Ultrazvučna obrada proteina za hranu i dodatke prehrani

Sonikacija je snažna procesna tehnologija za poboljšanje funkcionalnosti, disperzibilnosti, topljivosti i stabilnosti proteina koji se upotrebljavaju u hrani i dodacima prehrani. Od biljnih proteina poput proteina zobi, graška, soje, konoplje i riže do mliječnih proteina i miješanih formulacija, ultrazvuk visokog intenziteta pomaže proizvođačima optimizirati proteinske sustave radi boljeg ponašanja tijekom obrade i poboljšanih svojstava proizvoda.

U obradi proteina ultrazvuk je više od pomoćnog sredstva za miješanje. Pravilno kontrolirana sonikacija može smanjiti veličinu čestica, poboljšati hidrataciju i dispergiranje, povećati udio otopljenih proteina i poboljšati stabilnost suspenzije. Ti su učinci posebno važni za napitke spremne za konzumaciju, proteinske koncentrate, obogaćenu hranu i formulacije dodataka prehrani u prahu. U istraživanju objavljenom 2025. godine (Höhme-Matthes et al.), u kojem se ispitivala ultrazvučna obrada proteina zobi, sonikacija je povećala otopljenu količinu proteinskog koncentrata zobi i smanjila nestabilnost suspenzije s porastom gustoće energije.

Zašto je ultrazvučna obrada proteina važna

Proizvođači hrane i dodataka prehrani često se suočavaju s izazovima kao što su slabo kvašenje, nepotpuna hidratacija, sedimentacija, visoka viskoznost, nestabilne suspenzije i neujednačena funkcionalnost. Ti problemi postaju još važniji u formulacijama s visokim udjelom proteina, formulacijama na biljnoj bazi i formulacijama s jednostavnim i prepoznatljivim sastojcima.
Ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Implozija mikroskopskih mjehurića stvara lokalizirane smične sile, turbulenciju i mikromiješanje. U proteinskim sustavima ti učinci mogu razbiti aglomerate, smanjiti veličinu čestica, poboljšati prijenos tvari i promijeniti fizikalnu organizaciju suspenzija bogatih proteinima. Rezultat je proteinski sustav koji se lakše obrađuje i često ima bolja svojstva u gotovom proizvodu.

Kako sonikacija poboljšava obradu proteina u prehrambenoj industriji

• Poboljšano dispergiranje i hidratacija
  Proteini u prahu često se neravnomjerno hidratiziraju i stvaraju aglomerate. Sonikacija pomaže razdvojiti aglomerirane čestice i potiče ravnomjernije kvašenje, što može skratiti vrijeme hidratacije i olakšati daljnje rukovanje.
• Smanjenje veličine čestica
  Smanjena veličina čestica često je povezana s glađim osjetom u ustima, poboljšanim ponašanjem suspenzije i boljim pristupom vode površinama proteina. U radu o proteinima zobi izričito se zaključuje da je ultrazvuk koristan za obradu biljnih proteina u industrijskom mjerilu u pogledu smanjenja veličine čestica.
• Veća topljivost proteina
  Sonikacija može povećati udio otopljenih proteina i poboljšati prividnu topljivost u zahtjevnim sustavima. U istraživanju proteina zobi autori navode da je sonikacija povećala otopljenu količinu proteinskog koncentrata zobi, pri čemu je topljivost bila približno tri puta veća već pri gustoći energije od 200 J/mL.
• Poboljšana stabilnost suspenzije
  Poboljšanjem dispergiranja i smanjenjem udjela neotopljenih čestica ultrazvuk pomaže smanjiti sedimentaciju i razdvajanje faza. U učitanom radu navodi se da je sonikacija smanjila nestabilnost suspenzija proteinskog koncentrata zobi te da je kontinuirana obrada u protočnoj ćeliji znatno poboljšala stabilnost suspenzije pri istoj gustoći energije.

Primjer: Obrada proteina zobi sonikatorima Hielscher

U istraživanju iz 2025. o obradi koncentrata proteina zobi karakterizirana je šaržna sonikacija i sonikacija u protočnoj ćeliji uz upotrebu opreme Hielscher. Istraživači su u svojim pokusima upotrebljavali Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St. Utvrdili su da je sonikacija povećala otopljenu količinu koncentrata proteina zobi, uz istodobno smanjenje nestabilnosti suspenzije s povećanjem gustoće energije. Također su utvrdili da je sonikacija u protočnoj ćeliji omogućila veći kapacitet obrade i bila relevantnija za industrijsku primjenu u usporedbi s uobičajenom šaržnom izvedbom.
U istraživanju se nadalje zaključuje da je ultrazvuk koristan alat u procesima obrade koncentrata biljnih proteina na industrijskoj razini. Ističu se učinkovitije smanjenje veličine čestica, bolja stabilnost suspenzije te važnost kontinuirane sonikacije u konfiguracijama s protočnom ćelijom za učinkovitost procesa i povećanje mjerila.

