Ultraschall und seine vielfältigen Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Leistungsultraschall bietet vielfältige Möglichkeiten für effektive und zuverlässige Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung. Zu den häufigsten Anwendungen in der Lebensmittelindustrie zählen Mischen und Homogenisieren, Emulgieren, Dispergieren, Zellaufschluss und Extraktion intrazellulären Materials, Aktivierung oder Deaktivierung von Enzymen (abhängig von der Ultraschallintensität), Konservieren, Stabilisieren, Lösen und Kristallisieren, Hydrieren, Zartmachen von Fleisch, Reifen, Altern und Oxidieren sowie Entgasen und Sprühtrocknen.

Im Folgenden stellen wir Ihnen verschiedene ausgewählte Anwendungen von Ultraschallgeräten von Hielscher in der Lebensmittelverarbeitung vor. Klicken Sie bitte auf die jeweiligen Links, um ausführliche Informationen zu der Anwendung zu erhalten, die Sie interessiert!

Extraktion von Aromastoffen und bioaktiven Verbindungen mit Ultraschall

Die Ultraschallextraktion wird in der Lebensmittelindustrie häufig eingesetzt, um bioaktive Verbindungen, Aromamoleküle und Proteine effizient zu gewinnen. Dabei kommt hochintensiver Ultraschall zum Einsatz, der den Stofftransport verstärkt und Zellstrukturen aufbricht. Die entstehenden Kavitationseffekte erhöhen die Extraktionsausbeute und die Extraktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen. Dies trägt zum Erhalt empfindlicher Verbindungen bei und ermöglicht eine saubere, skalierbare Verarbeitung ohne aggressive Lösungsmittel.

Die Ultraschallextraktion wird häufig zur Gewinnung bioaktiver Verbindungen eingesetzt. Bekannte Beispiele für die Ultraschallextraktion sind:

 

In dieser Präsentation führen wir Sie in die Herstellung pflanzlicher Extrakte ein. Wir erläutern die Herausforderungen bei der Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte und zeigen, wie ein Ultraschallgerät Ihnen helfen kann, diese zu bewältigen. Diese Präsentation zeigt Ihnen, wie die Ultraschallextraktion funktioniert. Sie erfahren, welche Vorteile Sie beim Einsatz eines Ultraschallgeräts zur Extraktion erwarten können und wie Sie einen Ultraschallextraktor in Ihre Extraktproduktion integrieren können.

 

Ultraschallemulgierung von Saucen, Dressings und Cremes

Durch die Ultraschallbehandlung von Öl-Wasser-Gemischen erzielen Köche und Lebensmittelwissenschaftler ultrafeine, stabile Emulsionen – ohne übermäßige Wärme oder synthetische Zusatzstoffe. Von cremigen Saucen und samtigen Vinaigrettes bis hin zu milchfreien Cremes und feinen Schäumen ermöglicht die Ultraschallkavitation eine präzise Kontrolle der Tröpfchengröße und -verteilung.
Erfahren Sie mehr über Lebensmittelemulsionen mit Ultraschall!

Ultraschallgestützte Fermentation von Joghurt

Joghurt ist ein fermentiertes Milchprodukt, das aus Milch allein oder unter Zugabe von Bakterienkulturen hergestellt werden kann. Bifidobakterienstämme (z. B. BB-12, BB-46, B breve) sind häufig verwendete Probiotika für die Joghurtfermentation. Ultraschallkavitation, die auf die Bakterienzellen einwirkt, kann deren Zerstörung und gleichzeitig die Freisetzung von β-Galactosidase bewirken. β-Galactosidase ist ein Hydrolase-Enzym, das in der Milchverarbeitungsindustrie vielfach eingesetzt wird. Die ultraschallgestützte Fermentation wird durch eine schnellere Lactosehydrolyse beschleunigt, die aus der ultraschallinduzierten Freisetzung von β-Galactosidase aus den Bifidobakterienzellen resultiert.
Die Ultraschallhomogenisierung bewirkt die Zerkleinerung der Milchfettkügelchen und eine sehr feine Größenverteilung.
Die Ultraschallbehandlung kann die Fermentationsgeschwindigkeit erhöhen (Verkürzung der gesamten Produktionszeit um bis zu 40%) und die Qualitätsmerkmale von Joghurt verbessern. Dies führt zu einer höheren Viskosität, einem festeren Koagulum und einer besseren Textur.

