Սպիտակուցների ուլտրաձայնային մշակում սննդամթերքի և սննդային հավելումների համար

Ուլտրաձայնային մշակումը հզոր տեխնոլոգիական գործընթաց է՝ սննդամթերքում և սննդային հավելումներում օգտագործվող սպիտակուցների ֆունկցիոնալ հատկությունները, դիսպերսվելու ունակությունը, լուծելիությունն ու կայունությունը բարելավելու համար։ Բուսական սպիտակուցներից, ինչպիսիք են վարսակի, ոլոռի, սոյայի, կանեփի և բրնձի սպիտակուցները, մինչև կաթնային սպիտակուցներ և խառը բաղադրակազմեր՝ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնն օգնում է արտադրողներին օպտիմալացնել սպիտակուցային համակարգերը՝ մշակման ընթացքում ավելի լավ վարքագիծ և արտադրանքի բարելավված հատկություններ ապահովելու համար։

Սպիտակուցների մշակման մեջ ուլտրաձայնի դերը չի սահմանափակվում խառնմանն օժանդակելով։ Պատշաճ վերահսկվող ուլտրաձայնային մշակումը կարող է փոքրացնել մասնիկների չափը, բարելավել հիդրատացումն ու դիսպերսումը, մեծացնել լուծված սպիտակուցի բաժինը և բարելավել կախույթի կայունությունը։ Այս ազդեցությունները հատկապես կարևոր են խմելու պատրաստ ըմպելիքների, սպիտակուցային խտանյութերի, հարստացված սննդամթերքի և փոշենման հավելումների բաղադրակազմերի համար։ Վարսակի սպիտակուցի ուլտրաձայնային մշակումն ուսումնասիրող՝ 2025 թվականին հրապարակված հետազոտության մեջ (Höhme-Matthes et al.) ուլտրաձայնային մշակումը մեծացրել է վարսակի սպիտակուցային խտանյութի լուծված քանակը և էներգիայի խտության աճին զուգընթաց նվազեցրել կախույթի անկայունությունը։

Ինչու է կարևոր սպիտակուցների ուլտրաձայնային մշակումը

Սննդամթերք և հավելումներ արտադրողները հաճախ բախվում են այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են վատ թրջվելը, ոչ լիարժեք հիդրատացումը, նստվածքագոյացումը, բարձր մածուցիկությունը, անկայուն կախույթները և ֆունկցիոնալ հատկությունների անհաստատությունը։ Այս խնդիրներն ավելի են կարևորվում սպիտակուցի բարձր պարունակությամբ, բուսական հիմքով և մաքուր պիտակավորմամբ բաղադրակազմերում։
Բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը հեղուկներում առաջացնում է ակուստիկ կավիտացիա։ Մանրադիտակային պղպջակների ներպայթյունն առաջացնում է տեղային սահքի ուժեր, տուրբուլենտություն և միկրոխառնում։ Սպիտակուցային համակարգերում այս ազդեցությունները կարող են քայքայել ագլոմերատները, փոքրացնել մասնիկների չափը, բարելավել զանգվածափոխանակությունը և փոփոխել սպիտակուցներով հարուստ կախույթների ֆիզիկական կազմակերպվածությունը։ Արդյունքում ստացվում է սպիտակուցային համակարգ, որն ավելի հեշտ է մշակել և հաճախ ավելի լավ հատկություններ է դրսևորում պատրաստի արտադրանքում։

Ինչպես է ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում սպիտակուցների մշակումը սննդարդյունաբերության մեջ

• Բարելավված դիսպերսում և հիդրատացում
  Սպիտակուցային փոշիները հաճախ անհավասարաչափ են հիդրատացվում և առաջացնում են ագլոմերատներ։ Ուլտրաձայնային մշակումն օգնում է տարանջատել մասնիկների ագլոմերատները և նպաստում է ավելի հավասարաչափ թրջմանը, ինչը կարող է կրճատել հիդրատացման տևողությունը և բարելավել հետագա տեխնոլոգիական գործողությունները։
• Մասնիկների չափի փոքրացում
  Մասնիկների փոքրացված չափը հաճախ կապված է բերանում ավելի հարթ զգացողության, կախույթի բարելավված վարքագծի և ջրի՝ սպիտակուցների մակերևույթներին ավելի լավ հասանելիության հետ։ Վարսակի սպիտակուցի վերաբերյալ հոդվածում մասնավորապես եզրակացվում է, որ ուլտրաձայնն օգտակար է արդյունաբերական մասշտաբով բուսական սպիտակուցների մշակման համար՝ մասնիկների չափի փոքրացման առումով։
• Սպիտակուցների ավելի բարձր լուծելիություն
  Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է մեծացնել սպիտակուցների լուծված բաժինը և բարելավել թվացյալ լուծելիությունը դժվար մշակվող համակարգերում։ Վարսակի սպիտակուցի վերաբերյալ հետազոտության հեղինակները հայտնում են, որ ուլտրաձայնային մշակումը մեծացրել է վարսակի սպիտակուցային խտանյութի լուծված քանակը, ընդ որում՝ արդեն 200 J/mL էներգիայի խտության դեպքում լուծելիությունը մոտ երեք անգամ ավելի բարձր է եղել։
• Կախույթի բարելավված կայունություն
  Բարելավելով դիսպերսումը և նվազեցնելով չլուծված մասնիկների բաժինները՝ ուլտրաձայնն օգնում է նվազեցնել նստվածքագոյացումն ու փուլերի բաժանումը։ Վերբեռնված հոդվածում նշվում է, որ ուլտրաձայնային մշակումը նվազեցրել է վարսակի սպիտակուցային խտանյութի կախույթների անկայունությունը, իսկ հոսքային բջջում շարունակական մշակումը նույն էներգիայի խտության դեպքում զգալիորեն բարելավել է կախույթի կայունությունը։