Primjer: Poboljšanje funkcionalnosti proteina graška sonikacijom

Ultrazvučna obrada pruža nekoliko jasnih prednosti za sustave s proteinima graška: poboljšava disperzibilnost i topljivost razgradnjom agregata i smanjenjem veličine čestica, što može poboljšati funkcionalna svojstva u hrani bez narušavanja probavljivosti ili biopristupačnosti proteina. U formulacijama koje sadrže vlakna ultrazvuk također može potaknuti korisno stvaranje mreže proteina i vlakana te, ovisno o vrsti vlakana, povećati viskoznost i sposobnost oblikovanja teksture. U fermentiranim alternativama jogurtu na bazi proteina graška ultrazvuk je dodatno poboljšao kvalitetu proizvoda smanjenjem količine ključnih spojeva koji uzrokuju neželjenu aromu, poput heksanala i spoja 2-pentylfuran, uz istodobno povećanje količine poželjnih spojeva arome nalik jogurtu, poput diacetila i acetoina, što ga čini obećavajućim alatom za poboljšanje funkcionalnosti i senzorskih svojstava u proizvodima s čistom deklaracijom.
(usp. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM snimke (povećanja 400x i 2000x, mjerna skala: 10 µm) neobrađenih (UT) i
ultrazvučno obrađenih (T) uzoraka proteina graška (PP).
Istraživanje i slika: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Primjer: Prednosti ultrazvučno obrađenih proteina konoplje

Ultrazvučna ekstrakcija proteina konoplje pruža nekoliko značajnih prednosti, osobito za pretvaranje odmašćenog otpada sjemenki konoplje u sastojke veće vrijednosti. U učitanom istraživanju ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom poboljšala je ukupno iskorištenje i čistoću proteina u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom, pri čemu je najbolji kombinirani postupak u kombinaciji s predobradom HPP-om postigao iskorištenje proteina od oko 62% i čistoću od oko 76%. Također je poboljšala ekstrakciju aminokiselina u svim izolatima, što upućuje na bolji nutritivni prinos, bez većih vidljivih oštećenja obrazaca proteinskih vrpci na SDS-PAGE-u. Općenito, rezultati podupiru upotrebu ultrazvuka kao ekološki prihvatljivijeg i učinkovitijeg pristupa ekstrakciji koji može smanjiti intenzitet obrade i pomoći u pretvaranju nusproizvoda konoplje u korisne proteinske sastojke za hranu i nutraceutike.
(usp. Cabral et al. 2023)

Primjer: Ultrazvučna ekstrakcija proteinskog hidrolizata iz rižinih mekinja

Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata proteina riže pruža jasne funkcionalne prednosti jer ultrazvuk poboljšava oslobađanje proteina iz rižinih mekinja razaranjem staničnih struktura i poboljšanjem prijenosa tvari, čime ekstrakciju čini učinkovitijom od konvencionalnih pristupa. U istraživanju je ekstrakcija uspješno optimirana pri omjeru krute i tekuće faze od 0,43, amplitudi od 48,25% i trajanju od 29,89 minuta, a enzimska hidroliza potpomognuta ultrazvukom također je pridonijela stvaranju hidrolizata s izraženom bioaktivnošću, uključujući visoku aktivnost inhibicije ACE-a i antioksidacijski potencijal. Autori zaključuju da je ultrazvuk učinkovita tehnika ne samo za ekstrakciju proteina nego i za ubrzavanje enzimske hidrolize, čime pomaže u pretvaranju rižinih mekinja u bioaktivne proteinske sastojke veće vrijednosti.
(usp. Hayta et al., 2020)