Ultraschallhomogenisierung von Milch

Milch (z. B. Kuh-, Büffel-, Ziegen- oder Kamelmilch) ist eine Emulsion oder ein kolloidales System, das aus Milchfettkügelchen in einer wasserbasierten Flüssigkeit besteht, die gelöste Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe enthält. Da Fett und Wasser dazu neigen, sich in zwei Phasen zu trennen, muss Milch homogenisiert werden, um ein gleichmäßiges Produkt zu erhalten. Homogenisierung bedeutet die gleichmäßige Verteilung der Fettmoleküle in der Milchflüssigkeit. Ultraschall ist eine bekannte Methode, die für verschiedene Anwendungen in der Milchverarbeitung eingesetzt wird. Die Ultraschallbehandlung von Milch führt zu homogenisierten Fettkügelchen, die gleichmäßig beschaffen und einheitlich verteilt sind. Die Homogenisierung mit Leistungsultraschall ist auch für pflanzliche (vegane / milchfreie) Milchalternativen wie Kokosmilch oder Sojamilch wirksam.
Die Studie von Sfakianakis und Tzia (2012) zeigt, dass die Ultraschallhomogenisierung die Größe der Milchfettkügelchen (MFG) reduziert. Die mikroskopischen Aufnahmen unten zeigen die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Größe der Milchfetttröpfchen. Eine niedrige Amplitude (150W) hatte keinen zufriedenstellenden Homogenisierungseffekt (Abb. 2); die Größe der MFG und ihre Verteilung waren ähnlich wie bei unbehandelter Milch (vgl. Abb. 1 und 2). Ultraschall mit mittlerer Amplitude (267,5, 375 W) hatte einen guten Homogenisierungseffekt; der durchschnittliche Durchmesser der MFG betrug 2 μm (Abb. 3, 4). Ultraschall mit höherer Amplitude (750W) reduzierte die Größe der MFG erheblich (Abb. 6), sodass sie unter dem Lichtmikroskop (100-fache Vergrößerung) kaum sichtbar waren; ihr durchschnittlicher Durchmesser betrug 0,3 μm.

Chandrapala et al. (2012) untersuchten die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf Casein und Calcium. Sie behandelten Proben von frischer Magermilch, rekonstituiertem mizellarem Casein und Caseinpulver mit Ultraschallwellen (20kHz). Die Proben wurden beschallt, bis die Milchfettkügelchen auf etwa 10nm verkleinert waren. Die Analyse der beschallten Milch zeigt, dass die Größe der Caseinmizellen unverändert bleibt. Innerhalb der ersten Minuten der Ultraschallbehandlung traten außerdem eine geringe Zunahme des löslichen Molkenproteins und eine entsprechende Abnahme der Viskosität auf. Die Studie stellte fest, dass Caseinmizellen während der Beschallung stabil sind und die Konzentration des löslichen Calciums durch die Ultraschallbehandlung nicht beeinflusst wird. [Chandrapala et al. 2012]

Ultraschallgestützte Zuckerkristallisation für Süßwaren

Eine kontrollierte Ultraschallbehandlung ermöglicht es, die Kristallkeimbildung (Entstehung von Keimen) auszulösen und das Kristallwachstum zu beeinflussen. Unter Ultraschalleinwirkung entstehen kleinere und dadurch mehr Kristalle. Ultraschall unterstützt den Kristallisationsprozess auf zwei Arten: Erstens ist Leistungsultraschall ein sehr effektives Werkzeug zur Herstellung einer gleichmäßigen Lösung, die das Ausgangsmaterial für die Kristallisation bildet. Im zweiten Schritt unterstützt Ultraschall die Bildung einer großen Anzahl von Keimen. Während eine geringe Keimbildung zu einer kleineren Anzahl großer Kristalle führt, erzeugt eine effiziente Keimbildung eine große Anzahl kleiner, feiner Kristalle. Im Schallfeld wird es sogar möglich, die Keimbildung von Zuckern auszulösen, die normalerweise nur schwer kristallisieren (z. B. D-Fructose, Sorbitol).
Die ultraschallgestützte Modifikation der Kristallisation ist für die Formulierung von Bonbons, Süßwaren, Aufstrichen, Speiseeis, Schlagsahne und Schokolade interessant.

