עיבוד אולטרסוני של חלבונים למזון ולתוספי תזונה

סוניקציה היא טכנולוגיית עיבוד רבת עוצמה לשיפור התפקודיות, יכולת הפיזור, המסיסות והיציבות של חלבונים המשמשים במזון ובתוספי תזונה. מחלבונים צמחיים כגון חלבוני שיבולת שועל, אפונה, סויה, קנבוס ואורז ועד לחלבוני חלב ולפורמולציות משולבות, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מסייע ליצרנים למטב מערכות חלבון כדי לשפר את התנהגותן במהלך העיבוד ואת ביצועי המוצר.

בעיבוד חלבונים, אולטרסאונד הוא יותר מאמצעי עזר לערבוב. סוניקציה מבוקרת כראוי יכולה להקטין את גודל החלקיקים, לשפר הידרציה ופיזור, להגדיל את שיעור החלבון המומס ולשפר את יציבות התרחיף. השפעות אלו רלוונטיות במיוחד למשקאות מוכנים לשתייה, לתרכיזי חלבון, למזונות מועשרים ולפורמולציות של תוספי תזונה באבקה. במחקר שפורסם בשנת 2025 (Höhme-Matthes et al.) ובחן עיבוד אולטרסוני של חלבון שיבולת שועל, סוניקציה הגדילה את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת שועל והפחיתה את אי־יציבות התרחיף ככל שצפיפות האנרגיה עלתה.

מדוע עיבוד אולטרסוני של חלבונים חשוב

יצרני מזון ותוספי תזונה מתמודדים לעיתים קרובות עם אתגרים כגון הרטבה לקויה, הידרציה לא מלאה, שקיעה, צמיגות גבוהה, תרחיפים לא יציבים ותפקודיות לא עקבית. סוגיות אלו נעשות משמעותיות אף יותר בפורמולציות עתירות חלבון, בפורמולציות על בסיס צמחי ובפורמולציות בעלות תווית נקייה.
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך יוצר קוויטציה אקוסטית בנוזלים. קריסתן של בועות מיקרוסקופיות יוצרת כוחות גזירה מקומיים, זרימה טורבולנטית וערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי. במערכות חלבון, השפעות אלו יכולות לפרק אגלומרטים, להקטין את גודל החלקיקים, לשפר את מעבר המסה ולשנות את הארגון הפיזיקלי של תרחיפים עשירים בחלבון. התוצאה היא מערכת חלבון קלה יותר לעיבוד, שלעיתים קרובות גם מפגינה ביצועים טובים יותר במוצר המוגמר.

כיצד סוניקציה משפרת את עיבוד החלבונים בתעשיית המזון

• שיפור הפיזור וההידרציה
  אבקות חלבון עוברות לעיתים קרובות הידרציה לא אחידה ויוצרות אגלומרטים. סוניקציה מסייעת בפירוק אגלומרטים של חלקיקים ומקדמת הרטבה אחידה יותר, דבר שעשוי לקצר את זמני ההידרציה ולשפר את הטיפול בחומר בהמשך התהליך.
• הקטנת גודל החלקיקים
  גודל חלקיקים קטן יותר קשור לעיתים קרובות לתחושת פה חלקה יותר, להתנהגות משופרת של התרחיף ולגישה טובה יותר של מים לפני השטח של החלבונים. המאמר על חלבון שיבולת שועל מסיק במפורש שאולטרסאונד מועיל לעיבוד חלבונים צמחיים בקנה מידה תעשייתי בכל הנוגע להקטנת גודל החלקיקים.
• מסיסות גבוהה יותר של חלבונים
  סוניקציה יכולה להגדיל את שיעור החלבונים המומסים ולשפר את המסיסות הנראית במערכות מאתגרות. במחקר על חלבון שיבולת שועל, המחברים מדווחים שסוניקציה הגדילה את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת שועל, כאשר כבר בצפיפות אנרגיה של 200 J/mL המסיסות הייתה גבוהה בערך פי שלושה.
• שיפור יציבות התרחיף
  באמצעות שיפור הפיזור והפחתת שיעור החלקיקים הלא מומסים, אולטרסאונד מסייע להפחית שקיעה והפרדת פאזות. המאמר שהועלה מדווח שסוניקציה הפחיתה את אי־היציבות של תרחיפי תרכיז חלבון שיבולת שועל, ושטיפול רציף בתא זרימה שיפר במידה רבה את יציבות התרחיף באותה צפיפות אנרגיה.

