Verarbeitung von Proteinen mit Ultraschall für Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel

Die Beschallung ist eine leistungsstarke Prozesstechnologie zur Verbesserung der Funktionalität, Dispergierbarkeit, Löslichkeit und Stabilität von Proteinen, die in Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden. Von pflanzlichen Proteinen wie Hafer, Erbsen, Soja, Hanf und Reis bis hin zu Milchproteinen und gemischten Formulierungen hilft hochintensiver Ultraschall den Herstellern bei der Optimierung von Proteinsystemen für ein besseres Verarbeitungsverhalten und eine bessere Produktleistung.

Bei der Proteinverarbeitung ist Ultraschall mehr als eine Mischhilfe. Richtig kontrollierte Beschallung kann die Partikelgröße verringern, die Hydratation und Dispersion verbessern, den Anteil gelöster Proteine erhöhen und die Stabilität der Suspension verbessern. Diese Wirkungen sind besonders für trinkfertige Getränke, Proteinkonzentrate, angereicherte Lebensmittel und pulverförmige Nahrungsergänzungsmittel von Bedeutung. In einer 2025 veröffentlichten Studie (Höhme-Matthes et al.), in der die Verarbeitung von Haferproteinen mit Ultraschall untersucht wurde, erhöhte die Ultraschallbehandlung die gelöste Menge des Haferproteinkonzentrats und verringerte die Instabilität der Suspension bei steigender Energiedichte.

Warum die Verarbeitung von Proteinen mit Ultraschall wichtig ist

Hersteller von Nahrungsmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln stehen häufig vor Herausforderungen wie schlechter Benetzung, unvollständiger Hydratation, Sedimentation, hoher Viskosität, instabilen Suspensionen und uneinheitlicher Funktionalität. Diese Probleme werden bei proteinreichen, pflanzenbasierten und Clean-Label-Formulierungen noch wichtiger.
Hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Die Implosion mikroskopisch kleiner Blasen erzeugt lokale Scherkräfte, Turbulenzen und Mikrovermischung. In Proteinsystemen können diese Effekte Agglomerate aufbrechen, die Partikelgröße verringern, den Stoffaustausch verbessern und die physikalische Organisation proteinreicher Suspensionen verändern. Das Ergebnis ist ein Proteinsystem, das leichter zu verarbeiten ist und im Endprodukt oft bessere Leistungen erbringt.

Wie die Sonikation die Proteinverarbeitung in der Lebensmittelindustrie verbessert

• Verbesserte Dispersion und Hydratation
  Proteinpulver hydratisieren oft ungleichmäßig und bilden Agglomerate. Die Sonikation hilft bei der Desagglomeration der Partikel und fördert eine gleichmäßigere Benetzung, was die Hydratationszeiten verkürzen und die nachgeschaltete Handhabung verbessern kann.
• Partikelgrößenreduktion
  Eine geringere Partikelgröße wird häufig mit einem geschmeidigeren Mundgefühl, einem verbesserten Suspensionsverhalten und einem besseren Zugang von Wasser zu den Proteinoberflächen in Verbindung gebracht. Das Papier über Haferproteine kommt insbesondere zu dem Schluss, dass Ultraschall für die industrielle Verarbeitung von Pflanzenproteinen im Hinblick auf die Verringerung der Partikelgröße nützlich ist.
• Höhere Proteinlöslichkeit
  Die Beschallung kann den gelösten Anteil von Proteinen erhöhen und die scheinbare Löslichkeit in schwierigen Systemen verbessern. In der Haferproteinstudie berichten die Autoren, dass die Ultraschallbehandlung die gelöste Menge des Haferproteinkonzentrats erhöhte, wobei die Löslichkeit bereits bei einer Energiedichte von 200 J/mL etwa dreimal höher war.
• Verbesserte Stabilität der Aufhängung
  Durch die Verbesserung der Dispersion und die Verringerung ungelöster Partikelanteile trägt Ultraschall dazu bei, Sedimentation und Phasentrennung zu verringern. Das hochgeladene Papier berichtet, dass die Ultraschallbehandlung die Instabilität von Haferproteinkonzentrat-Suspensionen verringert und dass die kontinuierliche Fließzellenbehandlung die Stabilität der Suspension bei gleicher Energiedichte stark verbessert.

Beispiel: Haferproteinverarbeitung mit Hielscher Sonicators

In einer Studie aus dem Jahr 2025 über die Verarbeitung von Haferproteinkonzentrat wurden sowohl die Batch- als auch die Durchflusszellen-Ultraschallbehandlung mit Hielscher-Geräten untersucht. Die Forscher setzten für ihre Versuche ein Hielscher UIP1500hdT und ein Hielscher UP200St ein. Sie stellten fest, dass die Ultraschallbehandlung die gelöste Menge an Haferproteinkonzentrat erhöht und gleichzeitig die Instabilität der Suspension mit zunehmender Energiedichte verringert. Außerdem stellten sie fest, dass die Durchflusszellenbeschallung einen höheren Durchsatz ermöglicht und im Vergleich zum herkömmlichen Batch-Design industriell relevant ist.
Die Studie kommt ferner zu dem Schluss, dass Ultraschall ein nützliches Werkzeug für industrielle Prozessanwendungen für Pflanzenproteinkonzentrate ist. Sie unterstreicht die verbesserte Reduzierung der Partikelgröße, die bessere Stabilität der Suspension und die Bedeutung der kontinuierlichen Beschallung in Fließzellenkonfigurationen für die Prozesseffizienz und das Scale-up.