Ultraschallgestützte Hydrierung von Speiseölen

Die Hydrierung von Pflanzenölen ist ein wichtiger industrieller Prozess im großen Maßstab. Durch Hydrierung werden flüssige Pflanzenöle in feste oder halbfeste Fette (z. B. Margarine) umgewandelt. Chemisch werden die ungesättigten Fettsäuren während der phasentransferkatalysierten Hydrierungsreaktion durch die Addition von Wasserstoffatomen an die Doppelbindungen in die entsprechenden gesättigten Fettsäuren umgewandelt. Dieser katalytische Prozess kann durch eine Behandlung mit Leistungsultraschall beschleunigt werden. Ein häufig verwendeter Katalysator ist Nickel. Hydrierte Fette werden in Backwaren vielfach als Backfette eingesetzt. Ein Vorteil gesättigter Fette ist ihre geringere Oxidationsneigung und damit ein geringeres Risiko, ranzig zu werden.

Ultraschallverflüssigung von Honig

Ultraschall bietet eine effektive, nichtthermische Methode, um Kristalle im Honig zu verflüssigen und Hefen zu zerstören, ohne die Qualität des Honigs zu beeinträchtigen.
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Ultraschallstabilisierung von Säften und Smoothies

Als nichtthermische Technik der Lebensmittelverarbeitung bietet Ultraschall eine schonende, aber wirksame Behandlung, die Aromen intensiviert sowie Säfte, Smoothies, Saucen und Pürees stabilisiert und konserviert. Zu den Ergebnissen der Ultraschallbehandlung von Säften gehören verbesserte Aromen, Stabilisierung und Konservierung.
Lesen Sie hier mehr über die Verbesserung von Säften und Smoothies durch Ultraschall!
Lesen Sie mehr über die Ultraschallverarbeitung von Tomaten!
Erfahren Sie, wie die Ultraschallbehandlung mit Stevia gesüßten Erdbeersaft konserviert und gleichzeitig das Nährstoffprofil verbessert!

Ultraschallgestützte Alterung von Wein und Spirituosen

Leistungsultraschall unterstützt die Behandlung von Wein und Spirituosen mit Eichenholz durch seine effektive Extraktionsfähigkeit und einen deutlich intensivierten Stofftransport zwischen dem Holzgewebe und dem alkoholischen Getränk.
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Auch der Fermentationsprozess von Wein, Most, Bier und Sake kann erheblich beschleunigt werden. Es wurden Beschleunigungsraten von 50% bis 65% erzielt!
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Ultraschallbeschleunigtes Gefrieren von Speiseeis

Für die Herstellung von Speiseeis wird eine Speiseeismischung benötigt. Diese besteht aus Milch, Milchpulver, Sahne, Butter oder Pflanzenfett, Zucker, Trockenmasse, Emulgator, Stabilisator sowie Zusätzen wie Früchten, Nüssen, Aromastoffen und Farbstoffen. Diese spezielle Mischung muss homogenisiert und pasteurisiert werden. Anschließend wird sie während des Gefrierprozesses langsam gerührt, um die Bildung großer Eiskristalle zu verhindern. Dabei werden sehr kleine Luftblasen eingemischt (sogenannter Belüftungsprozess), um die Speiseeismasse aufzuschäumen und ein kaltes Dessert mit geschmeidiger Textur zu erhalten. In diesem Prozessschritt kann Ultraschall eingesetzt werden, um die Qualität des Speiseeises zu verbessern.
Während des Gefrierprozesses entstehen Kristalle aus unterkühltem Wasser. Die Morphologie der Eiskristalle spielt eine wichtige Rolle für die texturellen und physikalischen Eigenschaften gefrorener und halbgefrorener Lebensmittel. Größe und Verteilung der Eiskristalle sind für die Qualität aufgetauter Produkte mit Gewebestruktur von besonderer Bedeutung. Bei Speiseeis werden kleinere Eiskristalle bevorzugt, da große Kristalle zu einer eisigen Textur führen. Die Keimbildung ist der wichtigste Faktor zur Kontrolle der Kristallgrößenverteilung während der Kristallisation. Dabei ist die Gefriergeschwindigkeit üblicherweise der Parameter, mit dem Größe und Größenverteilung der Eiskristalle im Speiseeis gesteuert werden. Während des Aufschlagens und Gefrierens wird Luft eingebracht, um die geschmeidige Textur des Speiseeises zu erzielen. Der sogenannte „Overrun“, die Menge der eingebrachten Luft, wird – abgestimmt auf die jeweilige Rezeptur – proportional zum Gesamtvolumen von Feststoffen und Wasser bemessen. Der Overrun variiert daher je nach Speiseeisrezeptur und Verarbeitungsablauf. Standardspeiseeis weist einen Overrun von 100% auf, was bedeutet, dass das Endprodukt aus gleichen Volumenanteilen Speiseeismischung und Luftblasen besteht.
Der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher verbessert die Qualität von Speiseeis, indem die Eiskristallgröße reduziert und die Verkrustung der Gefrierfläche vermieden wird. Durch die reduzierte Eiskristallgröße und die verbesserte Verteilung der Luftblasen werden eine bessere Konsistenz und ein cremigeres Mundgefühl erzielt. Deutlich kürzere Gefrierzeiten führen zu einer höheren Prozesskapazität und einem energieeffizienteren Produktionsprozess.

