Ultraheli valkude töötlemine toiduainete ja toidulisandite jaoks

Sonikatsioon on võimas protsessitehnoloogia, millega saab parandada toiduainetes ja toidulisandites kasutatavate valkude funktsionaalsust, dispergeeritavust, lahustuvust ja stabiilsust. Alates taimsetest valkudest, nagu kaer, hernes, soja, kanepi ja riis, kuni piimavalkude ja segatud preparaatideni, aitab suure intensiivsusega ultraheli tootjatel optimeerida valkude süsteeme parema töötlemiskäitumise ja parema tootekäitumise saavutamiseks.

Valgu töötlemisel on ultraheli rohkem kui segamise abivahend. Nõuetekohaselt kontrollitud sonikatsioon võib vähendada osakeste suurust, parandada hüdratatsiooni ja dispersiooni, suurendada lahustunud valkude fraktsiooni ja parandada suspensiooni stabiilsust. Need mõjud on eriti olulised joogivalmis jookide, valgukontsentraatide, rikastatud toiduainete ja pulbriliste toidulisandite puhul. 2025. aastal avaldatud uuringus (Höhme-Matthes et al.), milles uuriti ultraheli valkude töötlemist, suurendas ultraheli ultraheli kasutamisega kaeravalkukontsentraadi lahustunud kogust ja vähendas suspensiooni ebastabiilsust, kui energiatihedus suurenes.

Miks ultraheli valkude töötlemine on oluline

Toiduainete ja toidulisandite tootjad seisavad sageli silmitsi selliste probleemidega nagu halb märgumine, ebatäielik hüdratsioon, settimine, kõrge viskoossus, ebastabiilsed suspensioonid ja ebaühtlane funktsionaalsus. Need probleemid muutuvad veelgi olulisemaks kõrge valgusisaldusega, taimepõhiste ja puhta märgistusega preparaatide puhul.
Kõrge intensiivsusega madala sagedusega ultraheli tekitab vedelikes akustilist kavitatsiooni. Mikroskoopiliste mullide implosioon tekitab lokaalseid nihkejõude, turbulentsi ja mikrosegunemist. Valgusisüsteemides võivad need mõjud lõhkuda aglomeere, vähendada osakeste suurust, parandada massiülekannet ja muuta valgurikaste suspensioonide füüsikalist korraldust. Tulemuseks on valgu süsteem, mida on lihtsam töödelda ja mis sageli on lõpptootes paremad tulemused.

Kuidas sonikatsioon parandab valkude töötlemist toiduainetööstuses

• Parem dispergeerimine ja hüdratsioon
  Valgupulbrid hüdreeruvad sageli ebaühtlaselt ja moodustavad aglomeere. Soniseerimine aitab osakesi deaglomeerida ja soodustab ühtlasemat niisutamist, mis võib lühendada hüdratatsiooniaega ja parandada edasist käitlemist.
• osakeste suuruse vähendamine
  Osakeste väiksemat suurust seostatakse sageli sujuvama suuõõne, parema suspensioonikäitumise ja vee parema ligipääsuga valgu pinnale. Kaeravalku käsitlevas dokumendis jõutakse konkreetselt järeldusele, et ultraheli on kasulik taimse valgu tööstuslikul töötlemisel seoses osakeste suuruse vähenemisega.
• Suurem valkude lahustuvus
  Soniseerimine võib suurendada valkude lahustunud fraktsiooni ja parandada näilist lahustuvust keerulistes süsteemides. Kaeravalkude uuringus teatasid autorid, et ultraheli suurendas kaeravalkude kontsentraadi lahustunud kogust, kusjuures lahustuvus oli juba ligikaudu kolm korda suurem energiatiheduse 200 J/ml juures.
• Tõhustatud vedrustuse stabiilsus
  Parandades dispersiooni ja vähendades lahustumatuid osakeste fraktsioone, aitab ultraheli vähendada settimist ja faaside eraldumist. Üleslaaditud artiklis teatatakse, et ultraheli vähendas kaeravalku kontsentraadi suspensioonide ebastabiilsust ja et pidev voolukärgtöötlus parandas sama energiatiheduse juures tugevalt suspensiooni stabiilsust.

Näide: Kaeravalgu töötlemine Hielscheri sonikaatoritega

2025 uuringus kaeravalgu kontsentraadi töötlemise kohta iseloomustati nii partii- kui ka voolukambrite ultrahelitöötlust, kasutades Hielscheri seadmeid. Teadlased kasutasid oma katsetes Hielscher UIP1500hdT ja Hielscher UP200St. Nad leidsid, et ultraheliuuring suurendas kaeravalgu kontsentraadi lahustunud kogust, vähendades samal ajal suspensiooni ebastabiilsust energiatiheduse suurenemisega. Samuti leidsid nad, et voolukambriline sonikatsioon võimaldas suuremat läbilaskevõimet ja pakkus tööstuslikku tähtsust võrreldes tavalise partii konstruktsiooniga.
Lisaks järeldatakse uuringus, et ultraheli on kasulik vahend taimsete valgukontsentraatide tööstuslikes protsessirakendustes. Selles rõhutatakse osakeste suuruse paremat vähendamist, paremat suspensiooni stabiilsust ja pideva sonikatsiooni tähtsust voolukambrite konfiguratsioonides protsessi tõhususe ja suurendamise seisukohalt.

