Ultraheli valkude töötlemine toidus ja toidulisandites

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on võimas protsessitehnoloogia toidus ja toidulisandites kasutatavate valkude funktsionaalsuse, dispergeeritavuse, lahustuvuse ja stabiilsuse parandamiseks. Alates taimsetest valkudest, nagu kaer, hernes, sojaoa, kanep ja riis, kuni piimavalkude ja segatud koostisteni aitab suure intensiivsusega ultraheli tootjatel optimeerida valgusüsteeme parema töötlemiskäitumise ja toote parema toimivuse saavutamiseks.

Valkude töötlemisel on ultraheli enamat kui segamisvahend. Õigesti kontrollitud ultraheli töötlus võib vähendada osakeste suurust, parandada hüdratatsiooni ja dispersiooni, suurendada lahustunud valgu osakaalu ning parandada suspensiooni stabiilsust. Need mõjud on eriti olulised joomavalmis jookide, valgukontsentraatide, rikastatud toitude ja pulbriliste toidulisandite koostiste puhul. 2025. aastal avaldatud uuringus (Höhme-Matthes et al.), mis käsitles kaeravalgu ultraheli töötlemist, suurendas ultraheli töötlus kaeravalgu kontsentraadi lahustunud kogust ja vähendas suspensiooni ebastabiilsust energiatiheduse kasvades.

Miks on ultraheli valkude töötlemine oluline

Toidu- ja toidulisandite tootjad puutuvad sageli kokku selliste väljakutsetega nagu halb märgumine, mittetäielik hüdratatsioon, settimine, kõrge viskoossus, ebastabiilsed suspensioonid ja ebaühtlane funktsionaalsus. Need probleemid muutuvad veelgi olulisemaks kõrge valgusisaldusega, taimsetes ja „clean-label“ koostistes.
Suure intensiivsusega madalsageduslik ultraheli tekitab vedelikes akustilist kavitatsiooni. Mikroskoopiliste mullide implosioon tekitab lokaalseid nihkejõude, turbulentsi ja mikrosegunemist. Valgusüsteemides võivad need mõjud lõhkuda aglomeraate, vähendada osakeste suurust, parandada massiülekannet ja muuta valgurikaste suspensioonide füüsikalist organisatsiooni. Tulemuseks on valgusüsteem, mida on lihtsam töödelda ja mis toimib valmistootes sageli paremini.

Tööstuslik ultraheli toiduprotsessor valguga rikastatud toitude ja jookide homogeniseerimiseks pidevvoolurežiimis.

Ultraheli toidu homogenisaator UIP16000 valkude tööstuslikuks töötlemiseks suurema saagise ja paremate funktsionaalsete omaduste saavutamiseks

Kuidas ultraheli töötlus parandab valkude töötlemist toiduainetööstuses

Parem dispersioon ja hüdratatsioon
Valgupulbrid hüdratiseeruvad sageli ebaühtlaselt ja moodustavad aglomeraate. Ultraheli töötlus aitab osakesi deaglomereerida ja soodustab ühtlasemat märgumist, mis võib lühendada hüdratatsiooniaega ja parandada järgnevat käsitsemist.
Osakeste suuruse vähendamine
Väiksemat osakeste suurust seostatakse sageli sujuvama suutunnetuse, parema suspensioonikäitumise ja vee parema juurdepääsuga valkude pindadele. Kaeravalgu artikkel järeldab konkreetselt, et ultraheli on kasulik taimsete valkude tööstuslikuks töötlemiseks osakeste suuruse vähendamise osas.
Suurem valgu lahustuvus
Ultraheli töötlus võib suurendada valkude lahustunud osakaalu ja parandada näilist lahustuvust keerukates süsteemides. Kaeravalgu uuringus teatavad autorid, et ultraheli töötlus suurendas kaeravalgu kontsentraadi lahustunud kogust, kusjuures lahustuvus oli juba energiatiheduse 200 J/mL juures umbes kolm korda suurem.
Suurem suspensiooni stabiilsus
Dispersiooni parandades ja lahustumata osakeste osakaalu vähendades aitab ultraheli vähendada settimist ja faaside eraldumist. Üleslaaditud artikkel teatab, et ultraheli töötlus vähendas kaeravalgu kontsentraadi suspensioonide ebastabiilsust ning et pidev läbivoolukambris töötlemine parandas suspensiooni stabiilsust samal energiatihedusel tugevalt.

