עיבוד חלבונים באמצעות אולטרסאונד לתעשיית המזון ותוספי התזונה

שימוש באולטרסאונד הוא טכנולוגיה תעשייתית יעילה לשיפור התפקוד, יכולת הפיזור, המסיסות והיציבות של חלבונים המשמשים במזון ובתוספי תזונה. החל מחלבונים צמחיים כגון שיבולת שועל, אפונה, סויה, קנבוס ואורז, וכלה בחלבוני חלב ותרכובות מעורבות, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מסייע ליצרנים לייעל את מערכות החלבונים כדי להשיג התנהגות עיבוד טובה יותר וביצועי מוצר משופרים.

בתהליך עיבוד חלבונים, אולטרסאונד הוא יותר מסתם אמצעי עזר לערבוב. טיפול באולטרסאונד מבוקר כהלכה יכול להקטין את גודל החלקיקים, לשפר את ההידרציה והפיזור, להגדיל את חלק החלבון המומס ולשפר את יציבות התמיסה. השפעות אלו רלוונטיות במיוחד למשקאות מוכנים לשתייה, תרכיזי חלבון, מזונות מועשרים ותכשירים תוספי תזונה באבקה. במחקר שפורסם בשנת 2025 (Höhme-Matthes et al.) שבחן עיבוד חלבון שיבולת שועל באמצעות אולטרסאונד, הטיפול באולטרסאונד הגדיל את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת השועל והפחית את חוסר היציבות של התמיסה ככל שצפיפות האנרגיה עלתה.

מדוע עיבוד חלבונים באמצעות אולטרסאונד הוא חשוב

יצרני מזון ותוספי תזונה נתקלים לעתים קרובות באתגרים כגון הרטבה לקויה, הידרציה לא מלאה, שקיעה, צמיגות גבוהה, תמיסות לא יציבות ותפקוד לא עקבי. בעיות אלו הופכות לחשובות עוד יותר בתכשירים עתירי חלבון, על בסיס צמחי ובעלי תווית נקייה.
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך יוצר קוויטציה אקוסטית בנוזלים. התפוצצותן של בועות מיקרוסקופיות יוצרת כוחות גזירה מקומיים, מערבולות וערבוב מיקרוסקופי. במערכות חלבוניות, השפעות אלו יכולות לפרק אגרגטים, להקטין את גודל החלקיקים, לשפר את העברת המסה ולשנות את המבנה הפיזי של תמיסות עשירות בחלבונים. התוצאה היא מערכת חלבונית שקל יותר לעבד, ולעתים קרובות מתפקדת טוב יותר במוצר המוגמר.

כיצד טיפול באולטרסאונד משפר את עיבוד החלבונים בתעשיית המזון

• פיזור והידרציה משופרים
  אבקת חלבון נוטה להיספג במים בצורה לא אחידה וליצור גושים. טיפול באולטרסאונד מסייע בפירוק הגושים ומקדם הרטבה אחידה יותר, דבר שעשוי לקצר את משך ההידרציה ולשפר את הטיפול בהמשך התהליך.
• הקטנת גודל חלקיקים
  הקטנת גודל החלקיקים קשורה לעתים קרובות לתחושת פה חלקה יותר, לשיפור התנהגות התמיסה ולגישה טובה יותר של מים אל פני השטח של החלבונים. המאמר על חלבון שיבולת השועל מסכם במפורש כי אולטרסאונד מועיל לעיבוד חלבונים צמחיים בקנה מידה תעשייתי בכל הנוגע להקטנת גודל החלקיקים.
• מסיסות גבוהה יותר של חלבון
  שימוש באולטרסאונד יכול להגדיל את החלק המומס של החלבונים ולשפר את המסיסות הנראית לעין במערכות קשות. במחקר על חלבון שיבולת השועל, החוקרים מדווחים כי השימוש באולטרסאונד הגדיל את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת השועל, כאשר המסיסות כבר הייתה גבוהה פי שלושה בערך בצפיפות אנרגיה של 200 ג'אול/מ"ל.
• יציבות משופרת של המתלים
  באמצעות שיפור הפיזור והפחתת חלקיקי החומר שלא התמוססו, האולטרסאונד מסייע בהפחתת השקיעה והפרדת השלבים. המאמר שפורסם מדווח כי הטיפול באולטרסאונד הפחית את חוסר היציבות של תמיסות תרכיז חלבון שיבולת שועל, וכי טיפול בתא זרימה רציף שיפר באופן משמעותי את יציבות התמיסה באותה צפיפות אנרגיה.

