Ultraschall und seine vielfältigen Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Ultraschall ist eine erprobte und zuverlässige Extraktionsmethode, um intrazelluläres Material zu gewinnen.
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Joghurt ist ein fermentiertes Milchprodukt, das entweder aus reiner Milch oder aus Milch unter Zugabe von Bakterienkulturen hergestellt werden kann. Meist werden Bifidobakterienstämme (z.B. BB-12, BB-46, B. breve) als Probiotika für die Joghurtfermentation verwendet. Bakterienzellen können mittels Ultraschallkavitation zerstört werden, wobei gleichzeitig β-Galaktosidase freigesetzt wird. Β-Galaktosidase ist ein Hydrolase-Enzym, das in der milchverarbeitenden Industrie häufig verwendet wird. Die ultraschallgestützte Fermentation läuft durch die beschleunigte Laktose-Hydrolyse schneller ab, da der Ultraschall die Freisetzung von β-Galaktosidase aus den Bifidobakterienzellen verbessert.
Die Ultraschall-Homogenisierung verursacht zudem den Aufschluss der Milchfettglobuli und führt sehr feinen Globuliverteilung (Dispersion).
Ultraschall beschleunigt die Fermentationsrate deutlich (Verkürzung der gesamten Produktionszeit um bis zu 40 %) und verbessert die Qualitätsmerkmalen von Joghurt, was sich durch höhere Viskosität, stärkeres Koagulum und bessere Textur bemerkbar macht.

Milch (z.B. Kuh-, Büffel-, Ziegen- oder Kamelmilch) ist eine Emulsion bzw. kolloidales System, das sich aus Butterfettglobuli in wasserbasierter Flüssigkeit zusammensetzt. Milch enthält gelöste Kohlehydrate, Proteine und Mineralien. Da sich Fett und Wasser in der Regel in zwei Phasen trennt, muss Milch homogenisiert werden, um ein stabiles Produkt zu erhalten. Homogenisierung bedeutet die gleichmäßige Verteilung der Fettmoleküle in der Milchflüssigkeit. Ultraschall ist eine bewährte Methode für unterschiedliche Anwendungen bei der Milchverarbeitung. Die Beschallung von Milch führt zu homogenisierten Fettglobuli, die gleichmäßig verteilt sind. Die Homogenisierung mittels Hochleistungs-Ultraschall hat sich auch für (vegane / milchfreie) Milchersatzprodukte, die aus Pflanzen gewonnen wird (z.B. Kokos- oder Sojamilch) bewährt.
Die Studie von Sfakianakis und Tzia (2012) zeigt, wie mittels Ultraschall-Homogenisierung die Größe der Milchfettglobuli (MFG) verringert wird. Bei niedriger Amplitude (150W) zeigte sich keine zufriedenstellende Homogenisierung (Abb. 2): Die MFG-Größe und deren Verteilung ähneln denen von unbehandelte Milch (vgl. Abb. 1 und 2). Bei mittlere Ultraschall-Amplitude (267,5, 375 W) wurde eine gute Homogenisierung erreicht; der durchschnittliche Durchmesser der Milchfettkügelchen betrug 2 μm (Abb. 3, 4). Bei höheren Ultraschall-Amplituden (750W) wurde die MFG-Größe so signifikant reduziert (Abb. 6), so dass sie unter dem Lichtmikroskop (100 X Vergrößerung) kaum sichtbar waren. Der durchschnittliche Durchmesser der MFG betrug 0,3 μm.

Chandrapala et al. (2012) untersuchten die Auswirkungen von Ultraschall auf Kasein und Kalzium. Sie beschallten Proben mit frischer Magermilch, rekonstruiertes mizellares Kasein und Kaseinpulver. Die Proben wurden solange mit Ultraschall behandelt, bis die Fettkügelchen der Milch auf ca. 10nm reduziert waren. Die Analyse der beschallten Milch zeigt, dass die Größe der Kaseinmizellen unverändert bleibt. Schon innerhalb der ersten paar Minuten der Beschallung konnte ein leichter Anstieg an löslichem Molkeprotein und eine entsprechende Abnahme der Viskosität gemessen werden. Die Studie zeigt, dass der Anteil und die Größe der Kaseinmizellen während der Ultraschallbehandlung stabil bleibend auch die Konzentration an löslichem Calcium wird durch Ultraschall negativ nicht beeinflusst. [Chandrapala et al. 2012]