דוגמה: עיבוד חלבון שיבולת שועל באמצעות מכשירי סוניקציה של Hielscher

מחקר משנת 2025 על עיבוד תרכיז חלבון שיבולת שועל אפיין סוניקציה הן במנות והן בתא זרימה באמצעות ציוד של Hielscher. החוקרים השתמשו בניסוייהם ב-Hielscher UIP1500hdT וב-Hielscher UP200St. הם מצאו שסוניקציה הגדילה את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת השועל, ובמקביל הפחיתה את חוסר היציבות של התרחיף עם העלייה בצפיפות האנרגיה. הם מצאו גם שסוניקציה בתא זרימה אפשרה תפוקה גבוהה יותר והציעה רלוונטיות תעשייתית בהשוואה לתצורה מקובלת לעיבוד במנות.
המחקר מסיק עוד שאולטרסאונד הוא כלי שימושי ביישומי עיבוד בקנה מידה תעשייתי של תרכיזי חלבון צמחי. הוא מדגיש את השיפור בהקטנת גודל החלקיקים, את יציבות התרחיף המשופרת ואת חשיבותה של סוניקציה רציפה בתצורות של תא זרימה ליעילות התהליך ולהגדלת קנה המידה.

דוגמה: שיפור התפקודיות של חלבון אפונה באמצעות סוניקציה

עיבוד אולטרסוני מציע כמה יתרונות ברורים למערכות חלבון אפונה: הוא משפר את כושר הפיזור ואת המסיסות באמצעות פירוק צברים והקטנת גודל החלקיקים, דבר שעשוי לשפר את הביצועים התפקודיים במזון בלי לפגוע בנעכלות החלבון או בנגישותו הביולוגית. בפורמולציות המכילות סיבים, אולטרסאונד יכול גם לקדם יצירת רשתות מועילות של חלבון וסיבים, ובהתאם לסוג הסיבים, להגדיל את הצמיגות ואת היכולת להקנות מרקם. בתחליפי יוגורט מותססים על בסיס חלבון אפונה, אולטרסאונד שיפר עוד את איכות המוצר באמצעות הפחתת תרכובות מרכזיות הגורמות לטעמי לוואי, כגון הקסנאל ו־2-pentylfuran, ובמקביל הגדיל את כמותן של תרכובות ארומה רצויות המזכירות יוגורט, כגון דיאצטיל ואצטואין. בכך הוא מהווה כלי מבטיח התואם את גישת התווית הנקייה, הן לשיפור התפקודיות והן לשיפור התכונות החושיות.
(ראו Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

תמונות FE-SEM (בהגדלות של 400x ו-2000x, סרגל קנה מידה: 10 µm) של דגימות חלבון אפונה ללא טיפול (UT) ושל
דגימות חלבון אפונה לאחר טיפול באולטרסאונד (T) (PP).
מחקר ותמונה: ©Kalla-Berthold et al., 2023