דוגמה: עיבוד חלבון שיבולת שועל באמצעות מכשירי סוניקציה של Hielscher

מחקר שנערך בשנת 2025 בנושא עיבוד תרכיז חלבון שיבולת שועל תיאר את השימוש באולטרסוניקה הן בתהליכים אצוותיים והן בתאי זרימה, תוך שימוש בציוד של חברת Hielscher. החוקרים השתמשו במכשיר Hielscher UIP1500hdT ובמכשיר Hielscher UP200St בניסויים שלהם. הם גילו כי הטיפול האולטראסוני הגדיל את הכמות המומסת של תרכיז חלבון שיבולת השועל, תוך הפחתת חוסר היציבות של התמיסה עם עליית צפיפות האנרגיה. הם גילו גם כי הטיפול האולטראסוני בתא זרימה איפשר תפוקה גבוהה יותר והציע רלוונטיות תעשייתית בהשוואה לעיצוב אצווה נפוץ.
המחקר קובע עוד כי אולטרסאונד הוא כלי שימושי ביישומים תעשייתיים של תהליכי ייצור תרכיזים של חלבונים צמחיים. הוא מדגיש את השיפור בהקטנת גודל החלקיקים, את היציבות המשופרת של התמיסה, ואת חשיבותה של פעולת האולטרסאונד הרציפה בתצורות של תאי זרימה ליעילות התהליך ולהגדלת היקף הייצור.

דוגמה: שיפור תפקודיות חלבון האפונה באמצעות טיפול באולטרסאונד

עיבוד אולטראסוני מציע מספר יתרונות ברורים למערכות חלבון אפונה: הוא משפר את יכולת הפיזור והמסיסות על ידי פירוק אגרגטים והפחתת גודל החלקיקים, דבר שיכול לחזק את הביצועים התפקודיים במזון מבלי לפגוע בעיכול החלבון או בזמינות הביולוגית שלו. בתרכובות המכילות סיבים, אולטראסאונד יכול גם לקדם היווצרות רשת מועילה של חלבון וסיבים, ובהתאם לסוג הסיבים, להגביר את הצמיגות ואת היכולת ליצירת מרקם. בתחליפי יוגורט מחלבון אפונה מותסס, האולטרסאונד שיפר עוד יותר את איכות המוצר על ידי הפחתת תרכובות מפתח הגורמות לטעם לוואי, כגון הקסנל ו-2-פנטילפוראן, תוך הגברת תרכובות ארומה רצויות הדומות ליוגורט, כגון דיאצטיל ואצטואין, מה שהופך אותו לכלי מבטיח בעל תווית נקייה לשיפור פונקציונלי וחושי כאחד.
(ראו Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

תמונות FE-SEM (בהגדלה של 400x ו-2000x, סרגל מידה: 10 מיקרומטר) של דגימות שלא עברו טיפול (UT) ו-
דגימות חלבון אפונה (PP) שעברו טיפול באולטרסאונד (T).
מחקר ותמונה: ©Kalla-Berthold et al., 2023