Beispiel: Verbesserte Funktionalität von Erbsenprotein durch Sonikation

Die Ultraschallbehandlung bietet mehrere eindeutige Vorteile für Erbsenproteinsysteme: Sie verbessert die Dispergierbarkeit und Löslichkeit durch den Abbau von Aggregaten und die Verringerung der Partikelgröße, was die funktionelle Leistung in Lebensmitteln verbessern kann, ohne die Verdaulichkeit oder Bioverfügbarkeit der Proteine zu beeinträchtigen. In faserhaltigen Formulierungen kann Ultraschall auch die Bildung nützlicher Protein-Faser-Netzwerke fördern und, je nach Fasertyp, die Viskosität und die Fähigkeit zur Texturbildung erhöhen. Bei fermentierten Joghurtalternativen aus Erbsenprotein verbesserte Ultraschall die Produktqualität weiter, indem er die wichtigsten geschmacksfremden Verbindungen wie Hexanal und 2-Pentylfuran reduzierte und gleichzeitig die erwünschten joghurtähnlichen Aromastoffe wie Diacetyl und Acetoin erhöhte, was ihn zu einem vielversprechenden Clean-Label-Instrument sowohl für die Funktionalität als auch die sensorische Verbesserung macht.
(vgl. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM-Bilder (400- und 2000-fache Vergrößerung, Maßstabsbalken: 10 µm) von unbehandelten (UT) und
ultraschallbehandelte (T) Erbsenproteinproben (PP).
Studie und Abbildung: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Beispiel: Vorteile von ultraschallbehandeltem Hanfprotein

Die ultraschallgestützte Extraktion von Hanfprotein bietet mehrere bemerkenswerte Vorteile, insbesondere bei der Aufwertung von entfetteten Hanfsamenabfällen zu höherwertigen Inhaltsstoffen. In der hochgeladenen Studie verbesserte die ultraschallunterstützte Extraktion die Gesamtproteingewinnung und -reinheit im Vergleich zur konventionellen Extraktion, wobei das beste kombinierte Verfahren in Verbindung mit einer HPP-Vorbehandlung etwa 62 % Proteingewinnung und etwa 76 % Reinheit erreichte. Außerdem wurde die Extraktion der Aminosäuren in den Isolaten verbessert, was auf eine bessere Nährstoffausbeute hindeutet, während gleichzeitig größere sichtbare Schäden an den Proteinbandenmustern auf der SDS-PAGE vermieden wurden. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse Ultraschall als umweltfreundlicheren, effizienteren Extraktionsansatz, der die Verarbeitungsintensität verkürzen und dazu beitragen kann, Hanfnebenprodukte in nützliche Proteinbestandteile für Lebensmittel und Nutrazeutika zu verwandeln.
(vgl. Cabral et al. 2023)

Beispiel: Ultraschallextraktion von Proteinhydrolysat aus Reiskleie

Die Extraktion von Reisproteinhydrolysat mit Ultraschall bietet eindeutige funktionelle Vorteile, da Ultraschall die Proteinfreisetzung aus der Reiskleie verbessert, indem er die Zellstrukturen aufbricht und den Stofftransport verbessert, was die Extraktion effizienter macht als herkömmliche Verfahren. In der Studie wurde die Extraktion bei einem Fest-Flüssig-Verhältnis von 0,43, einer Amplitude von 48,25 % und einer Dauer von 29,89 Minuten erfolgreich optimiert, und die ultraschallunterstützte enzymatische Hydrolyse unterstützte auch die Erzeugung von Hydrolysaten mit starker Bioaktivität, einschließlich hoher ACE-hemmender Aktivität und antioxidativem Potenzial. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass Ultraschall nicht nur für die Proteinextraktion, sondern auch für die Beschleunigung der enzymatischen Hydrolyse eine wirksame Technik ist, die dazu beiträgt, Reiskleie in höherwertige bioaktive Proteinbestandteile umzuwandeln.
(vgl. Hayta et al., 2020)

Vorteile für Hersteller von Nahrungsmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln

• Bessere Produktqualität
  Die Sonikation kann die Textur und das Mundgefühl von flüssigen Proteinprodukten verbessern, die Homogenität von Suspensionen und Vormischungen erhöhen, die sichtbare Sedimentation in Proteingetränken verringern und die funktionelle Leistung über verschiedene Chargen hinweg konsistenter machen.
• Effizientere Verarbeitung
  Ultraschall kann die Verarbeitung intensivieren, indem er die Dispersion und Hydratation beschleunigt und eine kontinuierliche Inline-Behandlung ermöglicht. In der Haferproteinstudie wird berichtet, dass das Fließzellendesign höhere Dichten trotz eines hohen Massendurchsatzes ermöglicht und daher eine höhere Effizienz und größere industrielle Relevanz als ein herkömmliches Batch-Design unterstützen kann.
• Größere Flexibilität bei der Formulierung
  Die Beschallung ist nützlich für anspruchsvolle Formulierungen von Pflanzenproteinen, proteinreiche RTD-Getränke, Nahrungsergänzungsmittel und Prozesse, die der Homogenisierung, Hydrolyse oder Trocknung vorgeschaltet sind. Das Papier verweist auf die Bedeutung für Getränke auf Pflanzenbasis, Aufschlämmungen und nachfolgende Hydrolyseschritte.
• Besseres Skalierungspotenzial
  Definierte Beschallungsparameter wie Amplitude, Intensität, Energiedichte, Verweilzeit und Gegendruck unterstützen den Prozesstransfer von der Laborarbeit zur Pilot- und Industrieproduktion. Die hochgeladene Studie legt besonderen Wert auf diese Parameter für die Gestaltung einer skalierbaren kontinuierlichen Verarbeitung.

Warum der Einsatz von Hielscher Schalldämpfern Vorteile mit sich bringt

Hielscher-Sonicatoren sind für die Proteinverarbeitung attraktiv, weil sie eine kontrollierte und reproduzierbare Ultraschallbehandlung ermöglichen. Für die Hersteller liegt der eigentliche Vorteil darin, nicht nur Kavitation zu erzeugen, sondern diese unter definierten und skalierbaren Bedingungen zu erzeugen.

• Kontrollierte Beschallungsparameter
  Die in der Studie verwendeten Hielscher-Systeme ermöglichten es den Forschern, mit definierten Amplituden, Intensitäten und Energiedichten sowohl im Batch- als auch im Durchflusszellenmodus zu arbeiten. Dies unterstützt die systematische Prozessentwicklung und das Scale-up.
• Batch- und Fließzellenfähigkeit
  Hersteller können die Beschallung im Batch-Verfahren testen und dann zur kontinuierlichen Inline-Verarbeitung übergehen. Das hochgeladene Papier zeigt, dass die kontinuierliche Fließzellenbeschallung die Batch-Behandlung in Bezug auf Suspensionsstabilität und industrielle Relevanz übertreffen kann.
• Prozessgestaltung für industriellen Durchsatz
  Die Studie zeigt, dass Gegendruck, Verweilzeit und Massenstrom wichtige Variablen bei der kontinuierlichen Beschallung sind. Dies ist für die Hersteller von Bedeutung, denn dadurch wird die Ultraschallbehandlung zu einem echten verfahrenstechnischen Werkzeug und nicht nur zu einer Labortechnik.
• Unterstützung für schwierige Proteinsysteme
  In dem Papier wird betont, dass die Anpassung von Produkteigenschaften wie Partikelgröße, Suspensionsstabilität, Löslichkeit und Viskosität für Suspensionen auf Pflanzenbasis von großer Bedeutung ist. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass Sonicators eine kleine Stellfläche benötigen, hohe Feststoffkonzentrationen bewältigen können und eine einzigartige Kombination aus physikalischen und chemischen Effekten bieten.

 
Typische Anwendungen
Die Verarbeitung von Proteinen mit Ultraschall ist relevant für

• pflanzliche Eiweißgetränke auf der Basis von Hafer, Erbsen, Soja, Reis, Puffbohnen oder Mischungen;
• mit Eiweiß angereicherte Milch- und Nicht-Milchgetränke;
• Suspensionen und Flüssigspritzen zur Nahrungsergänzung;
• Proteindispersionen vor der Homogenisierung oder Emulgierung;
• und Vormischungen für die Sprühtrocknung oder weitere Funktionalisierung.

Ultraschall als skalierbare Proteinverarbeitungstechnologie

Die Beschallung hilft Lebensmittel- und Nahrungsergänzungsmittelherstellern, die Funktionalität von Proteinen zu verbessern, wo herkömmliches Mischen allein oft an seine Grenzen stößt. Durch die Intensivierung der Dispersion, die Verringerung der Partikelgröße, die Erhöhung der gelösten Proteinfraktionen und die Stabilisierung von Suspensionen kann Ultraschall messbare Vorteile für die Produktqualität und die Prozesseffizienz bringen. Die hochgeladene Studie unterstützt diese Position für Haferproteinkonzentrate und zeigt, dass die kontinuierliche Fließzellenbeschallung für die industrielle Verarbeitung besonders vielversprechend ist.
Hielscher-Sonicatoren bieten einen praktischen Weg von der Machbarkeit im Labor zur industriellen Umsetzung. Ihr Einsatz in veröffentlichten Arbeiten zur Proteinverarbeitung, einschließlich der hochgeladenen Haferproteinstudie, zeigt, wie die Ultraschallbehandlung zu einem kontrollierten und skalierbaren Produktionsschritt für Hersteller von Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln entwickelt werden kann.

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.

Literatur / Literaturhinweise