Traitement ultrasonique des protéines pour les aliments et les compléments nutritionnels

La sonication est une technologie de traitement puissante qui permet d'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 l'avoine, le pois, le soja, le chanvre et le riz aux protéines laitières et aux formulations mélangées, les ultrasons de haute intensité aident les fabricants à optimiser les systèmes protéiques pour un meilleur comportement lors de la transformation et une meilleure performance des produits.

Dans le traitement des protéines, les ultrasons sont plus qu'une aide au mélange. Une sonication bien contrôlée peut réduire la taille des particules, améliorer l'hydratation et la dispersion, augmenter la fraction de protéine dissoute et améliorer la stabilité de la suspension. Ces effets sont particulièrement importants pour les boissons prêtes à boire, les concentrés de protéines, les aliments enrichis et les formulations de suppléments en poudre. Dans une étude publiée en 2025 (Höhme-Matthes et al.) portant sur le traitement ultrasonique des protéines d'avoine, les ultrasons ont augmenté la quantité dissoute de concentré de protéines d'avoine et réduit l'instabilité de la suspension à mesure que la densité énergétique augmentait.

L'importance du traitement des protéines par ultrasons

Les fabricants d'aliments et de compléments alimentaires sont souvent confrontés à des problèmes tels qu'un mauvais mouillage, une hydratation incomplète, une sédimentation, une viscosité élevée, des suspensions instables et une fonctionnalité incohérente. Ces problèmes deviennent encore plus importants dans les formulations à haute teneur en protéines, à base de plantes 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 la transformation des protéines dans l'industrie alimentaire

• Amélioration de la dispersion et de l'hydratation
  Les poudres protéiques 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 améliorer la manipulation en aval.
• réduction de taille de particules
  La réduction de la taille des particules est souvent associée à une sensation en bouche plus douce, 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 réduction de la taille des particules.
• Plus grande solubilité des protéines
  La sonication peut augmenter la fraction dissoute des protéines et améliorer la solubilité apparente dans les systèmes difficiles. Dans l'étude sur les protéines d'avoine, les auteurs rapportent que l'ultrasonication a augmenté la quantité dissoute du concentré de protéines d'avoine, la solubilité étant déjà trois fois plus élevée à une densité d'énergie de 200 J/mL.
• Stabilité accrue de la suspension
  En améliorant la dispersion et en réduisant les fractions de particules non dissoutes, les ultrasons contribuent à réduire la sédimentation et la séparation des phases. L'article téléchargé rapporte que l'ultrasonication réduit l'instabilité des suspensions de concentré de protéines d'avoine et que le traitement continu par cellule d'écoulement améliore fortement la stabilité de la suspension à la même densité d'énergie.

Exemple : Traitement des protéines d'avoine avec les sonicateurs Hielscher

Une étude de 2025 sur le traitement des concentrés de protéines d'avoine a caractérisé l'ultrasonication par lots et par cellules d'écoulement à l'aide de l'équipement Hielscher. Les chercheurs ont utilisé un Hielscher UIP1500hdT et un Hielscher UP200St dans leurs expériences. Ils ont constaté que l'ultrasonisation augmentait la quantité dissoute de concentré de protéines d'avoine tout en diminuant l'instabilité de la suspension avec l'augmentation de la densité d'énergie. Ils ont également constaté que la sonication en cellule d'écoulement permettait un débit plus élevé et offrait une pertinence industrielle par rapport à la conception par lots habituelle.
L'étude conclut en outre que les ultrasons sont un outil utile dans les applications de traitement à l'échelle industrielle des concentrés de protéines végétales. Elle met en évidence l'amélioration de la réduction de la taille des particules, une meilleure stabilité de la suspension et l'importance d'une sonication continue dans les configurations de cellules d'écoulement pour l'efficacité du processus et la mise à l'échelle.

Exemple : Amélioration de la fonctionnalité de la protéine de pois par sonication

Le traitement par ultrasons présente plusieurs avantages évidents pour les systèmes de protéines de pois : il améliore la dispersibilité et la solubilité en brisant les agrégats et en réduisant la taille des particules, ce qui peut renforcer les performances fonctionnelles des aliments sans nuire à la digestibilité ou à la bioaccessibilité des protéines. Dans les formulations contenant des fibres, les ultrasons peuvent également favoriser la formation d'un réseau protéine-fibre utile et, selon le type de fibre, augmenter la viscosité et la capacité à créer une texture. Dans les yaourts fermentés à base de protéines de pois, les ultrasons ont encore amélioré la qualité du produit en réduisant les principaux composés de mauvais goût tels que l'hexanal et le 2-pentylfurane, tout en augmentant les composés aromatiques de type yaourt tels que le diacétyle et l'acétoïne, ce qui en fait un outil prometteur de labellisation propre pour l'amélioration des fonctionnalités et de la qualité sensorielle.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023 ; Matysek et al., 2024)

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

Exemple : Avantages des protéines de chanvre traitées par ultrasons

L'extraction ultrasonique des protéines de chanvre offre plusieurs avantages notables, en particulier pour la valorisation des déchets de graines de chanvre dégraissées en ingrédients de plus grande valeur. Dans l'étude téléchargée, l'extraction assistée par ultrasons a amélioré la récupération et la pureté globales des protéines par rapport à l'extraction conventionnelle, le meilleur processus combiné atteignant environ 62 % de récupération des protéines et environ 76 % de pureté lorsqu'il est associé à un prétraitement HPP. Elle a également amélioré l'extraction des acides aminés dans les isolats, ce qui suggère un meilleur rendement nutritionnel, tout en évitant les dommages visibles majeurs aux bandes de protéines sur le SDS-PAGE. Dans l'ensemble, les résultats confirment que les ultrasons constituent une méthode d'extraction plus écologique et plus efficace qui peut réduire l'intensité du traitement et contribuer à transformer les sous-produits du chanvre en ingrédients protéiques utiles pour l'alimentation et la nutraceutique.
(cf. Cabral et al. 2023)