דוגמה: היתרונות של חלבון קנבוס שעבר טיפול באולטרסאונד

מיצוי חלבון קנבוס באמצעות אולטרסאונד מציע מספר יתרונות בולטים, במיוחד בכל הנוגע להפיכת פסולת זרעי קנבוס משומנת למרכיבים בעלי ערך גבוה יותר. במחקר שהועלה, מיצוי בסיוע אולטרסאונד שיפר את התשואה הכוללת של החלבון ואת טוהרו בהשוואה למיצוי קונבנציונלי, כאשר התהליך המשולב הטוב ביותר הגיע לתשואה של כ-62% ולטוהר של כ-76% בשילוב עם טיפול מקדים ב-HPP. היא גם שיפרה את מיצוי חומצות האמינו בכל הבידודים, מה שמרמז על תשואה תזונתית טובה יותר, תוך הימנעות מנזק גלוי משמעותי לדפוסי רצועות החלבון ב-SDS-PAGE. בסך הכל, הממצאים תומכים באולטרסאונד כגישה למיצוי ירוקה ויעילה יותר, שיכולה לקצר את עוצמת העיבוד ולעזור להפוך תוצרי לוואי של קנבוס למרכיבי חלבון שימושיים למזון ולתוספי תזונה.
(ראו Cabral et al. 2023)

דוגמה: מיצוי באמצעות אולטרסאונד של תוצר הידרוליזה של חלבון מסובין אורז

מיצוי הידרוזילט חלבון אורז באמצעות אולטרסאונד מציע יתרונות פונקציונליים ברורים, שכן האולטרסאונד משפר את שחרור החלבון מסובין האורז על ידי פירוק מבני התאים ושיפור העברת המסה, מה שהופך את המיצוי ליעיל יותר מאשר בשיטות המקובלות. במחקר, המיצוי אופטימיזציה בהצלחה ביחס מוצק/נוזל של 0.43, משרעת של 48.25% ו-29.89 דקות, והידרוליזה אנזימטית בסיוע אולטרסאונד תמכה גם ביצירת הידרוליזטים בעלי פעילות ביולוגית חזקה, כולל פעילות מעכבת ACE גבוהה ופוטנציאל נוגד חמצון. החוקרים מסכמים כי אולטרסאונד הוא טכניקה יעילה לא רק למיצוי חלבונים, אלא גם להאצת הידרוליזה אנזימטית, המסייעת בהפיכת סובין אורז למרכיבי חלבון ביו-אקטיביים בעלי ערך גבוה יותר.
(ראו Hayta et al., 2020)

יתרונות ליצרני מזון ותוספי תזונה

• איכות מוצר משופרת
  שימוש באולטרסאונד יכול לתרום למרקם חלק יותר ולתחושת פה נעימה יותר במוצרי חלבון נוזליים, לאחידות משופרת בתמיסות ובתערובות מוכנות, לשקיעה פחות בולטת במשקאות חלבון, ולביצועים פונקציונליים עקביים יותר בין אצוות ייצור שונות.
• עיבוד יעיל יותר
  אולטרסאונד יכול להאיץ את תהליך העיבוד על ידי האצת הפיזור וההידרציה, וכן על ידי מתן אפשרות לטיפול רציף בקו הייצור. המחקר על חלבון שיבולת השועל מדווח כי תכנון תא הזרימה מאפשר צפיפות גבוהה יותר למרות תפוקת מסה גבוהה, ולכן הוא יכול להבטיח יעילות גבוהה יותר ורלוונטיות תעשייתית רבה יותר בהשוואה לתכנון אצווה מקובל.
• גמישות רבה יותר בניסוח
  שימוש באולטרסאונד מועיל בטיפול בתרכובות חלבוניות צמחיות מורכבות, במשקאות מוכנים לשתייה (RTD) בעלי תכולת חלבון גבוהה, בבסיסים לתוספי תזונה, ובתהליכים המקדימים להומוגניזציה, הידרוליזה או ייבוש. המאמר מציין את הרלוונטיות של השיטה למשקאות צמחיים, לתערובות נוזליות ולשלבי הידרוליזה עוקבים.
• פוטנציאל טוב יותר להרחבה
  פרמטרים מוגדרים של טיפול באולטרסאונד, כגון משרעת, עוצמה, צפיפות אנרגיה, זמן שהייה ולחץ נגדי, תומכים בהעברת התהליך מהעבודה במעבדה לייצור פיילוט ולייצור תעשייתי. המחקר שהועלה שם דגש מיוחד על פרמטרים אלה לצורך תכנון תהליך רציף הניתן להרחבה.