Näide: Hernevalku sonikatsiooniga parandatud funktsionaalsus

Ultrahelitöötlus pakub hernevalkude süsteemidele mitmeid selgeid eeliseid: see parandab dispergeeritavust ja lahustuvust, lõhustades agregaate ja vähendades osakeste suurust, mis võib tugevdada funktsionaalseid omadusi toidus, kahjustamata valgu seeditavust või biosaadavust. Kiudu sisaldavates preparaatides võib ultraheli soodustada ka kasulikku valgu-kiudude võrgustiku moodustumist ning sõltuvalt kiu tüübist suurendada viskoossust ja tekstuuri moodustamise võimet. Kääritatud hernevalgujogurti alternatiivides parandas ultraheli veelgi toote kvaliteeti, vähendades põhilisi kõrvalmaitsetaolisi ühendeid, nagu heksanaal ja 2-penüülfuraan, ning suurendades samal ajal soovitud jogurtile sarnaseid lõhnaühendeid, nagu diatsetüül ja atsetoin, mis teeb sellest paljutõotava Clean-Label-vahendi nii funktsionaalsuse kui ka sensoorse kvaliteedi parandamiseks.
(vt Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM kujutised (400x ja 2000x suurendus, skaala 10 µm) töötlemata (UT) ja töödeldud (UT) ja
ultraheliga töödeldud (T) hernevalkude proovid (PP).
Uuring ja pilt: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Näide: Eelised ultraheliga töödeldud kanepivalgud

Ultraheli kanepivalgu ekstraheerimine pakub mitmeid märkimisväärseid eeliseid, eriti rasvatustatud kanepiseemne jäätmete väärindamiseks kõrgema väärtusega koostisosadeks. Üleslaetud uuringus parandas ultraheli abil toimuv ekstraheerimine valkude üldist saagist ja puhtust võrreldes tavapärase ekstraheerimisega, kusjuures parim kombineeritud protsess saavutas umbes 62% valkude saagise ja umbes 76% puhtuse, kui seda kasutati koos HPP eeltöötlusega. Samuti suurendas see aminohapete ekstraheerimist kõigis isolaatides, mis viitab paremale toiteväärtusele, vältides samal ajal SDS-PAGE-l valgu ribade mustrite suuremat nähtavat kahjustamist. Kokkuvõttes toetavad tulemused ultraheli kui rohelisemat ja tõhusamat ekstraheerimismeetodit, mis võib lühendada töötlemise intensiivsust ja aidata muuta kanepi kõrvalsaadused kasulikeks toidu- ja nutraceutiliste valkude koostisosadeks.
(vt Cabral et al. 2023)

Näide: Valguhüdrolüsaadi ultraheli ekstraheerimine riisikliidest

Riisivalgu hüdrolüsaadi ultraheli ekstraheerimine pakub selgeid funktsionaalseid eeliseid, sest ultraheli parandab valkude eraldumist riisikliidest, lõhkudes rakustruktuure ja tõhustades massiülekannet, muutes ekstraheerimise tõhusamaks kui tavapärased meetodid. Uuringus optimeeriti ekstraheerimine edukalt 0,43 tahke/vedeliku suhtega, 48,25% amplituudiga ja 29,89 minutiga ning ultraheli abil toimuv ensümaatiline hüdrolüüs toetas ka tugeva bioaktiivsusega hüdrolüsaatide teket, sealhulgas kõrge ACE-inhibeeriva aktiivsuse ja antioksüdantse potentsiaaliga. Autorid järeldavad, et ultraheli on tõhus tehnika mitte ainult valkude ekstraheerimiseks, vaid ka ensümaatilise hüdrolüüsi kiirendamiseks, mis aitab muuta riisikliidist kõrgema väärtusega bioaktiivseid valgu koostisosi.
(vt Hayta et al., 2020)

Kasu toiduainete ja toidulisandite tootjatele

• Parem tootekvaliteet
  Soniseerimine võib toetada vedelate valgutoodete sujuvamat tekstuuri ja suuõõne, paremat homogeensust suspensioonides ja eelsegudes, vähem nähtavat settimist valgujoogides ning ühtlasemat funktsionaalset toimivust eri partiide puhul.
• Tõhusam töötlemine
  Ultraheli võib intensiivistada töötlemist, kiirendades dispergeerimist ja hüdreerimist ning võimaldades pidevat inline töötlust. Kaeravalkude uuringus teatatakse, et voolukärgede konstruktsioon võimaldab suuremaid tihedusi hoolimata suurest massitootlikkusest ja võib seetõttu toetada suuremat tõhusust ja suuremat tööstuslikku tähtsust kui tavaline partii konstruktsioon.
• Suurem paindlikum koostamine
  Sonikatsioon on kasulik keeruliste taimse valgu koostiste, kõrge valgusisaldusega RTD- jookide, toidulisandite aluste ja homogeniseerimise, hüdrolüüsi või kuivatamise eelsete protsesside puhul. Dokumendis märgitakse, et see on oluline taimepõhiste jookide, sete ja järgnevate hüdrolüüsi etappide puhul.
• Parem skaleerimispotentsiaal
  Määratletud sonikatsiooniparameetrid, nagu amplituud, intensiivsus, energiatihedus, viibeaeg ja vasturõhk, toetavad protsessi üleminekut laboratooriumist piloot- ja tööstuslikule tootmisele. Üleslaetud uuringus pööratakse erilist tähelepanu nendele parameetritele, et kavandada skaleeritavat pidevat töötlemist.

Miks Hielscheri sonikaatorite kasutamine toob kasu

Hielscheri sonikaatorid on valkude töötlemiseks atraktiivsed, sest need võimaldavad kontrollitud ja korratavat ultrahelitöötlust. Tootjate jaoks ei ole tõeline eelis mitte ainult kavitatsiooni tekitamine, vaid selle tekitamine kindlaksmääratud ja skaleeritavates tingimustes.

• Kontrollitud sonikatsiooni parameetrid
  Uuringus kasutatud Hielscheri süsteemid võimaldasid teadlastel töötada kindlaksmääratud amplituudide, intensiivsuste ja energiatihedustega nii partii- kui ka voolukärgirežiimil. See toetab protsessi süstemaatilist arendamist ja skaleerimist.
• Partii ja voolukambrite võimekus
  Tootjad võivad hinnata sonikatsiooni partiides ja seejärel liikuda pideva inline töötlemise suunas. Üleslaaditud paber näitab, et pidev voolukärgis sonikatsioon võib olla parem kui partiitöötlus suspensiooni stabiilsuse ja tööstusliku asjakohasuse poolest.
• Protsessi projekteerimine tööstusliku läbilaskevõime saavutamiseks
  Uuring näitab, et vasturõhk, viibeaeg ja massivool on olulised muutujad pideva sonikatsiooni puhul. See on tootjate jaoks oluline, sest see muudab ultrahelitöötluse reaalseks protsessitehnoloogiliseks vahendiks, mitte ainult laboratoorse tehnikaks.
• Toetus keeruliste valgu süsteemide jaoks
  Dokumendis rõhutatakse, et taimepõhiste suspensioonide puhul on väga oluline toote omaduste, näiteks osakeste suuruse, suspensiooni stabiilsuse, lahustuvuse ja viskoossuse kohandamine. Samuti märgitakse, et sonikaatorid vajavad väikest ruumi, saavad hakkama suurte tahkete ainete kontsentratsioonidega ning pakuvad ainulaadset füüsikaliste ja keemiliste mõjude kombinatsiooni.

 
Tüüpilised rakendused
Ultraheli valkude töötlemine on asjakohane

• taimsete valkudega joogid, mis põhinevad kaeral, hernestel, sojal, riisil, faba oadel või segudel;
• valguga rikastatud piimatooteid ja piimavabu jooke;
• toidulisandite suspensioonid ja vedelad süstid;
• valgudispersioonid enne homogeniseerimist või emulgeerimist;
• ja eelsegud pihustuskuivatuseks või edasiseks funktsionaliseerimiseks.

Ultraheli kui skaleeritav valgu töötlemise tehnoloogia

Soniseerimine aitab toiduainete ja toidulisandite tootjatel parandada valkude funktsionaalsust seal, kus tavapärane segamine üksi jõuab sageli oma piiridesse. Intensiivistades dispersiooni, vähendades osakeste suurust, suurendades lahustunud valkude fraktsioone ja stabiliseerides suspensioone, võib ultraheli anda mõõdetavat kasu toote kvaliteedile ja protsessi tõhususele. Üleslaetud uuring toetab seda seisukohta kaeravalkude kontsentraatide puhul ja näitab, et pidev voolukärgede sonikatsioon on eriti paljutõotav tööstuslikuks töötlemiseks.
Hielscheri sonikaatorid pakuvad praktilist teed laboratoorsest teostatavusest kuni tööstusliku rakendamiseni. Nende kasutamine avaldatud valkude töötlemistöödes, sealhulgas üleslaetud kaeravalgu uuringus, näitab, kuidas ultrahelitöötlust saab arendada kontrollitud ja skaleeritavaks tootmisetapiks toiduainete ja toidulisandite tootjate jaoks.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Kirjandus / Viited