Vaadake Hielscher UP400ST sondiga ultraheliseadme demonstratsioonist, kuidas suure võimsusega ultraheli tõhustab läätsede ja kaunviljade töötlemist. Videos töödeldakse läätsi kontrollitud ultrahelikavitatsiooniga – tugeva füüsikalise mehhanismiga, mis parandab hüdratatsiooni, kiirendab difusiooniprotsesse ja soodustab väärtuslike ühendite vabanemist. Ultrahelitöötlus soodustab seemnete kiiret hüdratatsiooni, rakuseinte sonoporatsiooni ja tõhusamat aineülekannet, mistõttu on see tõhus meetod seemnete külvieelseks eeltöötluseks, toiduainete töötlemiseks ja ekstraheerimiseks. Kui kavitatsioonimullid seemne pinna lähedal kokku varisevad, tekitavad need mikrojugasid ja nihkejõude, mis avavad seemnekestas mikrokanaleid ning võimaldavad veel ja lahustunud ainetel tõhusamalt sisse tungida. Ultrahelitöötlust kasutatakse laialdaselt toiduteaduses, põllumajanduses, biotehnoloogias ja taimsete koostisosade tootmises.

Näide: kaeravalgu töötlemine Hielscheri sonikaatoritega

2025. aasta uuring kaeravalgukontsentraadi töötlemise kohta iseloomustas nii partii- kui ka läbivoolukambris toimuvat ultraheli töötlust, kasutades Hielscheri seadmeid. Teadlased kasutasid katsetes seadmeid Hielscher UIP1500hdT ja Hielscher UP200St. Nad leidsid, et ultraheli töötlus suurendas kaeravalgukontsentraadi lahustunud hulka ning vähendas samal ajal suspensiooni ebastabiilsust energiatiheduse kasvades. Samuti leidsid nad, et läbivoolukambris toimuv ultraheli töötlus võimaldas suuremat läbilaskevõimet ja oli tööstuslikult asjakohasem kui tavapärane partiiviisiline lahendus.
Uuringu järeldus on lisaks, et ultraheli on kasulik vahend taimsete valgukontsentraatide tööstusliku mastaabiga protsessirakendustes. See toob esile osakeste suuruse tõhusama vähendamise, parema suspensiooni stabiilsuse ning pideva ultraheli töötluse tähtsuse läbivoolukambri konfiguratsioonides protsessi efektiivsuse ja skaleerimise jaoks.

Näide: ultraheli töötlusega parandatud hernevalgu funktsionaalsus

Ultraheli töötlus pakub hernevalgusüsteemidele mitmeid selgeid eeliseid: see parandab dispergeeritavust ja lahustuvust, lagundades agregaate ja vähendades osakeste suurust, mis võib tugevdada toidu funktsionaalseid omadusi ilma valgu seeduvust või biotsaadavust kahjustamata. Kiudaineid sisaldavates koostistes võib ultraheli lisaks soodustada kasuliku valgu–kiudaine võrgustiku teket ning sõltuvalt kiudaine tüübist suurendada viskoossust ja tekstuuri kujundamise võimet. Fermenteeritud hernevalgupõhistes jogurtialternatiivides parandas ultraheli toote kvaliteeti veelgi, vähendades peamisi kõrvalmaitset põhjustavaid ühendeid, nagu heksanaal ja 2-pentüülfuraan, ning suurendades soovitavaid jogurtilaadseid aroomiühendeid, nagu diatsetüül ja atsetoiin. See teeb ultraheli lootustandvaks puhta koostisega (clean-label) toodete vahendiks nii funktsionaalsuse kui ka sensoorsete omaduste parandamiseks.
(vrd Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Sonikeerimine avaldab hernevalgule olulist mõju: ultraheliga osakeste suuruse vähendamine ja modifitseerimine annab toidu lisaainena paremad funktsionaalsed omadused.

FE-SEM-kujutised (400- ja 2000-kordne suurendus, mõõtkava: 10 µm) töötlemata (UT) ja
ultraheliga töödeldud (T) hernevalgu proovidest (PP).
Uuring ja kujutis: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Ultraheli ekstraktor UIP4000hdT taimsete valkude suure läbilaskevõimega ekstraheerimiseks ja modifitseerimiseks

Sonikaator UIP4000hdT taimsete valkude suure läbilaskevõimega ekstraheerimiseks ja modifitseerimiseks