מדוע השימוש במכשירי סוניקציה של Hielscher מביא יתרונות

מכשירים אולטראסוניים של Hielscher מהווים פתרון אטרקטיבי לעיבוד חלבונים, שכן הם מאפשרים טיפול אולטראסוני מבוקר וניתן לשחזור. עבור היצרנים, היתרון האמיתי אינו רק ביצירת קוויטציה, אלא ביצירתה בתנאים מוגדרים וניתנים להרחבה.

• פרמטרים מבוקרים של טיפול באולטרסאונד
  מערכות Hielscher ששימשו במחקר אפשרו לחוקרים לעבוד עם אמפליטודות, עוצמות וצפיפות אנרגיה מוגדרות, הן במצב אצווה והן במצב תא זרימה. דבר זה תומך בפיתוח תהליכים שיטתי ובהגדלת היקף הייצור.
• יכולת עבודה באצוות ובתא זרימה
  יצרנים יכולים לבחון את השימוש באולטרסאונד בתהליך אצווה ולאחר מכן לעבור לעיבוד רציף בקו הייצור. המאמר שהועלה מראה כי טיפול באולטרסאונד בתא זרימה רציף עשוי להציג ביצועים טובים יותר מאשר טיפול באצווה מבחינת יציבות התמיסה והרלוונטיות התעשייתית.
• תכנון תהליכים לתפוקה תעשייתית
  המחקר מראה כי לחץ נגדי, זמן שהייה וזרימת מסה הם משתנים חשובים בתהליך של טיפול קולי רציף. נתון זה חשוב ליצרנים, שכן הוא הופך את הטיפול הקולי לכלי הנדסי אמיתי בתהליך הייצור, ולא רק לטכניקה מעבדתית.
• תמיכה במערכות חלבוניות מורכבות
  המאמר מדגיש כי התאמת תכונות המוצר, כגון גודל החלקיקים, יציבות התמיסה, המסיסות והצמיגות, היא בעלת חשיבות רבה עבור תמיסות על בסיס צמחי. כמו כן, הוא מציין כי מכשירי סוניקציה תופסים שטח קטן, מסוגלים להתמודד עם ריכוזי מוצקים גבוהים, ומציעים שילוב ייחודי של השפעות פיזיקליות וכימיות.

 
יישומים נפוצים
עיבוד חלבונים באמצעות אולטרסאונד רלוונטי ל-

• משקאות חלבונים צמחיים על בסיס שיבולת שועל, אפונה, סויה, אורז, פול או תערובות;
• משקאות חלב ומשקאות לא חלביים מועשרים בחלבון;
• תוספי תזונה בצורת תמיסות ומנות נוזליות;
• תמיסות חלבונים לפני ההומוגניזציה או האמולסיפיקציה;
• ותערובות מוכנות לייבוש בהתזה או להמשך הוספת תכונות פונקציונליות.

אולטרסאונד כטכנולוגיה להפקת חלבונים הניתנת להרחבה

שימוש באולטרסאונד מסייע ליצרני מזון ותוספי תזונה לשפר את תפקודיות החלבונים, שם לעתים קרובות הערבוב הקונבנציונלי לבדו מגיע לגבולות יכולתו. באמצעות הגברת הפיזור, הקטנת גודל החלקיקים, הגדלת חלקי החלבון המומסים וייצוב התמיסות, האולטרסאונד יכול להביא לשיפור ניכר באיכות המוצר וביעילות התהליך. המחקר שהועלה תומך בעמדה זו בהקשר של תרכיזי חלבון שיבולת שועל, ומצביע על כך ששימוש באולטרסאונד בתא זרימה רציף מבטיח במיוחד לעיבוד תעשייתי.
מכשירים אולטראסוניים של Hielscher מספקים מסלול מעשי מהוכחת היתכנות במעבדה ועד ליישום תעשייתי. השימוש בהם במחקרים שפורסמו בתחום עיבוד חלבונים, כולל המחקר שהועלה בנושא חלבון שיבולת שועל, מדגים כיצד ניתן לפתח טיפול אולטראסוני לשלב ייצור מבוקר וניתן להרחבה עבור יצרני מזון ותוספי תזונה.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות