Ultraschallextraktion von Mykoprotein

Mykoprotein hat sich als revolutionäre Zutat etabliert, die dem Bedarf an nachhaltigen und nährstoffreichen Lebensmittelalternativen gerecht wird. Es wird aus Pilzen gewonnen und hauptsächlich zur Herstellung von Fleischersatzprodukten verwendet, die häufig als „Fake Meat“ bezeichnet werden. Diese Proteinquelle bietet eine vielversprechende Lösung für die wachsende Nachfrage nach pflanzenbasierter Ernährung und zeichnet sich durch eine gehaltvolle, fleischähnliche Textur und einen hohen Nährwert aus. Um das Potenzial von Mykoprotein zu erschließen, wird ein fortschrittliches Extraktionsverfahren eingesetzt: die Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode. Dieses Verfahren nutzt die Wirkung von Ultraschallwellen, um Mykoprotein effizient aus Pilzzellen freizusetzen und so hohe Proteinausbeuten in bemerkenswert kurzer Verarbeitungszeit zu erzielen.

Ultraschallextraktion von Mykoprotein

Die Extraktion von Mykoprotein beginnt mit der Kultivierung essbarer Pilze wie Fusarium venenatum in kontrollierten Bioreaktoren. Das Mykoprotein ist in diesen Pilzzellen eingeschlossen, sodass ein robustes Extraktionsverfahren erforderlich ist, um das wertvolle Protein freizusetzen. Die Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode eignet sich hierfür besonders gut, da sie einen wirksamen Zellaufschluss ermöglicht. Dabei erzeugt Leistungsultraschall starke Kavitationskräfte, die die Zellwände der Pilze aufbrechen und intrazelluläre Inhaltsstoffe wie Proteine, Lipide und andere Nährstoffe wirksam freisetzen. Dies erhöht nicht nur die Extraktionseffizienz, sondern gewährleistet auch den Erhalt der Integrität und der funktionellen Eigenschaften des Proteins.

Der Einsatz von Ultraschallwellen bei der Mykoproteinextraktion bietet mehrere wesentliche Vorteile. Zunächst ermöglicht er eine gleichmäßige Homogenisierung, die für die Entwicklung einer breiten Palette von Lebensmitteln mit unterschiedlichen Texturen und Geschmacksrichtungen entscheidend ist. Ob für Fleischanaloga, proteinreiche Snacks oder milchfreie Milchalternativen: Die Ultraschallbehandlung ermöglicht eine gleichbleibende Qualität des Mykoproteins und macht es damit zu einer vielseitigen Zutat für die Lebensmittelindustrie. Darüber hinaus führt die kurze Verarbeitungszeit dieses Verfahrens zu höherer Produktivität und geringerem Energieverbrauch und entspricht damit den Nachhaltigkeitszielen der modernen Lebensmittelproduktion. Die Ultraschallextraktion von Mykoprotein erfüllt nicht nur die wachsende Nachfrage der Verbraucher nach pflanzlichem Protein, sondern ebnet auch den Weg für innovative und nährstoffreiche Lebensmittellösungen.

Kinetik der Proteinfreisetzung aus Fusarium venenatum durch Ultraschallbehandlung in Kombination mit Mahlen
Quelle: Prakash et al. 2014

Fallstudie – Ultraschallgestützte Freisetzung von Mykoprotein

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

Einfluss der Ultraschallbehandlung in Kombination mit Mahlen auf die Proteinfreisetzung aus Fusarium venenatum
Quelle: Prakash et al. 2014

Mykoprotein

Mykoprotein ist ein in Pilzen vorkommendes Einzellerprotein. Aufgrund seines hohen Protein- und Ballaststoffgehalts gilt Mykoprotein als gesunde und nachhaltige Quelle ernährungsphysiologisch wertvoller Aminosäuren. Mykoprotein enthält typischerweise etwa 45% Protein und 25% Ballaststoffe, bezogen auf das Trockengewicht. Mykoprotein ist reich an essenziellen Aminosäuren und weist mit einem Gesamtproteingehalt von etwa 41% einen ähnlichen Proteingehalt wie Spirulina auf. Dies macht Mykoprotein zu einer interessanten Proteinquelle für Vegetarier und Veganer. Mykoprotein ist reich an Ballaststoffen. Sein Ballaststoffanteil besteht zu etwa einem Drittel aus Chitin (N-Acetylglucosamin) und zu zwei Dritteln aus β-Glucanen (1,3-Glucan und 1,6-Glucan). Aufgrund seines hohen Protein- und Ballaststoffgehalts ist Mykoprotein eine gesunde und nachhaltige Nahrungsquelle.
(vgl. Finnigan et al. 2019)

Ultraschallextraktion – Funktionsprinzip und Vorteile

Die Ultraschallextraktion beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation (Ultraschallkavitation). Wenn starke Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Suspension eingekoppelt werden, komprimieren und expandieren abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen die Flüssigkeit, wodurch winzige Vakuumblasen im Medium entstehen. Diese Vakuumblasen wachsen über mehrere Hochdruck- und Niederdruckzyklen hinweg, bis die Gasblase keine weitere Energie mehr aufnehmen kann. Bei maximaler Ausdehnung implodiert die Blase während eines Hochdruckzyklus heftig. Während der Blasenimplosion entstehen lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen und Drücke sowie entsprechende Druck- und Temperaturdifferenzen und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/sec. Diese starken Kräfte perforieren und durchbrechen Zellwände und fördern den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und der umgebenden Flüssigkeit. Intrazelluläres Material wie Proteine, Lipide und andere bioaktive Verbindungen geht in die Flüssigkeit über und kann daraus für nachgelagerte Prozesse leicht abgetrennt werden.

Vorteile der Ultraschallextraktion von Mykoprotein

Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) ist ein hocheffizientes Verfahren zur Freisetzung und Isolierung intrazellulären Materials wie Proteinen, Lipiden und bioaktiven Substanzen (z. B. Vitaminen und Polyphenolen). Die Ultraschallbehandlung dient der Prozessintensivierung und erhöht den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und der Flüssigkeit. Die Ultraschallextraktion führt zu höheren Ausbeuten, kürzeren Verarbeitungszeiten, höherer Extraktqualität sowie geringeren Verarbeitungskosten und einem niedrigeren Energieverbrauch.

Ultraschallhomogenisatoren für die Verarbeitung von Mykoprotein

Ultraschallgeräte für den Zellaufschluss und die Extraktion haben sich in lebensmittelverarbeitenden Betrieben bewährt. Ultraschallgeräte erzeugen durch Kavitation hohe Scherkräfte und werden eingesetzt, um bioaktive Verbindungen aus Pflanzenmaterial zu isolieren und zwei oder mehr Phasen zu einer gleichmäßigen Mischung zu homogenisieren.
Hielscher Ultrasonics bietet ein breites Portfolio leistungsstarker Ultraschallgeräte vom Labor- bis zum Industriemaßstab.
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Prozessstandardisierung mit Hielscher Ultrasonics

Extrakte, die in Lebensmitteln oder Arzneimitteln verwendet werden, sollten gemäß der Guten Herstellungspraxis (GMP) und unter Einhaltung standardisierter Prozessvorgaben 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 speichert alle Ultraschallprozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur und Druck (bei angeschlossenen Temperatur- und Drucksensoren) mit Datums- und Zeitstempel auf der integrierten SD-Karte. So können Sie jede mit Ultraschall behandelte Charge anhand der aufgezeichneten Daten überprüfen. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.

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