فرآوری فراصوتی پروتئین برای مواد غذایی و مکمل‌های تغذیه‌ای

فراصوت‌دهی فناوری فرایندی قدرتمندی برای بهبود کارکرد، پراکنده‌شوندگی، حلالیت و پایداری پروتئین‌های مورد استفاده در مواد غذایی و مکمل‌های تغذیه‌ای است. از پروتئین‌های گیاهی مانند جو دوسر، نخودفرنگی، سویا، شاهدانه و برنج گرفته تا پروتئین‌های لبنی و فرمولاسیون‌های ترکیبی، فراصوت با شدت بالا به تولیدکنندگان کمک می‌کند سامانه‌های پروتئینی را برای رفتار بهتر در فرآوری و عملکرد بهتر محصول بهینه کنند.

در فرآوری پروتئین، فراصوت فراتر از یک عامل کمکی برای اختلاط است. فراصوت‌دهی با کنترل مناسب می‌تواند اندازهٔ ذرات را کاهش دهد، آب‌گیری و پراکنش را بهبود بخشد، سهم پروتئین حل‌شده را افزایش دهد و پایداری سوسپانسیون را بهتر کند. این اثرات به‌ویژه برای نوشیدنی‌های آمادهٔ مصرف، کنسانتره‌های پروتئینی، مواد غذایی غنی‌شده و فرمولاسیون‌های مکمل پودری اهمیت دارند. در مطالعه‌ای منتشرشده در 2025 (Höhme-Matthes et al.) که فرآوری فراصوتی پروتئین جو دوسر را بررسی کرد، فراصوت‌دهی با افزایش چگالی انرژی، مقدار حل‌شدهٔ کنسانترهٔ پروتئین جو دوسر را افزایش و ناپایداری سوسپانسیون را کاهش داد.

چرا فرآوری فراصوتی پروتئین اهمیت دارد

تولیدکنندگان مواد غذایی و مکمل‌ها اغلب با چالش‌هایی مانند ترشوندگی ضعیف، آب‌گیری ناقص، ته‌نشینی، گرانروی بالا، سوسپانسیون‌های ناپایدار و کارکرد نامنظم روبه‌رو هستند. این مسائل در فرمولاسیون‌های پرپروتئین، گیاهی و دارای برچسب پاک اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.
فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین در مایعات کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند. فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی نیروهای برشی موضعی، آشفتگی و اختلاط در مقیاس میکرو ایجاد می‌کند. در سامانه‌های پروتئینی، این اثرات می‌توانند کلوخه‌ها را بشکنند، اندازهٔ ذرات را کاهش دهند، انتقال جرم را بهبود بخشند و آرایش فیزیکی سوسپانسیون‌های غنی از پروتئین را تغییر دهند. نتیجه، سامانه‌ای پروتئینی است که فرآوری آن آسان‌تر است و اغلب در محصول نهایی عملکرد بهتری دارد.

فراصوت‌دهی چگونه فرآوری پروتئین را در صنایع غذایی بهبود می‌بخشد

• بهبود پراکنش و آب‌گیری
  پودرهای پروتئینی اغلب به‌طور ناهمگون آب‌گیری می‌کنند و کلوخه تشکیل می‌دهند. فراصوت‌دهی به کلوخه‌زدایی ذرات کمک می‌کند و ترشوندگی یکنواخت‌تر را بهبود می‌بخشد؛ این امر می‌تواند زمان آب‌گیری را کوتاه‌تر و کار با مواد را در مراحل پایین‌دستی آسان‌تر کند.
• کاهش اندازهٔ ذرات
  کاهش اندازهٔ ذرات اغلب با احساس دهانی نرم‌تر، رفتار بهتر سوسپانسیون و دسترسی بهتر آب به سطوح پروتئین همراه است. مقالهٔ مربوط به پروتئین جو دوسر به‌طور مشخص نتیجه می‌گیرد که فراصوت از نظر کاهش اندازهٔ ذرات برای فرآوری پروتئین گیاهی در مقیاس صنعتی مفید است.
• حلالیت بیشتر پروتئین
  فراصوت‌دهی می‌تواند سهم حل‌شدهٔ پروتئین‌ها را افزایش دهد و حلالیت ظاهری را در سامانه‌های دشوار بهبود بخشد. در مطالعهٔ پروتئین جو دوسر، نویسندگان گزارش می‌کنند که فراصوت‌دهی مقدار حل‌شدهٔ کنسانترهٔ پروتئین جو دوسر را افزایش داد و حلالیت حتی در چگالی انرژی 200 J/mL حدود سه برابر بیشتر بود.
• افزایش پایداری سوسپانسیون
  فراصوت با بهبود پراکنش و کاهش سهم ذرات حل‌نشده، به کاهش ته‌نشینی و جدایش فازی کمک می‌کند. مقالهٔ بارگذاری‌شده گزارش می‌کند که فراصوت‌دهی ناپایداری سوسپانسیون‌های کنسانترهٔ پروتئین جو دوسر را کاهش داد و تیمار پیوسته در سلول جریان، در چگالی انرژی یکسان، پایداری سوسپانسیون را به‌طور چشمگیری بهبود بخشید.