Näide: ultraheliga töödeldud kanepivalgu eelised

Ultraheliga kanepivalgu ekstraheerimine pakub mitmeid olulisi eeliseid, eriti rasvatustatud kanepiseemnete jäätmete väärindamisel kõrgema väärtusega koostisosadeks. Esitatud uuringus parandas ultraheliga toetatud ekstraheerimine valgu üldist saagist ja puhtust võrreldes tavapärase ekstraheerimisega; parim kombineeritud protsess saavutas umbes 62% valgusaagise ja umbes 76% puhtuse, kui seda kombineeriti HPP-eeltöötlusega. See parandas ka aminohapete ekstraheerimist eri isolaatides, mis viitab paremale toitainelisele saagisele, vältides samal ajal valgu ribamustrite märgatavat nähtavat kahjustumist SDS-PAGE-s. Üldiselt toetavad tulemused ultraheli kui keskkonnasõbralikumat ja tõhusamat ekstraheerimismeetodit, mis võib vähendada töötlusintensiivsust ning aidata muuta kanepi kõrvalsaadusi kasulikeks toidu- ja nutraseutiliste valkude koostisosadeks.
(vrd Cabral et al. 2023)

Näide: valgu hüdrolüsaadi ultraheliga ekstraheerimine riisikliidest

Riisivalgu hüdrolüsaadi ultraheliga ekstraheerimine pakub selgeid funktsionaalseid eeliseid, sest ultraheli parandab valgu vabanemist riisikliidest, lõhkudes rakustruktuure ja tõhustades massiülekannet, mistõttu on ekstraheerimine tõhusam kui tavapärastel meetoditel. Uuringus optimeeriti ekstraheerimine edukalt tahke ja vedela faasi suhtel 0,43, amplituudil 48,25% ja kestusel 29,89 minutit ning ultraheliga toetatud ensümaatiline hüdrolüüs toetas samuti tugeva bioaktiivsusega hüdrolüsaatide teket, sealhulgas kõrget ACE-inhibeerivat aktiivsust ja antioksüdantset potentsiaali. Autorid järeldavad, et ultraheli on tõhus meetod mitte ainult valgu ekstraheerimiseks, vaid ka ensümaatilise hüdrolüüsi kiirendamiseks, aidates muuta riisikliid kõrgema väärtusega bioaktiivseteks valgu koostisosadeks.
(vrd Hayta et al., 2020)

Eelised toidu- ja toidulisandite tootjatele

Parem toote kvaliteet
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib aidata kaasa vedelate valgutoodete sujuvamale tekstuurile ja suutundele, suspensioonide ja eelsegude paremale homogeensusele, valgujookides vähem nähtavale settimisele ning partiide lõikes ühtlasemale funktsionaalsele toimivusele.
Tõhusam töötlemine
Ultraheli võib töötlemist intensiivistada, kiirendades dispergeerimist ja hüdratatsiooni ning võimaldades pidevat in-line töötlust. Kaeravalgu uuringu kohaselt võimaldab läbivoolukambriga lahendus kõrgemaid tihedusi hoolimata suurest massivoolust ning võib seetõttu toetada suuremat tõhusust ja suuremat tööstuslikku asjakohasust kui tavapärane perioodiline (batch-) lahendus.
Suurem koostise paindlikkus
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) sobib keerukate taimsete valgukoostiste, kõrge valgusisaldusega kasutusvalmis (RTD) jookide, toidulisandite baaside ning homogeniseerimisele, hüdrolüüsile või kuivatamisele eelnevate protsesside jaoks. Artikli kohaselt on see oluline taimsete jookide, läga ja sellele järgnevate hüdrolüüsietappide puhul.
Parem skaleeritavuse potentsiaal
Määratletud ultraheli töötluse parameetrid, nagu amplituud, intensiivsus, energiatihedus, viibeaeg ja vasturõhk, toetavad protsessi ülekandmist laboritööst pilootmõõtkavasse ning tööstuslikku tootmisse. Üleslaaditud uuring rõhutab neid parameetreid eriti skaleeritava pideva töötluse kavandamisel.

Taimsete valkude tööstuslik töötlemine Hielscheri in-line sonikaatoriga UIP6000hdT

Tööstuslik sonikaator UIP6000hdT (6 kW) valgususpensioonide in-line töötlemiseks

Miks Hielscheri sonikaatorite kasutamine toob kasu

Hielscheri sonikaatorid sobivad valgu töötlemiseks hästi, sest need võimaldavad kontrollitud ja reprodutseeritavat ultraheli töötlust. Tootjate jaoks ei seisne tegelik eelis ainult kavitatsiooni tekitamises, vaid selle tekitamises määratletud ja skaleeritavates tingimustes.

Kontrollitud ultraheli töötluse parameetrid
Uuringus kasutatud Hielscheri süsteemid võimaldasid teadlastel töötada määratletud amplituudide, intensiivsuste ja energiatihedustega nii perioodilises (batch-) kui ka läbivoolukambri režiimis. See toetab süstemaatilist protsessiarendust ja skaleerimist.
Perioodilise ja läbivoolukambri režiimi võimekus
Tootjad saavad hinnata ultraheli töötlust esmalt perioodilises (batch-) režiimis ning liikuda seejärel pideva in-line töötluse suunas. Üleslaaditud artikkel näitab, et pidev läbivoolukambriga ultraheli töötlus võib suspensiooni stabiilsuses ja tööstuslikus asjakohasuses ületada perioodilist töötlust.
Protsessi kavandamine tööstusliku läbilaskevõime jaoks
Uuring näitab, et vasturõhk, viibeaeg ja massivoog on pideva ultraheli töötluse olulised muutujad. See on tootjate jaoks oluline, sest see muudab ultraheli töötluse päris protsessitehnika vahendiks, mitte ainult laboratoorseks meetodiks.
Tugi keerukatele valgusüsteemidele
Artikkel rõhutab, et toote omaduste, nagu osakeste suurus, suspensiooni stabiilsus, lahustuvus ja viskoossus, kujundamine on taimsete suspensioonide jaoks väga oluline. Samuti märgitakse, et sonikaatorid vajavad vähe ruumi, suudavad töödelda suuri tahkete osakeste kontsentratsioone ning pakuvad füüsikaliste ja keemiliste efektide ainulaadset kombinatsiooni.

Tüüpilised rakendused
Ultraheli abil toimuv valgu töötlemine on asjakohane järgmistel juhtudel:

kaeral, hernestel, sojal, riisil, põldubadel või nende segudel põhinevad taimsed valgujoogid;
valguga rikastatud piima- ja mittepiimajoogid;
toidulisandite suspensioonid ja vedelad shotid;
valgudispersioonid enne homogeniseerimist või emulgeerimist;
ning eelsegud pihustuskuivatamiseks või edasiseks funktsionaliseerimiseks.

Ultraheli kui skaleeritav valgu töötlemise tehnoloogia

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) aitab toidu- ja toidulisandite tootjatel parandada valkude funktsionaalsust seal, kus tavapärane segamine üksi sageli oma piirideni jõuab. Dispersiooni tugevdades, osakeste suurust vähendades, lahustunud valgufraktsioone suurendades ja suspensioone stabiliseerides võib ultraheli anda mõõdetavat kasu toote kvaliteedis ja protsessi efektiivsuses. Üleslaaditud uuring toetab seda seisukohta kaeravalgukontsentraatide puhul ning näitab, et pidev läbivoolukambriga ultraheli töötlus on tööstuslikuks töötlemiseks eriti paljulubav.
Hielscheri sonikaatorid pakuvad praktilist teed laboratoorsest teostatavusest tööstusliku rakendamiseni. Nende kasutamine avaldatud valgutöötlustöödes, sealhulgas üleslaaditud kaeravalgu uuringus, näitab, kuidas ultraheli töötlust saab arendada kontrollitud ja skaleeritavaks tootmisetapiks toidu- ja toidulisandite tootjatele.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
1 kuni 500mL	10 kuni 200mL/min	UP100H
10 kuni 2000mL	20 kuni 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 kuni 20L	0,2 kuni 4L/min	UIP2000hdT
10 kuni 100L	2 kuni 10L/min	UIP4000hdT
15 kuni 150L	3 kuni 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 kuni 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	suurem	klaster seadmetest UIP16000hdT

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheli seadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutus võimaldavad meie ultraheli seadmeid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri ultraheli seadmed tulevad hõlpsasti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu tipptasemel tehnoloogiat ja kasutajasõbralikkust pakkuvatele suure jõudlusega ultraheli seadmetele. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheli seadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Ultraheli suure nihkejõuga homogenisaatoreid kasutatakse labori-, laua-, pilootmastaabis ja tööstuslikus töötlemises.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamisrakendusteks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.

Seotud teemad

Korduma kippuvad küsimused

Mis vahe on taimsetel ja loomsetel valkudel?