Kontrollierte Beschallung ermöglicht es, die Kristallimpfung (Bildung von Nuclei) zu initiieren und das Kristallwachstum positiv zu beeinflussen. Mittels Ultraschall werden kleinere und somit mehr Kristalle gebildet. Ultraschall unterstützt den Prozess der Kristallisation in zweierlei Hinsicht: Im ersten Schritt ist Ultraschall ist eine sehr effektive Technik, um gleichmäßige Lösungen herzustellen, welche Ausgangsstoff für die Kristallisation sind. In der zweiten Phase fördert Ultraschall die Bildung einer großen Anzahl von Nuclei (Kristallkeimen). Während sich bei schlechter Keimbildung nur eine geringere Zahl großer Kristalle bildet, entstehen bei effizienter Nukleiierung sehr viele kleine, feine Kristalle. Mittels Ultraschall-gestützter Kristallisation wird es sogar möglich, die Keimbildung von Zucker zu initiieren, welcher normalerweise kristallisations-avers ist (z.B. D-Fructose, Sorbit).
Die ultraschall-gestützte Kristallisation ist von großem Interesse für die Formulierung von Süßigkeiten, Süßwaren, Aufstrichen, Eis, Schlagsahne und Schokolade.

Die Hydrierung von pflanzlichen Ölen ist ein wichtiger industrieller Prozess, bei dem normalerweise große Volumina durchgesetzt werden. Durch Hydrierung werden flüssige pflanzliche Öle in feste oder halbfeste Fette (z.B. Margarine) gewandelt. In einem chemischen Prozess werden die ungesättigten Fettsäuren während der Hydrierung - einer Phasentransferkatalyse -Reaktion - in die entsprechenden gesättigten Fettsäuren verwandelt, indem Wasserstoffatome an die Doppelbindungen gefügt werden. Mittels Hochleistungs-Ultraschall kann dieser katalytische Prozess beschleunigt werden. Ein häufig verwendeter Katalysator ist Nickel. Hydrierte Fette werden häufig als Backfette in Backwaren verwendet. Ein Vorteil von gesättigten Fetten ist ihre geringer Neigung zur Oxidation und damit ein geringeres Risiko der Ranzigkeit.

Ultraschall hat sich als effektive Methode bewährt, um Kristalle im Honig zu verflüssigen und Hefe zu zerstören, ohne dass die Qualität des Honigs negativ beeinflusst wird.
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Als nicht-thermische Lebensmittelprozesstechnik stellt Ultraschall eine milde, aber wirksame Behandlungsmethode dar, mittels deren Hilfe Aromen verstärkt sowie Säfte und Pürees stabilisiert und haltbar gemacht werden können. Die ultraschall-gestützte Saftbehandlung resultiert in verbessertem, intensiveren Geschmack sowie der Stabilisierung und Haltbarmachung von Fruchtsaftgetränken.
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Hochleistungs-Ultraschall verbessert das Oaking bzw. Eichverfahren von Wein und Spirituosen aufgrund der effektiven Extraktion und den deutlich verbesserten Stoffaustausch zwischen dem (Eichen-)Holz und dem alkoholischen Getränk.
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Auch die Gärung von Wein, Most, Bier und Sake kann auch deutlich verbessert werden. Die Fermentation kann mittels Ultraschall um 50 bis 65 % beschleunigt werden!
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Für die Herstellung von Speiseeis ist ein Eis-Mixtur erforderlich. Diese Eis-Mischung besteht aus Milch, Milchpulver, Sahne, Butter oder pflanzlichem Fett, Zucker, Trockenmasse, Emulgatoren, Stabilisatoren sowie aus Zusatzstoffen wie z.B. Früchten, Nüssen, Aromen und Farbstoffen. Diese spezielle Mischung muss zuerst homogenisiert und pasteurisiert werden, um dann unter langsamem Rühren gefroren zu werden. Das Rühren ist wichtig, um die Bildung von großen Eiskristallen zu verhindern. Dabei werden sehr kleine Luftblasen in die Eiscreme gemischt (sog. Belüftung der Eismasse), um das Speiseeis aufzuschäumen und dadurch einen glatt- texturierten eiskaltes Dessertschaum herzustellen. Die Prozessschritte der der Belüftung der Eiscreme und der Eiskristallisation können mittels Ultraschall verbessert werden, um eine höhere Eiscreme-Qualität zu erreichen.
Während des Gefrierprozesses bilden sich Kristalle aus unterkühltem Wasser. Die Morphologie der Eiskristalle spielt eine wichtige Rolle für die strukturelle und physikalischen Eigenschaften von gefrorenen und halb-gefroren Lebensmitteln. Da Kristallgröße und -verteilung die Qualität von gefrorenen Produkten, wie z.B. Eiscreme, beeinflussen, wird die Bildung kleinere Eiskristalle angestrebt, da zu große Kristalle zu einer eisigen, körnigen Textur führen. Die Keimbildung der Eiskristalle ist die entscheidende Phase, während der die Kristallgröße und deren Verteilung gesteuert werden kann. Die Gefrierrate ist der Parameter, über den die Größe und Verteilung der Eiskristalle in Speiseeiscreme reguliert werden kann. Während des Aufschlagens und Gefrierens wird Luft in das Eis eingespritzt, um dadurch eine glatte, cremige Textur des Eises zu erreichen. Der sogenannte "Over-run" ist die injizierte Luftmenge, welche proportional der Mixtur aus Feststoffen und Wasser hinzugefügt wird – und speziell auf jede Rezeptur abgestimmt wird. Das heißt, dass der sog. "Over-run" je nach Eiscreme-Formulierungen und die Verarbeitungsprozess variiert. Durchschnittliches Speiseeis weist einen "Over-run" von ca. 100% auf, was bedeutet, dass das fertige Produkt zu gleichen Teilen aus Eis und kleinsten Luftblasen besteht.
Durch den Einsatz von Hielscher's Hochleistungs-Ultraschallgeräten lässt sich eine bessere Speiseeisqualität erreichen, indem die Größe der Eiskristalle verkleinert wird und die Inkrustation einer eisigen Oberfläche vermieden wird. Die so produzierte Eiscreme hat eine weichere, samtige Konsistenz und ein cremigeres Mundgefühl, da Ultraschall die Eiskristallgröße reduziert und Luftblasen feiner verteilt. Zudem wird die Prozesskapazität durch kürzere Gefrierdauer verbessert und das Herstellungsverfahren von Eiscreme energieeffizienter.