דוגמה: יתרונותיו של חלבון המפ שטופל באולטרסאונד

מיצוי אולטרסוני של חלבון המפ מציע כמה יתרונות בולטים, במיוחד בהפיכת פסולת זרעי המפ שהשומן הוסר ממנה לרכיבים בעלי ערך גבוה יותר. במחקר שהועלה, מיצוי בסיוע אולטרסאונד שיפר את ההשבה הכוללת של החלבון ואת טוהרו בהשוואה למיצוי קונבנציונלי, כאשר התהליך המשולב הטוב ביותר הגיע להשבת חלבון של כ-62% ולטוהר של כ-76% בשילוב עם טיפול מקדים ב-HPP. הוא גם הגביר את מיצוי חומצות האמינו בכלל מבודדי החלבון, דבר המצביע על תפוקה תזונתית טובה יותר, תוך הימנעות מפגיעה ניכרת לעין בדפוסי פסי החלבון ב-SDS-PAGE. בסך הכול, הממצאים תומכים בשימוש באולטרסאונד כגישת מיצוי ידידותית יותר לסביבה ויעילה יותר, שיכולה להפחית את עוצמת העיבוד ולסייע בהפיכת תוצרי לוואי של המפ לרכיבי חלבון שימושיים למזון ולמוצרים נוטרצבטיים.
(ראו Cabral et al. 2023)

דוגמה: מיצוי אולטרסוני של הידרוליזט חלבון מסובין אורז

מיצוי אולטרסוני של הידרוליזט חלבון אורז מציע יתרונות תפקודיים ברורים, מכיוון שאולטרסאונד משפר את שחרור החלבון מסובין אורז באמצעות פירוק מבנים תאיים והגברת מעבר המסה, ובכך הופך את המיצוי ליעיל יותר מגישות קונבנציונליות. במחקר, המיצוי עבר אופטימיזציה בהצלחה ביחס מוצק/נוזל של 0.43, באמפליטודה של 48.25% ובמשך 29.89 דקות, והידרוליזה אנזימטית בסיוע אולטרסאונד תמכה גם ביצירת הידרוליזטים בעלי פעילות ביולוגית חזקה, לרבות פעילות גבוהה של עיכוב ACE ופוטנציאל נוגד חמצון. המחברים מסיקים שאולטרסאונד הוא טכניקה יעילה לא רק למיצוי חלבון אלא גם להאצת הידרוליזה אנזימטית, ובכך מסייע בהפיכת סובין אורז לרכיבי חלבון פעילים ביולוגית בעלי ערך גבוה יותר.
(ראו Hayta et al., 2020)

יתרונות ליצרני מזון ותוספי תזונה

• איכות מוצר טובה יותר
  סוניקציה יכולה לתרום למרקם ולתחושת פה חלקים יותר במוצרי חלבון נוזליים, לשיפור האחידות בתרחיפים ובתערובות מקדימות, להפחתת השקיעה הנראית לעין במשקאות חלבון ולביצועים תפקודיים עקביים יותר בין אצוות.
• עיבוד יעיל יותר
  אולטרסאונד יכול להגביר את יעילות העיבוד באמצעות האצת הפיזור וההידרציה ובאמצעות מתן אפשרות לטיפול רציף בקו הייצור. המחקר על חלבון שיבולת שועל מדווח שתכנון תא הזרימה מאפשר צפיפויות גבוהות יותר למרות תפוקה מסית גבוהה, ולכן יכול לתמוך ביעילות גבוהה יותר ובהתאמה רבה יותר לתעשייה בהשוואה לתכנון אצוותי מקובל.
• גמישות רבה יותר בפיתוח פורמולציות
  סוניקציה מועילה לפורמולציות מאתגרות של חלבון צמחי, למשקאות מוכנים לשתייה (RTD) עתירי חלבון, לבסיסים לתוספי תזונה ולתהליכים המקדימים הומוגניזציה, הידרוליזה או ייבוש. המאמר מציין את הרלוונטיות למשקאות מן הצומח, לתרחיפים סמיכים ולשלבי הידרוליזה בהמשך התהליך.
• פוטנציאל משופר להגדלת קנה המידה
  פרמטרים מוגדרים של סוניקציה, כגון משרעת, עוצמה, צפיפות אנרגיה, זמן שהייה ולחץ נגדי, תומכים בהעברת התהליך מעבודה במעבדה לייצור בקנה מידה של פיילוט ולייצור תעשייתי. המחקר שהועלה מדגיש במיוחד את הפרמטרים האלה לצורך תכנון עיבוד רציף שניתן להגדיל את קנה המידה שלו.