Taimsed ja loomsed valgud erinevad peamiselt aminohappelise profiili, seeduvuse ja sellega seotud toidumaatriksi poolest. Loomseid valke peetakse tavaliselt täisväärtuslikeks valkudeks, sest need sisaldavad kõiki asendamatuid aminohappeid proportsioonides, mis vastavad tihedalt inimese vajadustele, ning on sageli hästi seeduvad. Paljudes taimsetes valkudes on üht või mitut asendamatut aminohapet vähem, näiteks lüsiini teraviljades või metioniini kaunviljades, ning need võivad olla halvemini seeduvad kiudainete, polüfenoolide või antinutritiivsete tegurite tõttu. Toitumisalaselt võivad taimsed valgud siiski inimese vajadusi täielikult katta, kui neid tarbitakse piisavas koguses ja täiendavate allikatega.

Milliseid omadusi peaksid taimsed valgud toidu lisaainena pakkuma?

Toidu lisaainetena peaksid taimsed valgud pakkuma nii toitumisalast kui ka funktsionaalset kvaliteeti. Neil peaks olema hea asendamatute aminohapete tasakaal, kõrge seeduvus, madal antinutritiivsete ühendite sisaldus ning hea ohutus ja allergeenide kontroll. Tehnoloogiliselt peaksid nad pakkuma kasulikke omadusi, nagu lahustuvus, emulgeerimine, vahutamine, geelistumine, veesidumine, kuumuskindlus ning neutraalne või vastuvõetav maitse ja värvus, et neid saaks toitudesse lisada ilma tekstuuri või sensoorset kvaliteeti kahjustamata.

Mis on valguisolaat?

Valguisolaat on rafineeritud valgukomponent, millest on eemaldatud enamik mittevalgulisi komponente, nagu rasv, tärklis ja kiudained, mistõttu on valgusisaldus kõrge, sageli üle umbes 80–90% kuivaine alusel. Valguisolaate toodetakse selleks, et pakkuda kontsentreeritud valku paranenud funktsionaalsuse ja prognoositavama koostisega toidu-, toitumis- või tööstuslikuks kasutuseks.

Mis on hüdrolüüsitud valk?

Hüdrolüüsitud valk on valk, mis on ensümaatilise, happelise või mõnikord termilise töötluse käigus osaliselt lagunenud väiksemateks peptiidideks ja vabadeks aminohapeteks. See protsess suurendab seeduvust ning muudab sageli funktsionaalseid omadusi, näiteks lahustuvust, emulgeerimisomadusi ja bioaktiivsust. Mõnel juhul sisaldavad hüdrolüüsitud valgud ka peptiide, millel on spetsiifiline bioloogiline toime, näiteks antioksüdantne või ACE-inhibeeriv toime.

Kirjandus / viited

Höhme-Matthes, L., A.Krause, F. Schulnies, S. Kleinschmidt, T. Kleinschmidt (2025): Characterization of Batch and Flow Cell Ultrasonication in the Processing of Oat Protein Concentrates to Obtain Higher Efficiency and Scalability. Journal of Food Process Engineering 48, no. 6: e70164.
Cabral, E.M.; Zhu, X.; Garcia-Vaquero, M.; Pérez-Vila, S.; Tang, J.; Gómez-Mascaraque, L.G.; Poojary, M.M.; Curtin, J.; Tiwari, B.K. (2023): Recovery of Protein from Industrial Hemp Waste (Cannabis sativa, L.) Using High-Pressure Processing and Ultrasound Technologies. Foods 2023, 12, 2883.
Hayta, M., Benli, B., İşçimen, E.M. et al. (2020): Optimization of antihypertensive and antioxidant hydrolysate extraction from rice bran proteins using ultrasound assisted enzymatic hydrolysis. Journal of Food Measurement and Characterization 14, 2020. 2578–2589.
Antonio J. Vela, Marina Villanueva, Ángela García Solaesa, Felicidad Ronda (2021): Impact of high-intensity ultrasound waves on structural, functional, thermal and rheological properties of rice flour and its biopolymers structural features. Food Hydrocolloids, Volume 113, 2021.
Kalla-Bertholdt, A.-M.; Baier, A.K.; Rauh, C. (2023): Influence of High-Intensity Ultrasound on Characteristics and Bioaccessibility of Pea Protein in Fiber-Enriched Suspensions. Foods 2023, 12, 3160.
Julia Matysek, Anne Baier, Ann-Marie Kalla-Bertholdt, Sandra Grebenteuch, Sascha Rohn, Cornelia Rauh (2024): Effect of ultrasound and fibre enrichment on aroma profile and texture characteristics of pea protein-based yoghurt alternatives. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 93, 2024.