Traitement des protéines par ultrasons pour les aliments et les compléments alimentaires

La sonication est une technologie de procédé performante pour améliorer la fonctionnalité, la dispersibilité, la solubilité et la stabilité des protéines utilisées dans les aliments et les compléments alimentaires. Des protéines végétales telles que celles d’avoine, de pois, de soja, de chanvre et de riz aux protéines laitières et aux formulations mélangées, les ultrasons de haute intensité aident les fabricants à optimiser les systèmes protéiques pour obtenir un meilleur comportement en cours de traitement et de meilleures performances des produits.

Dans le traitement des protéines, les ultrasons sont plus qu’une simple aide au mélange. Une sonication correctement contrôlée peut réduire la taille des particules, améliorer l’hydratation et la dispersion, augmenter la fraction de protéines dissoutes et améliorer la stabilité des suspensions. Ces effets sont particulièrement pertinents pour les boissons prêtes à boire, les concentrés de protéines, les aliments enrichis et les formulations de compléments en poudre. Dans une étude publiée en 2025 (Höhme-Matthes et al.) portant sur le traitement par ultrasons des protéines d’avoine, l’ultrasonication a augmenté la quantité dissoute de concentré de protéines d’avoine et diminué l’instabilité des suspensions à mesure que la densité d’énergie augmentait.

Pourquoi le traitement des protéines par ultrasons est important

Les fabricants d’aliments et de compléments alimentaires sont fréquemment confrontés à des difficultés telles qu’un mauvais mouillage, une hydratation incomplète, la sédimentation, une viscosité élevée, des suspensions instables et une fonctionnalité irrégulière. Ces problèmes prennent encore plus d’importance dans les formulations riches en protéines, d’origine végétale et « clean label ».
Les ultrasons de haute intensité et de basse fréquence génèrent une cavitation acoustique dans les liquides. L’implosion de bulles microscopiques crée des forces de cisaillement localisées, des turbulences et un micro-mélange. Dans les systèmes protéiques, ces effets peuvent briser les agglomérats, réduire la taille des particules, améliorer le transfert de masse et modifier l’organisation physique des suspensions riches en protéines. Il en résulte un système protéique plus facile à traiter et souvent plus performant dans le produit fini.

Comment la sonication améliore le traitement des protéines dans l’industrie alimentaire

• Amélioration de la dispersion et de l’hydratation
  Les poudres de protéines s’hydratent souvent de manière inégale et forment des agglomérats. La sonication aide à désagglomérer les particules et favorise un mouillage plus uniforme, ce qui peut raccourcir les temps d’hydratation et faciliter la manipulation en aval.
• Réduction de la taille des particules
  Une taille de particules réduite est fréquemment associée à une sensation en bouche plus onctueuse, à un meilleur comportement en suspension et à un meilleur accès de l’eau aux surfaces des protéines. L’article sur les protéines d’avoine conclut spécifiquement que les ultrasons sont utiles pour le traitement des protéines végétales à l’échelle industrielle en ce qui concerne la diminution de la taille des particules.
• Solubilité accrue des protéines
  La sonication peut augmenter la fraction dissoute des protéines et améliorer la solubilité apparente dans des systèmes difficiles. Dans l’étude sur les protéines d’avoine, les auteurs rapportent que l’ultrasonication a augmenté la quantité dissoute de concentré de protéines d’avoine, la solubilité étant déjà environ trois fois plus élevée à une densité d’énergie de 200 J/mL.
• Stabilité accrue des suspensions
  En améliorant la dispersion et en réduisant les fractions de particules non dissoutes, les ultrasons contribuent à réduire la sédimentation et la séparation de phases. L’article téléchargé rapporte que l’ultrasonication a diminué l’instabilité des suspensions de concentré de protéines d’avoine et que le traitement continu en cellule à circulation a fortement amélioré la stabilité des suspensions à densité d’énergie égale.

Exemple : traitement des protéines d’avoine avec les sonicateurs Hielscher

Une étude de 2025 sur le traitement du concentré de protéines d’avoine a caractérisé l’ultrasonication en mode batch et en cellule à circulation à l’aide d’équipements Hielscher. Les chercheurs ont utilisé un Hielscher UIP1500hdT et un Hielscher UP200St dans leurs expériences. Ils ont constaté que l’ultrasonication augmentait la quantité dissoute de concentré de protéines d’avoine tout en diminuant l’instabilité des suspensions à mesure que la densité d’énergie augmentait. Ils ont également constaté que la sonication en cellule à circulation permettait un débit plus élevé et présentait une pertinence industrielle par rapport à la conception courante en batch.
L’étude conclut en outre que les ultrasons sont un outil utile dans les applications de procédé à l’échelle industrielle pour les concentrés de protéines végétales. Elle met en évidence une meilleure réduction de la taille des particules, une meilleure stabilité des suspensions et l’importance de la sonication continue dans des configurations en cellule à circulation pour l’efficacité du procédé et la mise à l’échelle.

Exemple : fonctionnalité des protéines de pois améliorée par sonication

Le traitement par ultrasons offre plusieurs avantages nets pour les systèmes à base de protéines de pois : il améliore la dispersibilité et la solubilité en décomposant les agrégats et en réduisant la taille des particules, ce qui peut renforcer les performances fonctionnelles dans les aliments sans nuire à la digestibilité ni à la bioaccessibilité des protéines. Dans les formulations contenant des fibres, les ultrasons peuvent également favoriser la formation d’un réseau protéines–fibres utile et, selon le type de fibres, augmenter la viscosité et la capacité texturante. Dans les alternatives au yaourt fermentées à base de protéines de pois, les ultrasons ont en outre amélioré la qualité du produit en réduisant des composés clés responsables de faux goûts, tels que l’hexanal et le 2-pentylfurane, tout en augmentant des composés aromatiques souhaitables de type yaourt, tels que le diacétyle et l’acétoïne, ce qui en fait un outil « clean label » prometteur pour améliorer à la fois la fonctionnalité et les propriétés sensorielles.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Images FE-SEM (grossissements 400x et 2000x, barre d’échelle : 10 µm) d’échantillons de protéines de pois (PP) non traités (UT) et
traités par ultrasons (T).
Étude et image : ©Kalla-Berthold et al., 2023

Exemple : avantages des protéines de chanvre traitées par ultrasons

L’extraction des protéines de chanvre par ultrasons offre plusieurs avantages notables, en particulier pour valoriser les déchets de graines de chanvre dégraissées en ingrédients à plus forte valeur ajoutée. Dans l’étude téléchargée, l’extraction assistée par ultrasons a amélioré le taux de récupération global des protéines et leur pureté par rapport à l’extraction conventionnelle, le meilleur procédé combiné atteignant environ 62% de récupération des protéines et environ 76% de pureté lorsqu’il était associé à un prétraitement HPP. Elle a également amélioré l’extraction des acides aminés dans l’ensemble des isolats, ce qui suggère un meilleur rendement nutritionnel, tout en évitant des dommages visibles majeurs aux profils de bandes protéiques en SDS-PAGE. Dans l’ensemble, les résultats confirment que les ultrasons constituent une approche d’extraction plus écologique et plus efficace, capable de réduire l’intensité du traitement et de contribuer à transformer les sous-produits du chanvre en ingrédients protéiques utiles pour l’alimentation et les nutraceutiques.
(cf. Cabral et al. 2023)

Exemple : extraction par ultrasons d’hydrolysat de protéines à partir de son de riz

L’extraction d’hydrolysat de protéines de riz par ultrasons offre des avantages fonctionnels nets, car les ultrasons améliorent la libération des protéines du son de riz en perturbant les structures cellulaires et en améliorant le transfert de masse, ce qui rend l’extraction plus efficace que les approches conventionnelles. Dans l’étude, l’extraction a été optimisée avec succès à un rapport solide/liquide de 0,43, une amplitude de 48,25% et une durée de 29,89 minutes, et l’hydrolyse enzymatique assistée par ultrasons a également favorisé la production d’hydrolysats à forte bioactivité, notamment une activité inhibitrice de l’ECA élevée et un potentiel antioxydant. Les auteurs concluent que les ultrasons sont une technique efficace non seulement pour l’extraction des protéines, mais aussi pour accélérer l’hydrolyse enzymatique, contribuant ainsi à transformer le son de riz en ingrédients protéiques bioactifs à plus forte valeur ajoutée.
(cf. Hayta et al., 2020)

Avantages pour les fabricants d’aliments et de compléments alimentaires

• Meilleure qualité des produits
  La sonication peut favoriser une texture et une sensation en bouche plus onctueuses dans les produits protéiques liquides, une meilleure homogénéité des suspensions et des prémélanges, une sédimentation moins visible dans les boissons protéinées et des performances fonctionnelles plus constantes d’un lot à l’autre.
• Traitement plus efficace
  Les ultrasons peuvent intensifier le traitement en accélérant la dispersion et l’hydratation et en permettant un traitement continu en ligne. L’étude sur les protéines d’avoine rapporte que la conception en cellule à circulation permet des densités plus élevées malgré un débit massique élevé et peut donc favoriser une efficacité accrue et une pertinence industrielle plus grande qu’une conception courante en batch.
• Plus grande flexibilité de formulation
  La sonication est utile pour les formulations exigeantes à base de protéines végétales, les boissons RTD riches en protéines, les bases de compléments et les procédés en amont de l’homogénéisation, de l’hydrolyse ou du séchage. L’article souligne la pertinence pour les boissons végétales, les suspensions concentrées et les étapes d’hydrolyse ultérieures.
• Meilleur potentiel de mise à l’échelle
  Des paramètres de sonication définis tels que l’amplitude, l’intensité, la densité d’énergie, le temps de séjour et la contre-pression favorisent le transfert du procédé du laboratoire vers la production pilote et industrielle. L’étude téléchargée accorde une importance particulière à ces paramètres pour la conception d’un traitement continu transposable à l’échelle.

Pourquoi l’utilisation des sonicateurs Hielscher présente des avantages

Les sonicateurs Hielscher sont intéressants pour le traitement des protéines, car ils permettent un traitement par ultrasons contrôlé et reproductible. Pour les fabricants, le véritable avantage n’est pas seulement de générer de la cavitation, mais de la générer dans des conditions définies et transposables à l’échelle.

• Paramètres de sonication contrôlés
  Les systèmes Hielscher utilisés dans l’étude ont permis aux chercheurs de travailler avec des amplitudes, des intensités et des densités d’énergie définies, aussi bien en mode batch qu’en cellule à circulation. Cela favorise un développement de procédé systématique et la mise à l’échelle.
• Fonctionnement en batch et en cellule à circulation
  Les fabricants peuvent évaluer la sonication en batch, puis passer à un traitement continu en ligne. L’article téléchargé montre que la sonication continue en cellule à circulation peut surpasser le traitement en batch en matière de stabilité des suspensions et de pertinence industrielle.
• Conception de procédé pour un débit industriel
  L’étude montre que la contre-pression, le temps de séjour et le débit massique sont des variables importantes de la sonication continue. Cela compte pour les fabricants, car cela fait du traitement par ultrasons un véritable outil de génie des procédés plutôt qu’une simple technique de laboratoire.
• Prise en charge des systèmes protéiques difficiles
  L’article souligne qu’adapter les propriétés des produits telles que la taille des particules, la stabilité des suspensions, la solubilité et la viscosité est d’une importance majeure pour les suspensions végétales. Il note également que les sonicateurs nécessitent un faible encombrement, peuvent traiter des concentrations élevées en matières solides et offrent une combinaison unique d’effets physiques et chimiques.

 
Applications typiques
Le traitement des protéines par ultrasons est pertinent pour

• les boissons à base de protéines végétales d’avoine, de pois, de soja, de riz, de féverole ou de mélanges ;
• les boissons laitières et non laitières enrichies en protéines ;
• les suspensions de compléments alimentaires et les shots liquides ;
• les dispersions de protéines avant homogénéisation ou émulsification ;
• et les prémélanges destinés au séchage par atomisation ou à une fonctionnalisation ultérieure.

Les ultrasons, une technologie de traitement des protéines transposable à l’échelle

La sonication aide les fabricants d’aliments et de compléments alimentaires à améliorer la fonctionnalité des protéines là où le mélange conventionnel seul atteint souvent ses limites. En intensifiant la dispersion, en réduisant la taille des particules, en augmentant les fractions de protéines dissoutes et en stabilisant les suspensions, les ultrasons peuvent apporter des avantages mesurables en matière de qualité des produits et d’efficacité des procédés. L’étude téléchargée étaye cette position pour les concentrés de protéines d’avoine et indique que la sonication continue en cellule à circulation est particulièrement prometteuse pour le traitement industriel.
Les sonicateurs Hielscher offrent une voie pratique allant de la faisabilité en laboratoire à la mise en œuvre industrielle. Leur utilisation dans des travaux publiés sur le traitement des protéines, notamment l’étude téléchargée sur les protéines d’avoine, montre comment le traitement par ultrasons peut être développé en une étape de production contrôlée et transposable à l’échelle pour les fabricants d’aliments et de compléments alimentaires.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :

Conception, fabrication et conseil – qualité Made in Germany

Les ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasonicateurs dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement maîtrisés par les ultrasonicateurs Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière à des ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Bibliographie / Références

• 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.