מדוע השימוש במכשירי הסוניקציה של Hielscher מביא יתרונות

מכשירי הסוניקציה של Hielscher אטרקטיביים לעיבוד חלבונים משום שהם מאפשרים טיפול אולטרסוני מבוקר וניתן לשחזור. עבור יצרנים, היתרון האמיתי אינו רק יצירת קוויטציה, אלא יצירתה בתנאים מוגדרים שניתן להרחיב לקנה מידה גדול יותר.

• פרמטרים מבוקרים של סוניקציה
  מערכות Hielscher ששימשו במחקר אפשרו לחוקרים לעבוד עם משרעות, עוצמות וצפיפויות אנרגיה מוגדרות, הן במצב אצוותי והן במצב תא זרימה. הדבר תומך בפיתוח שיטתי של התהליך ובהגדלת קנה המידה שלו.
• יכולת פעולה באצוות ובתא זרימה
  יצרנים יכולים להעריך את הסוניקציה באצוות ולאחר מכן להתקדם לעיבוד רציף בקו הייצור. המאמר שהועלה מראה שסוניקציה רציפה בתא זרימה יכולה לעלות על טיפול אצוותי מבחינת יציבות התרחיף וההתאמה לתעשייה.
• תכנון תהליך לתפוקה תעשייתית
  המחקר מראה שלחץ נגדי, זמן שהייה וספיקת מסה הם משתנים חשובים בסוניקציה רציפה. יש לכך חשיבות עבור יצרנים משום שהדבר הופך את הטיפול האולטרסוני לכלי ממשי בהנדסת תהליכים ולא רק לטכניקה מעבדתית.
• תמיכה במערכות חלבון מאתגרות
  המאמר מדגיש שלהתאמת תכונות המוצר, כגון גודל חלקיקים, יציבות תרחיף, מסיסות וצמיגות, יש חשיבות רבה בתרחיפים מן הצומח. הוא מציין גם שמכשירי סוניקציה דורשים שטח הצבה קטן, יכולים לטפל בריכוזי מוצקים גבוהים ומציעים שילוב ייחודי של השפעות פיזיקליות וכימיות.

 
יישומים טיפוסיים
עיבוד חלבונים אולטרסוני רלוונטי עבור

• משקאות חלבון צמחי המבוססים על שיבולת שועל, אפונה, סויה, אורז, פול או תערובות שלהם;
• משקאות חלביים ומשקאות שאינם חלביים המועשרים בחלבון;
• תרחיפים של תוספי תזונה ומנות שתייה נוזליות קטנות;
• דיספרסיות חלבון לפני הומוגניזציה או תחלוב;
• ותערובות מקדימות לייבוש בהתזה או להקניית תכונות תפקודיות נוספות.

אולטרסאונד כטכנולוגיה לעיבוד חלבונים שניתן להגדיל את קנה המידה שלה

סוניקציה מסייעת ליצרני מזון ותוספי תזונה לשפר את התכונות התפקודיות של חלבונים במקרים שבהם ערבוב קונבנציונלי לבדו מגיע לעיתים קרובות למגבלותיו. באמצעות הגברת הפיזור, הקטנת גודל החלקיקים, הגדלת שיעור החלבון המומס וייצוב תרחיפים, אולטרסאונד יכול להניב יתרונות מדידים באיכות המוצר וביעילות התהליך. המחקר שהועלה תומך בעמדה זו בנוגע לרכזי חלבון שיבולת שועל ומצביע על כך שסוניקציה רציפה בתא זרימה מבטיחה במיוחד לעיבוד תעשייתי.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher מספקים מסלול מעשי מבדיקת היתכנות במעבדה ועד ליישום תעשייתי. השימוש בהם במחקרים שפורסמו בנושא עיבוד חלבונים, לרבות המחקר שהועלה בנושא חלבון שיבולת שועל, מראה כיצד אפשר לפתח טיפול אולטרסוני לכדי שלב ייצור מבוקר שניתן להגדיל את קנה המידה שלו עבור יצרני מזון ותוספי תזונה.

הטבלה שלהלן מספקת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מוכרים בזכות הסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.