Ultraschallgestützte Belüftung von Teig

Belüftete Lebensmittel wie Biskuitkuchen können durch Ultraschallbehandlung deutlich verbessert werden. Der Einsatz von Leistungsultraschall während des Mischens des Teigs verbessert die Qualität von Biskuitkuchen hinsichtlich einer geringeren Härte sowie einer höheren Elastizität, Kohäsivität und Rückstellfähigkeit. Für die Versuche wurden alle Zutaten nach der „All-in“-Methode miteinander vermischt. Das bedeutet, dass proteinarmes Vollkornmehl, Emulgator, Maisstärke, Zucker, Backpulver, Salz und frische Volleier gleichzeitig zur Herstellung des Teigs zugegeben wurden. Vor der Ultraschallbehandlung wurden die Zutaten gleichmäßig miteinander verrührt, sodass der Ultraschall auf eine gleichmäßige Teigmischung einwirkte. Der mit Ultraschall belüftete Kuchen zeigte eine geringere Härte, Gummiartigkeit und Kaubarkeit, während Elastizität, Kohäsivität und Rückstellfähigkeit etwas höher waren als beim Kontrollkuchen.

Ultraschallgestützte Kristallisation und Conchierung von Schokolade

Die Ultraschallbehandlung ist für ihre Extraktionsfähigkeit bekannt. Durch Ultraschallmahlung und -extraktion kann Kakaobutter aus den Zellen der Kakaobohne freigesetzt werden.
Ultraschall ist eine alternative Technik zur Zerkleinerung der Zuckerkristalle in Schokolade und erzielt dadurch ähnliche Effekte wie das Conchieren.

Zartmachen von Fleisch mit Ultraschall

Die Anwendung leistungsstarker Ultraschallwellen auf Fleisch macht die Fleischstruktur zarter. Eine deutliche Zartmachung wird durch die Freisetzung myofibrillärer Proteine aus den Muskelzellen erreicht. Neben dem Zartmachungseffekt verbessert Ultraschall auch das Wasserbindungsvermögen und die Kohäsivität des Fleisches.
Hier finden Sie weitere Informationen zum Zartmachen von Fleisch mit Leistungsultraschall und dem Ultraschallgerät MeatBuzzer!

Ultraschallbehandlung in Küchen und Bars

Ultraschallprozessoren für Lebensmittel haben auch in der Gourmetküche Einzug gehalten. Ultraschallgeräte von Hielscher werden von Spitzenköchen wie dem mit zwei Michelin-Sternen ausgezeichneten Koch Sang-Hoon Degeimbre eingesetzt.
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Klicken Sie hier für Cocktailrezepte mit Ultraschall!

 

Ultraschallgeräte für die Verarbeitung koscherer und halal-konformer Lebensmittel

Hielscher Ultrasonics kann auf Anfrage eine Koscher- oder Halal-Zertifizierung für seine Ultraschallgeräte bereitstellen. Dies bedeutet, dass die Ultraschallgeräte gemäß den strengen Richtlinien dieser religiösen Speisegesetze hergestellt und verarbeitet wurden. Die Koscher-Zertifizierung stellt sicher, dass die Ultraschallgeräte ohne tierische Nebenprodukte oder Derivate hergestellt wurden, während die Halal-Zertifizierung bestätigt, dass die Ultraschallgeräte in einer Weise gehandhabt wurden, die den islamischen Speisevorschriften entspricht.

Wenn Sie ein koscher- oder halal-zertifiziertes Ultraschallgerät von Hielscher benötigen, kontaktieren Sie uns bitte. Wir kümmern uns gerne um die erforderliche Zertifizierung.