Prednosti za proizvođače hrane i dodataka prehrani

• Bolja kvaliteta proizvoda
  Sonikacija može pridonijeti glađoj teksturi i ugodnijem osjetu u ustima kod tekućih proteinskih proizvoda, boljoj homogenosti suspenzija i predsmjesa, manje vidljivoj sedimentaciji u proteinskim napitcima te ujednačenijim funkcionalnim svojstvima među proizvodnim šaržama.
• Učinkovitija obrada
  Ultrazvuk može intenzivirati obradu ubrzavanjem dispergiranja i hidratacije te omogućavanjem kontinuirane obrade u procesnoj liniji. Istraživanje proteina zobi navodi da izvedba s protočnom ćelijom omogućuje veće gustoće unatoč velikom masenom kapacitetu obrade te stoga može pridonijeti većoj učinkovitosti i većoj relevantnosti za industrijsku primjenu u usporedbi s uobičajenom šaržnom izvedbom.
• Veća fleksibilnost formuliranja
  Sonikacija je korisna za zahtjevne formulacije biljnih proteina, napitke s visokim udjelom proteina spremne za konzumaciju (RTD), baze za dodatke prehrani te postupke koji prethode homogenizaciji, hidrolizi ili sušenju. Rad ističe relevantnost za biljne napitke, guste suspenzije i naknadne korake hidrolize.
• Bolji potencijal za povećanje mjerila proizvodnje
  Definirani parametri sonikacije, poput amplitude, intenziteta, gustoće energije, vremena zadržavanja i protutlaka, podupiru prijenos procesa iz laboratorija u pilotnu i industrijsku proizvodnju. U priloženom istraživanju poseban je naglasak stavljen na te parametre pri projektiranju kontinuirane obrade koja se može prenijeti u veće mjerilo.

Zašto uporaba sonikatora Hielscher donosi prednosti

Sonikatori Hielscher privlačan su izbor za obradu proteina jer omogućuju kontroliranu i ponovljivu ultrazvučnu obradu. Za proizvođače stvarna prednost nije samo stvaranje kavitacije, već njezino stvaranje u definiranim uvjetima koji se mogu prenijeti u veće mjerilo.

• Kontrolirani parametri sonikacije
  Sustavi Hielscher upotrijebljeni u istraživanju omogućili su istraživačima rad s definiranim amplitudama, intenzitetima i gustoćama energije u šaržnom načinu rada i u načinu rada s protočnom ćelijom. Time se podupiru sustavni razvoj procesa i povećanje mjerila proizvodnje.
• Mogućnost šaržnog rada i rada s protočnom ćelijom
  Proizvođači mogu procijeniti sonikaciju u šaržnom postupku, a zatim prijeći na kontinuiranu obradu u procesnoj liniji. Priloženi rad pokazuje da kontinuirana sonikacija u protočnoj ćeliji može nadmašiti šaržnu obradu u pogledu stabilnosti suspenzije i relevantnosti za industrijsku primjenu.
• Projektiranje procesa za industrijski kapacitet obrade
  Istraživanje pokazuje da su protutlak, vrijeme zadržavanja i maseni protok važne varijable u kontinuiranoj sonikaciji. To je važno za proizvođače jer ultrazvučnu obradu čini pravim alatom procesnog inženjerstva, a ne samo laboratorijskom tehnikom.
• Podrška za zahtjevne proteinske sustave
  Rad naglašava da je prilagodba svojstava proizvoda, poput veličine čestica, stabilnosti suspenzije, topljivosti i viskoznosti, od velike važnosti za biljne suspenzije. Također navodi da sonikatori zauzimaju malo prostora, mogu obrađivati visoke koncentracije krutih tvari i nude jedinstvenu kombinaciju fizikalnih i kemijskih učinaka.

 
Tipične primjene
Ultrazvučna obrada proteina relevantna je za

• napitke s biljnim proteinima na bazi zobi, graška, soje, riže, boba ili njihovih mješavina;
• mliječne i nemliječne napitke obogaćene proteinima;
• suspenzije dodataka prehrani i tekuće pripravke u malim dozama;
• proteinske disperzije prije homogenizacije ili emulgiranja;
• te predsmjese za sušenje raspršivanjem ili daljnju funkcionalizaciju.

Ultrazvuk kao tehnologija obrade proteina koja se može prenijeti u veće mjerilo

Sonikacija pomaže proizvođačima hrane i dodataka prehrani poboljšati funkcionalnost proteina ondje gdje samo konvencionalno miješanje često doseže svoje granice. Intenziviranjem dispergiranja, smanjenjem veličine čestica, povećanjem udjela otopljenih proteina i stabilizacijom suspenzija ultrazvuk može donijeti mjerljive koristi za kvalitetu proizvoda i učinkovitost procesa. Priloženo istraživanje podupire tu tvrdnju za koncentrate proteina zobi i pokazuje da je kontinuirana sonikacija u protočnoj ćeliji osobito obećavajuća za industrijsku obradu.
Sonikatori Hielscher pružaju praktičan put od provjere izvedivosti u laboratoriju do industrijske primjene. Njihova uporaba u objavljenim radovima o obradi proteina, uključujući priloženo istraživanje proteina zobi, pokazuje kako se ultrazvučna obrada može razviti u kontroliran proizvodni korak koji se može prenijeti na veće mjerilo za proizvođače hrane i dodataka prehrani.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.