Exemple : Extraction ultrasonique d'un hydrolysat de protéines de son de riz

L'extraction ultrasonique d'hydrolysats de protéines de riz offre des avantages fonctionnels évidents, 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 cette étude, l'extraction a été optimisée avec un rapport solide/liquide de 0,43, une amplitude de 48,25 % et une durée de 29,89 minutes. L'hydrolyse enzymatique assistée par ultrasons a également permis de générer des hydrolysats présentant une forte bioactivité, notamment une activité inhibitrice de l'enzyme de conversion de l'angiotensine et un potentiel antioxydant élevé. Les auteurs concluent que les ultrasons sont une technique efficace non seulement pour l'extraction des protéines, mais aussi pour l'accélération de l'hydrolyse enzymatique, ce qui permet de convertir le son de riz en ingrédients protéiques bioactifs de plus grande valeur.
(cf. Hayta et al., 2020)

Avantages pour les fabricants d'aliments et de compléments alimentaires

• Meilleure qualité des produits
  La sonication peut améliorer la texture et la sensation en bouche des produits protéiques liquides, l'homogénéité des suspensions et des prémélanges, la sédimentation moins visible dans les boissons protéinées et des performances fonctionnelles plus constantes d'un lot à l'autre.
• Un 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 indique que la conception de la cellule d'écoulement permet d'obtenir des densités plus élevées malgré un débit de masse élevé et peut donc favoriser une plus grande efficacité et une plus grande pertinence industrielle qu'une conception par lots classique.
• Une plus grande souplesse de formulation
  La sonication est utile pour les formulations difficiles de protéines végétales, les boissons à haute teneur en protéines, les bases de suppléments et les processus en amont de l'homogénéisation, de l'hydrolyse ou du séchage. L'article souligne la pertinence de cette technique pour les boissons à base de plantes, les boues 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, facilitent le transfert des procédés du travail de laboratoire à la production pilote et industrielle. L'étude téléchargée met particulièrement l'accent sur ces paramètres pour la conception d'un traitement continu évolutif.

Pourquoi l'utilisation des sonicateurs Hielscher apporte-t-elle des avantages ?

Les sonicateurs Hielscher sont intéressants pour le traitement des protéines car ils permettent un traitement ultrasonique contrôlé et reproductible. Pour les fabricants, le véritable avantage n'est pas seulement de générer de la cavitation, mais de le faire dans des conditions définies et évolutives.

• 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, à la fois en mode discontinu et en mode cellule d'écoulement. Cela permet un développement systématique des processus et une mise à l'échelle.
• Capacité de traitement par lots et par cellules d'écoulement
  Les fabricants peuvent évaluer la sonication par lots, puis passer à un traitement continu en ligne. L'article téléchargé montre que la sonication en continu dans une cellule d'écoulement peut être plus performante que le traitement par lots en ce qui concerne la stabilité des suspensions et la pertinence industrielle.
• Conception de procédés pour un débit industriel
  L'étude montre que la contre-pression, le temps de séjour et le débit massique sont des variables importantes dans la sonication continue. Cela est important pour les fabricants, car cela fait du traitement par ultrasons un véritable outil d'ingénierie des procédés, et non plus seulement une technique de laboratoire.
• Soutien aux systèmes protéiques difficiles
  Le document souligne que l'adaptation des propriétés du produit, telles que la taille des particules, la stabilité de la suspension, la solubilité et la viscosité, est d'une importance majeure pour les suspensions à base de plantes. Il note également que les sonicateurs ont besoin d'un faible encombrement, qu'ils peuvent traiter des concentrations solides élevées et qu'ils offrent une combinaison unique d'effets physiques et chimiques.

 
Applications typiques
Le traitement ultrasonique des protéines est intéressant pour

• les boissons à base de protéines végétales d'avoine, de pois, de soja, de riz, de féveroles ou de mélanges ;
• des boissons laitières et non laitières enrichies en protéines ;
• les suspensions de compléments nutritionnels et les injections liquides ;
• des dispersions de protéines avant l'homogénéisation ou l'émulsification ;
• et des prémélanges pour le séchage par pulvérisation ou la fonctionnalisation ultérieure.

Les ultrasons, une technologie évolutive pour le traitement des protéines

La sonication aide les fabricants de produits alimentaires et de compléments alimentaires à améliorer la fonctionnalité des protéines là où le mélange conventionnel 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 termes de qualité des produits et d'efficacité des processus. L'étude téléchargée soutient cette position pour les concentrés de protéines d'avoine et indique que la sonication en flux continu est particulièrement prometteuse pour le traitement industriel.
Les sonicateurs Hielscher permettent de passer de la faisabilité en laboratoire à la mise en œuvre industrielle. Leur utilisation dans des travaux publiés sur la transformation des protéines, y compris l'étude sur les protéines d'avoine téléchargée, montre comment le traitement par ultrasons peut devenir une étape de production contrôlée et évolutive pour les fabricants de produits alimentaires et de compléments nutritionnels.

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

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature / Références