Ultrazvučna obrada proteina za hranu i prehrambene dodatke

Sonikacija je moćna procesna tehnologija za poboljšanje funkcionalnosti, raspršivanja, topljivosti i stabilnosti proteina koji se koriste u hrani i prehrambenim dodacima. Od biljnih proteina poput zobi, graška, soje, konoplje i riže do mliječnih proteina i miješanih formulacija, visokointenzivni ultrazvuk pomaže proizvođačima optimizirati proteinske sustave za bolje procesiranje i poboljšanje performansi proizvoda.

U obradi proteina, ultrazvuk je više od pomoći pri miješanju. Pravilno kontrolirana sonikacija može smanjiti veličinu čestica, poboljšati hidrataciju i disperziju, povećati udio otopljenih proteina i poboljšati stabilnost suspenzije. Ovi učinci posebno su relevantni za gotova pića, proteinske koncentrate, obogaćenu hranu i praškaste formulacije dodataka prehrani. U studiji objavljenoj 2025. godine (Höhme-Matthes i sur.) koja je istraživala ultrazvučnu obradu zobenih proteina, ultrazvuk je povećao količinu otopljenog koncentrata zobi i smanjio nestabilnost suspenzije kako je energetska gustoća rasla.

Zašto je ultrazvučna obrada proteina važna

Proizvođači hrane i dodataka često se suočavaju s izazovima poput lošeg mokrenja, nepotpune hidratacije, taloženja, visoke viskoznosti, nestabilnih suspenzija i neujednačene funkcionalnosti. Ova pitanja postaju još važnija kod formulacija bogatih proteinima, biljnog podrijetla i čistih deklaracija.
Visokointenzivni, niskofrekventni ultrazvuk stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Implozija mikroskopskih mjehurića stvara lokalizirane sile smicanja, turbulenciju i mikromiješanje. U proteinskim sustavima, ti učinci mogu razbiti aglomerate, smanjiti veličinu čestica, poboljšati prijenos mase i izmijeniti fizičku organizaciju proteinom bogatih suspenzija. Rezultat je proteinski sustav koji je lakši za obradu i često bolje funkcionira u gotovom proizvodu.

Kako sonikacija poboljšava obradu proteina u prehrambenoj industriji

• Poboljšana disperzija i hidratacija
  Proteinski prašci često se hidriraju neujednačeno i stvaraju aglomerate. Sonikacija pomaže u deaglomeraciji čestica i potiče ravnomjernije mokrenje, što može skratiti vrijeme hidratacije i poboljšati rukovanje nizvodno.
• smanjenje veličine čestica
  Smanjena veličina čestica često je povezana s glađim osjećajem u ustima, poboljšanim ponašanjem suspenzije i boljim pristupom vode površinama proteina. Rad o zobenom proteinu posebno zaključuje da je ultrazvuk koristan za industrijsku obradu biljnih proteina u pogledu smanjenja veličine čestica.
• Viša topljivost proteina
  Sonikacija može povećati udjel otopljenih proteina i poboljšati prividnu topljivost u zahtjevnim sustavima. U studiji zobenih proteina, autori izvještavaju da je ultrazvuk povećao količinu otopljenog koncentrata zobenih proteina, pri čemu je topljivost već otprilike tri puta veća pri energetskoj gustoći od 200 J/mL.
• Poboljšana stabilnost ovjesa
  Poboljšavajući disperziju i smanjujući udjele neotopljenih čestica, ultrazvuk pomaže u smanjenju sedimentacije i faznog razdvajanja. Objavljeni rad izvještava da je ultrazvuk smanjio nestabilnost suspenzije koncentrata zobenih proteina te da je kontinuirani tretman ćelijama snažno poboljšao stabilnost suspenzije pri istoj energetskoj gustoći.

Primjer: Obrada zobnih proteina pomoću Hielscher Sonicatora

Studija iz 2025. o obradi koncentrata zobi proteina karakterizirala je ultrazvučnu obradu serijskih i protočnih stanica koristeći Hielscherovu opremu. Istraživači su u svojim eksperimentima koristili Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St. Otkrili su da ultrazvuk povećava količinu otopljenog koncentrata zobenih proteina, dok smanjuje nestabilnost suspenzije s povećanjem energetske gustoće. Također su otkrili da sonikacija protočnim ćelijama omogućuje veći protok i nudi industrijsku relevantnost u usporedbi s uobičajenim serijskim dizajnom.
Studija dalje zaključuje da je ultrazvuk koristan alat u industrijskim procesima za biljne proteinske koncentrate. Ističe poboljšano smanjenje veličine čestica, bolju stabilnost ovjesa i važnost kontinuirane sonifikacije u konfiguracijama protočnih ćelija za učinkovitost procesa i skaliranje.

Primjer: Sonikation poboljšana funkcionalnost proteina graška

Ultrazvučna obrada nudi nekoliko jasnih prednosti za sustave proteina graška: poboljšava disperzibilnost i topljivost razgradnjom agregata i smanjenjem veličine čestica, što može poboljšati funkcionalne performanse hrane bez oštećenja probavljivosti ili biopristupačnosti proteina. U formulacijama koje sadrže vlakna, ultrazvuk također može potaknuti formiranje korisnih proteinskih mreža i, ovisno o vrsti vlakna, povećati viskoznost i sposobnost izgradnje teksture. Kod fermentiranih alternativa jogurtu s proteinom graška, ultrazvuk je dodatno poboljšao kvalitetu proizvoda smanjenjem ključnih spojeva s lošim okusom poput heksanala i 2-pentilfurana, dok je povećao poželjne aromatične spojeve nalik jogurtu poput diacetila i acetoina, čineći ga obećavajućim alatom za čistu oznaku za funkcionalnost i poboljšanje osjetila.
(usp. Kalla-Berthold i sur., 2023; Matysek i sur., 2024)

FE-SEM slike (povećanja od 400x i 2000x, skala: 10 μm) neobrađenih (UT) i
uzorci proteina graška tretirani ultrazvukom (T) (PP).
Studija i slika: ©Kalla-Berthold i sur., 2023

Primjer: Prednosti ultrazvučno tretiranog proteina konoplje

Ultrazvučna ekstrakcija proteina konoplje nudi nekoliko značajnih prednosti, osobito za valorizaciju defatiranog otpada sjemenki konoplje u vrijednije sastojke. U prenesenoj studiji, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija poboljšala je ukupni oporavak i čistoću proteina u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom, pri čemu je najbolji kombinirani proces postigao oko 62% oporavka proteina i oko 76% čistoće u kombinaciji s HPP predtretmanom. Također je poboljšao ekstrakciju aminokiselina kroz izolate, sugerirajući bolji nutritivni prinos, dok je izbjegao značajna vidljiva oštećenja uzoraka proteinskih pojaseva na SDS-PAGE. Sveukupno, nalazi podržavaju ultrazvuk kao zeleniji i učinkovitiji pristup ekstrakciji koji može skratiti intenzitet obrade i pomoći pretvoriti nusproizvode konoplje u korisne sastojke hrane i nutraceutskih proteina.
(usp. Cabral i sur. 2023)

Primjer: Ultrazvučna ekstrakcija proteinskog hidrolizata iz rižinih mekinja

Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata rižinih proteina nudi jasne funkcionalne prednosti jer ultrazvuk poboljšava otpuštanje proteina iz rižinih mekinja narušavanjem stanične strukture i poboljšavanjem prijenosa mase, čineći ekstrakciju učinkovitijom od konvencionalnih pristupa. U studiji je ekstrakcija uspješno optimizirana pri omjeru krutog i tekućeg tijela od 0,43, ampliteke 48,25% i 29,89 minuta, a enzimska hidroliza uz pomoć ultrazvuka također je podržala stvaranje hidrolizata s jakom bioaktivnošću, uključujući visoku ACE-inhibitornu aktivnost i antioksidativni potencijal. Autori zaključuju da je ultrazvuk učinkovita tehnika ne samo za ekstrakciju proteina, već i za ubrzavanje enzimske hidrolize, pomažući pretvoriti rižine mekinje u bioaktivne sastojke proteina veće vrijednosti.
(usp. Hayta i sur., 2020)

Prednosti za proizvođače hrane i dodataka prehrani

• Bolja kvaliteta proizvoda
  Sonikacija može podržati glađu teksturu i osjećaj u ustima u tekućim proteinskim proizvodima, poboljšanu homogenost u suspenzijama i premixima, manje vidljivu sedimentaciju u proteinskim napicima te dosljedniju funkcionalnu izvedbu kroz serije.
• Učinkovitija obrada
  Ultrazvuk može pojačati obradu ubrzavajući disperziju i hidrataciju te omogućujući kontinuirani inline tretman. Studija o zobenom proteinu izvještava da dizajn protočnih ćelija omogućuje veće gustoće unatoč velikom protoku mase te stoga može podržati veću učinkovitost i veću industrijsku relevantnost nego uobičajeni batch dizajn.
• Veća fleksibilnost formulacije
  Sonikacija je korisna za zahtjevne formulacije biljnih proteina, visokoproteinska RTD pića, baze dodataka i procese uzvodno od homogenizacije, hidrolize ili sušenja. Rad ističe relevantnost za biljna pića, kaše i naknadne korake hidrolize.
• Bolji potencijal za skaliranje
  Definirani parametri sonikacije poput amplitude, intenziteta, gustoće energije, vremena zadržavanja i prijenosa procesa potpore povratnim tlakom od laboratorijskog rada do pilot i industrijske proizvodnje. Objavljena studija posebno naglašava ove parametre za dizajniranje skalabilne kontinuirane obrade.

Zašto upotreba Hielscherovih sonifikatora donosi koristi

Hielscherovi sonikatori privlačni su za obradu proteina jer omogućuju kontrolirano i ponovljivo ultrazvučno liječenje. Za proizvođače, prava prednost nije samo generiranje kavitacije, već ona pod definiranim i skalabilnim uvjetima.

• Parametri kontrolirane sonikacije
  Hielscherovi sustavi korišteni u studiji omogućili su istraživačima rad s definiranim amplitudama, intenzitetima i gustoćama energije u oba, serijskom i protočnom ćelijskom načinu. To podržava sustavni razvoj procesa i njihovo skaliranje.
• Kapacitet za serijske i protočne ćelije
  Proizvođači mogu procijeniti sonikaciju u serijama, a zatim prijeći na kontinuiranu inline obradu. Učitani rad pokazuje da kontinuirana sonifikacija ćelija protoka može nadmašiti serijski tretman u stabilnosti suspenzije i industrijskoj relevantnosti.
• Dizajn procesa za industrijski protok
  Studija pokazuje da su povratni tlak, vrijeme zadržavanja i maseni protok važni čimbenici u kontinuiranoj sonikaciji. To je važno za proizvođače jer ultrazvučni tretman postaje pravi alat za procesno inženjerstvo, a ne samo laboratorijska tehnika.
• Podrška za teške proteinske sustave
  Rad naglašava da je prilagodba svojstava proizvoda poput veličine čestica, stabilnosti suspenzije, topljivosti i viskoznosti od iznimne važnosti za biljne suspenzije. Također navodi da sonikatori zahtijevaju mali otisak, mogu podnijeti visoke koncentracije čvrstih tvari i nude jedinstvenu kombinaciju fizičkih i kemijskih učinaka.

 
Tipične primjene
Ultrazvučna obrada proteina relevantna je za

• biljna proteinska pića na bazi zobi, graška, soje, riže, faba graha ili mješavina;
• mliječne proizvode obogaćene proteinima i napitke bez mliječnih proizvoda;
• suspenzije dodataka prehrani i tekuće injekcije;
• disperzije proteina prije homogenizacije ili emulzifikacije;
• i predmješavine za prskanje sušenja ili daljnju funkcionalizaciju.

Ultrazvuk kao skalabilna tehnologija obrade proteina

Sonikacija pomaže proizvođačima hrane i dodataka poboljšati funkcionalnost proteina tamo gdje konvencionalno miješanje često doseže svoje granice. Intenziviranjem disperzije, smanjenjem veličine čestica, povećanjem udjela otopljenih proteina i stabilizacijom suspenzija, ultrazvuk može donijeti mjerljive koristi u kvaliteti proizvoda i učinkovitosti procesa. Objavljena studija podržava ovu poziciju za koncentrate zobenih proteina i ukazuje da je kontinuirana sonikacija stanica s kontinuiranim tokom posebno obećavajuća za industrijsku preradu.
Hielscherovi sonikatori pružaju praktičan put od laboratorijske izvedivosti do industrijske primjene. Njihova upotreba u objavljenim radovima na obradi proteina, uključujući studiju o zobenom proteinu, pokazuje kako se ultrazvučni tretman može razviti u kontrolirani i skalabilan proizvodni korak za proizvođače hrane i dodataka prehrani.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / Reference