مثال: فرآوری پروتئین جو دوسر با سونیکاتورهای Hielscher

مطالعه‌ای در 2025 دربارهٔ فرآوری کنسانترهٔ پروتئین جو دوسر، ویژگی‌های فراصوت‌دهی ناپیوسته و فراصوت‌دهی در سلول جریان را با استفاده از تجهیزات Hielscher بررسی کرد. پژوهشگران در آزمایش‌های خود از Hielscher UIP1500hdT و Hielscher UP200St استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که با افزایش چگالی انرژی، فراصوت‌دهی مقدار حل‌شدهٔ کنسانترهٔ پروتئین جو دوسر را افزایش می‌دهد و هم‌زمان ناپایداری سوسپانسیون را کاهش می‌دهد. همچنین دریافتند که فراصوت‌دهی در سلول جریان، ظرفیت پردازش بالاتری فراهم می‌کند و در مقایسه با طراحی متداول ناپیوسته، برای کاربرد صنعتی مناسب‌تر است.
این مطالعه همچنین نتیجه می‌گیرد که فراصوت ابزاری مفید برای کاربردهای فرایندی کنسانتره‌های پروتئین گیاهی در مقیاس صنعتی است. این پژوهش بر بهبود کاهش اندازهٔ ذرات، پایداری بهتر سوسپانسیون و اهمیت فراصوت‌دهی پیوسته در پیکربندی‌های سلول جریان برای کارایی فرایند و افزایش مقیاس تأکید می‌کند.

مثال: بهبود کارکرد پروتئین نخودفرنگی با فراصوت‌دهی

فرآوری فراصوتی چندین مزیت روشن برای سامانه‌های پروتئین نخودفرنگی دارد: با شکستن تجمعات و کاهش اندازهٔ ذرات، پراکنده‌شوندگی و حلالیت را بهبود می‌بخشد؛ این امر می‌تواند بدون آسیب به قابلیت هضم یا زیست‌دسترس‌پذیری پروتئین، عملکرد آن را در مواد غذایی تقویت کند. در فرمولاسیون‌های حاوی فیبر، فراصوت همچنین می‌تواند تشکیل شبکه‌های مفید پروتئین–فیبر را تقویت کند و بسته به نوع فیبر، گرانروی و ظرفیت ایجاد بافت را افزایش دهد. در جایگزین‌های تخمیری ماست بر پایهٔ پروتئین نخودفرنگی، فراصوت با کاهش ترکیبات اصلی ایجادکنندهٔ طعم نامطلوب مانند هگزانال و 2-پنتیل‌فوران و هم‌زمان افزایش ترکیبات عطری مطلوب شبیه ماست مانند دی‌استیل و استوئین، کیفیت محصول را بیشتر بهبود بخشید؛ بنابراین ابزاری امیدبخش برای بهبود هم‌زمان کارکرد و ویژگی‌های حسی در محصولات دارای برچسب پاک است.
(رجوع کنید به Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

تصاویر FE-SEM (بزرگ‌نمایی‌های 400x و 2000x، خط مقیاس: 10 µm) از نمونه‌های پروتئین نخودفرنگی (PP) تیمارنشده (UT) و
تیمارشده با فراصوت (T).
مطالعه و تصویر: ©Kalla-Berthold et al., 2023

مثال: مزایای پروتئین شاهدانهٔ تیمارشده با فراصوت

استخراج فراصوتی پروتئین شاهدانه چندین مزیت قابل‌توجه دارد، به‌ویژه برای تبدیل پسماند دانهٔ شاهدانهٔ چربی‌گیری‌شده به مواد اولیهٔ باارزش‌تر. در مطالعهٔ بارگذاری‌شده، استخراج به کمک فراصوت در مقایسه با استخراج متداول، بازیابی کلی و خلوص پروتئین را بهبود بخشید؛ بهترین فرایند ترکیبی در صورت همراه شدن با پیش‌تیمار HPP به حدود 62% بازیابی پروتئین و حدود 76% خلوص رسید. این روش همچنین استخراج اسیدهای آمینه را در ایزوله‌ها افزایش داد که نشان‌دهندهٔ بازده تغذیه‌ای بهتر است، درحالی‌که از آسیب عمدهٔ قابل‌مشاهده به الگوهای باند پروتئینی در SDS-PAGE جلوگیری شد. در مجموع، یافته‌ها از فراصوت به‌عنوان رویکردی سازگارتر با محیط‌زیست و کارآمدتر برای استخراج حمایت می‌کنند که می‌تواند شدت فرآوری را کاهش دهد و به تبدیل محصولات جانبی شاهدانه به مواد اولیهٔ پروتئینی مفید برای مواد غذایی و محصولات تغذیه‌ای‌درمانی کمک کند.
(رجوع کنید به Cabral et al. 2023)

مثال: استخراج فراصوتی هیدرولیزات پروتئین از سبوس برنج

استخراج فراصوتی هیدرولیزات پروتئین برنج مزایای عملکردی روشنی دارد، زیرا فراصوت با تخریب ساختارهای سلولی و تقویت انتقال جرم، آزادسازی پروتئین از سبوس برنج را بهبود می‌بخشد و استخراج را کارآمدتر از روش‌های متداول می‌کند. در این مطالعه، استخراج با موفقیت در نسبت جامد/مایع 0٫43، دامنهٔ 48٫25% و زمان 29٫89 دقیقه بهینه شد؛ هیدرولیز آنزیمی به کمک فراصوت نیز به تولید هیدرولیزات‌هایی با فعالیت زیستی قوی، از جمله فعالیت مهارکنندگی بالای ACE و پتانسیل آنتی‌اکسیدانی، کمک کرد. نویسندگان نتیجه می‌گیرند که فراصوت نه‌تنها برای استخراج پروتئین، بلکه برای تسریع هیدرولیز آنزیمی نیز روشی مؤثر است و به تبدیل سبوس برنج به مواد اولیهٔ پروتئینی زیست‌فعال با ارزش بالاتر کمک می‌کند.
(رجوع کنید به Hayta et al., 2020)

مزایا برای تولیدکنندگان مواد غذایی و مکمل‌ها

• کیفیت بهتر محصول
  فراصوت‌دهی می‌تواند به ایجاد بافت و احساس دهانی نرم‌تر در محصولات پروتئینی مایع، بهبود همگنی سوسپانسیون‌ها و پیش‌مخلوط‌ها، کاهش ته‌نشینی قابل‌مشاهده در نوشیدنی‌های پروتئینی و عملکرد یکنواخت‌تر در بچ‌های مختلف تولید کمک کند.
• فرآوری کارآمدتر
  فراصوت می‌تواند با تسریع پراکنش و آب‌گیری و فراهم‌کردن امکان تیمار پیوستهٔ درون‌خطی، فرآوری را تشدید کند. مطالعهٔ پروتئین جو دوسر گزارش می‌کند که طراحی سلول جریان، با وجود ظرفیت پردازش جرمی بالا، امکان دستیابی به چگالی‌های بیشتر را فراهم می‌کند و بنابراین می‌تواند در مقایسه با طراحی متداول ناپیوسته، کارایی بالاتر و تناسب بیشتری برای کاربرد صنعتی داشته باشد.
• انعطاف‌پذیری بیشتر در فرمولاسیون
  فراصوت‌دهی برای فرمولاسیون‌های چالش‌برانگیز پروتئین گیاهی، نوشیدنی‌های آمادهٔ مصرف (RTD) پرپروتئین، پایه‌های مکمل و فرایندهای بالادستی همگن‌سازی، هیدرولیز یا خشک‌کردن مفید است. این مقاله به کاربرد آن برای نوشیدنی‌های گیاهی، دوغاب‌ها و مراحل بعدی هیدرولیز اشاره می‌کند.
• قابلیت بهتر افزایش مقیاس
  پارامترهای تعریف‌شدهٔ فراصوت‌دهی مانند دامنه، شدت، چگالی انرژی، زمان ماند و فشار برگشتی، انتقال فرایند از کار آزمایشگاهی به تولید پایلوت و صنعتی را تسهیل می‌کنند. مطالعهٔ بارگذاری‌شده برای طراحی فرآوری پیوستهٔ مقیاس‌پذیر، بر این پارامترها تأکید ویژه‌ای دارد.

چرا استفاده از سونیکاتورهای Hielscher مزیت دارد

سونیکاتورهای Hielscher برای فرآوری پروتئین جذاب هستند، زیرا امکان تیمار فراصوتی کنترل‌شده و تکرارپذیر را فراهم می‌کنند. برای تولیدکنندگان، مزیت واقعی صرفاً ایجاد کاویتاسیون نیست، بلکه ایجاد آن در شرایط تعریف‌شده و مقیاس‌پذیر است.

• پارامترهای کنترل‌شدهٔ فراصوت‌دهی
  سامانه‌های Hielscher به‌کاررفته در این مطالعه به پژوهشگران امکان دادند در هر دو حالت ناپیوسته و سلول جریان، با دامنه‌ها، شدت‌ها و چگالی‌های انرژی تعریف‌شده کار کنند. این قابلیت از توسعهٔ نظام‌مند فرایند و افزایش مقیاس پشتیبانی می‌کند.
• قابلیت کار به‌صورت ناپیوسته و در سلول جریان
  تولیدکنندگان می‌توانند فراصوت‌دهی را به‌صورت ناپیوسته ارزیابی کنند و سپس به سمت فرآوری پیوستهٔ درون‌خطی حرکت کنند. مقالهٔ بارگذاری‌شده نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی پیوسته در سلول جریان می‌تواند از نظر پایداری سوسپانسیون و تناسب برای کاربرد صنعتی، عملکردی بهتر از تیمار ناپیوسته داشته باشد.
• طراحی فرایند برای ظرفیت پردازش صنعتی
  این مطالعه نشان می‌دهد که فشار برگشتی، زمان ماند و دبی جرمی، متغیرهای مهمی در فراصوت‌دهی پیوسته هستند. این موضوع برای تولیدکنندگان اهمیت دارد، زیرا تیمار فراصوتی را به ابزاری واقعی در مهندسی فرایند تبدیل می‌کند، نه صرفاً یک روش آزمایشگاهی.
• پشتیبانی از سامانه‌های پروتئینی دشوار
  این مقاله تأکید می‌کند که تنظیم ویژگی‌های محصول مانند اندازهٔ ذرات، پایداری سوسپانسیون، حلالیت و گرانروی برای سوسپانسیون‌های گیاهی اهمیت زیادی دارد. همچنین اشاره می‌کند که سونیکاتورها به فضای نصب کمی نیاز دارند، می‌توانند غلظت‌های بالای مواد جامد را پردازش کنند و ترکیبی منحصربه‌فرد از اثرات فیزیکی و شیمیایی ارائه می‌دهند.

 
کاربردهای متداول
فرآوری فراصوتی پروتئین در موارد زیر کاربرد دارد

• نوشیدنی‌های پروتئین گیاهی بر پایهٔ جو دوسر، نخودفرنگی، سویا، برنج، باقلا یا ترکیب آن‌ها؛
• نوشیدنی‌های لبنی و غیرلبنی غنی‌شده با پروتئین؛
• سوسپانسیون‌های مکمل تغذیه‌ای و شات‌های مایع؛
• پراکنه‌های پروتئینی پیش از همگن‌سازی یا امولسیون‌سازی؛
• و پیش‌مخلوط‌ها برای خشک‌کردن پاششی یا اصلاح بیشتر ویژگی‌های عملکردی.

فراصوت به‌عنوان فناوری مقیاس‌پذیر فرآوری پروتئین

فراصوت‌دهی به تولیدکنندگان مواد غذایی و مکمل‌ها کمک می‌کند کارکرد پروتئین را در مواردی بهبود بخشند که اختلاط متداول به‌تنهایی اغلب به محدودیت‌های خود می‌رسد. فراصوت با تشدید پراکنش، کاهش اندازهٔ ذرات، افزایش سهم پروتئین‌های حل‌شده و پایدارسازی سوسپانسیون‌ها می‌تواند مزایایی قابل‌اندازه‌گیری در کیفیت محصول و کارایی فرایند ایجاد کند. مطالعهٔ بارگذاری‌شده این دیدگاه را برای کنسانتره‌های پروتئین جو دوسر تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی پیوسته در سلول جریان، به‌ویژه برای فرآوری صنعتی امیدبخش است.
سونیکاتورهای Hielscher مسیری عملی از امکان‌سنجی آزمایشگاهی تا اجرای صنعتی فراهم می‌کنند. استفاده از آن‌ها در پژوهش‌های منتشرشده دربارهٔ فرآوری پروتئین، از جمله مطالعهٔ بارگذاری‌شدهٔ پروتئین جو دوسر، نشان می‌دهد که چگونه می‌توان تیمار فراصوتی را به مرحله‌ای کنترل‌شده و مقیاس‌پذیر در تولید مواد غذایی و مکمل‌های تغذیه‌ای تبدیل کرد.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و سهولت کاربری، ادغام روان دستگاه‌های فراصوتی ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و کاربری آسان، تأکید ویژه‌ای دارد. بدیهی است که دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با الزامات CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.