklus heftig. Während der Implosion der Blase treten lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen, Drücke und entsprechende Druck- und Temperaturunterschiede sowie Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280 m/sec auf. Diese intensiven Kräfte perforieren und brechen Zellwände und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und der umgebenden Flüssigkeit. Das intrazelluläre Material wie Proteine, Lipide und andere bioaktive Verbindungen werden auf die Flüssigkeit übertragen und können von dort aus leicht für nachgelagerte Prozesse abgetrennt werden.

Vorteile der Mykoproteinextraktion mit Ultraschall

Die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) ist eine hocheffiziente Technik, um intrazelluläres Material wie Proteine, Lipide und bioaktive Substanzen (z.B. Vitamine und Polyphenole) freizusetzen und zu isolieren. Die Beschallung ist eine prozessintensivierende Methode, die den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und der Flüssigkeit erhöht. Die Ultraschallextraktion führt zu höheren Ausbeuten, verkürzter Verarbeitungszeit, besserer Extraktqualität sowie zu geringeren Verarbeitungskosten und geringerem Energieverbrauch.

Ultraschall-Homogenisatoren für die Verarbeitung von Mykoproteinen

Ultraschall-Disruptoren und -Extraktoren sind bewährte Geräte in der Lebensmittelverarbeitung. Aufgrund der hohen Scherkräften, welche durch die Ultraschallkavitation entstehen, werden Ultraschallgeräte erfolgreich eingesetzt, um bioaktive Verbindungen aus Pflanzenmaterial zu isolieren und zwei oder mehr Phasen zu einer einheitlichen Mischung zu homogenisieren.
Hielscher Ultrasonics bietet ein breites Portfolio an Hochleistungs-Ultraschallgeräten vom Labor- bis zum Industriemaßstab.
Hielscher Industrieschallköpfe können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Extrakte, die in Lebensmitteln oder Pharmazeutika eingesetzt werden, sollten nach Good Manufacturing Practices (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsvorschriften hergestellt werden. Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics verfügen über eine intelligente Software, mit der sich der Beschallungsprozess einfach und präzise einstellen und steuern lässt. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (bei montierten Temperatur- und Drucksensoren) mit Datum und Zeitstempel auf die eingebaute SD-Karte. So können Sie jede ultraschallverarbeitete Charge nachbearbeiten. Gleichzeitig werden die Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität sichergestellt.

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