Mit Luft versetzte Nahrungsmittel, wie z.B. Biskuit-Teig, können durch Beschallung deutlich verbessert werden. Die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall während des Teigmischens verbessert die Qualität von luftigen Teigmassen wie Biskuit durch geringere Härte und höhere Kuchenelastizität, Bindekraft und Nachgiebigkeit. Für die Tests mit Ultraschall wurden alle Zutaten nach der "alles hinein"-Methode vermischt: Vollkornmehl mit niedrigem Proteingehalt, Emulgator, Maisstärke, Zucker, Backpulver, Salz und Frischei gleichzeitig zugegeben, um daraus den geschlagenen Eierteig zu formulieren. Vor dem Einsatz des Hochleistungs-Ultraschalls wurden alle Zutaten gleichmäßig zusammengerührt, so dass eine gleichmäßige Teigmasse beschallt wurde. Die ultraschallgestützte Belüftung des Kuchenteigs resultierte in geringerer Härte, niedrigere Gummiartigkeit und niedrigerer Kaukonsistenz, während Kuchenelastizität, Bindekraft und Nachgiebigkeit höher als bei den Kontrollproben waren.

Ultraschall ist eine bekannte und erprobte Methodik der Extraktion. Mittels Ultraschall kann durch Ultraschall-gestütztes Mahlen und Extrahieren Kakaobutter aus den Zellen der Kakaobohnen freigesetzt werden.
Ultraschall ist eine Alternativtechnologie, um die Zuckerkristalle in Schokolade aufzubrechen und bringt dadurch vergleichbare Effekte zum Conchieren.

Die Anwendung von Ultraschallwellen auf Fleisch führt zu Zartmachung der Fleischstruktur. Eine deutliche Zartmachung wird durch die Freisetzung von myofibrillären Proteine aus den Muskelzellen erreicht. Neben den Zartmachungseffekten verbessert Ultraschall auch die Aufnahmekapazität für Feuchtigkeit (Saftigkeit) und der Bindekraft des Fleisches.

Ultraschall-Küchenprozessoren haben ihren Weg in die Gourmetküche gefunden. Hielscher's Ultraschallgeräte werden von Gourmet-Chefköchen - wie dem mit zwei Michelin-Sternen ausgezeichneten Koch Sang-Hoon Degeimbre - verwendet.
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Chandrapala, Jayani et al. (2012): The effect of ultrasound on casein micelle integrity. Journal of Dairy Science 95/12, 2012. 6882-6890.

Chandrapala, Jayani et al. (2011): Effects of ultrasound on the thermal and structural characteristics of proteins in reconstituted whey protein concentrate. Ultrasonics Sonochemistry 18/5, 2011. 951-957.

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Feng, Hao; Barbosa-Cánovas, Gustavo V.; Weiss, Jochen (2010): Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. New York: Springer, 2010.

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