Օրինակ՝ վարսակի սպիտակուցի մշակում Hielscher ուլտրաձայնային սարքերով

Վարսակի սպիտակուցի խտանյութի մշակման վերաբերյալ 2025 թվականի ուսումնասիրությունը բնութագրել է ինչպես պարբերական, այնպես էլ հոսքային բջջում իրականացվող ուլտրաձայնային մշակումը՝ օգտագործելով Hielscher սարքավորումներ։ Հետազոտողներն իրենց փորձերում օգտագործել են Hielscher UIP1500hdT և Hielscher UP200St սարքերը։ Նրանք պարզել են, որ ուլտրաձայնային մշակումը մեծացրել է վարսակի սպիտակուցի խտանյութի լուծված քանակը՝ միաժամանակ նվազեցնելով կախույթի անկայունությունը էներգիայի խտության աճին զուգընթաց։ Նրանք նաև պարզել են, որ հոսքային բջջում ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տվել ապահովելու ավելի բարձր արտադրողականություն և ունեցել է արդյունաբերական կիրառական նշանակություն՝ համեմատած սովորական պարբերական մշակման կառուցվածքի հետ։
Ուսումնասիրությունը նաև եզրակացնում է, որ ուլտրաձայնը օգտակար գործիք է բուսական սպիտակուցների խտանյութերի արդյունաբերական մասշտաբի տեխնոլոգիական կիրառությունների համար։ Այն ընդգծում է մասնիկների չափերի ավելի արդյունավետ փոքրացումը, կախույթի ավելի լավ կայունությունը և հոսքային բջիջներով համակարգերում շարունակական ուլտրաձայնային մշակման կարևորությունը գործընթացի արդյունավետության ու մասշտաբի մեծացման համար։

Օրինակ՝ ուլտրաձայնային մշակմամբ բարելավված ոլոռի սպիտակուցի գործառնական հատկությունները

Ուլտրաձայնային մշակումն առաջարկում է մի շարք հստակ առավելություններ ոլոռի սպիտակուցային համակարգերի համար. այն բարելավում է դիսպերսվելու ունակությունն ու լուծելիությունը՝ քայքայելով ագրեգատները և փոքրացնելով մասնիկների չափերը, ինչը կարող է բարելավել սննդամթերքում գործառնական հատկությունների դրսևորումը՝ առանց վնասելու սպիտակուցի մարսելիությանը կամ կենսամատչելիությանը։ Սննդային մանրաթելեր պարունակող բաղադրություններում ուլտրաձայնը կարող է նաև նպաստել սպիտակուց–մանրաթել օգտակար ցանցի ձևավորմանը և, կախված մանրաթելի տեսակից, մեծացնել մածուցիկությունն ու կառուցվածք ձևավորելու ունակությունը։ Ոլոռի սպիտակուցի հիմքով խմորված յոգուրտի այլընտրանքներում ուլտրաձայնը լրացուցիչ բարելավել է արտադրանքի որակը՝ նվազեցնելով անցանկալի համահոտ առաջացնող հիմնական միացությունների, օրինակ՝ հեքսանալի և 2-pentylfuran միացության քանակը, միաժամանակ ավելացնելով յոգուրտին բնորոշ ցանկալի բույր հաղորդող միացությունների, օրինակ՝ դիացետիլի և ացետոինի քանակը։ Սա այն դարձնում է «մաքուր պիտակով» արտադրանքի համար խոստումնալից գործիք՝ ինչպես գործառնական, այնպես էլ զգայորոշման հատկությունները բարելավելու նպատակով։
(հմմտ. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM պատկերներ (400x և 2000x խոշորացումներ, մասշտաբային սանդղակ՝ 10 µm), որոնցում ներկայացված են չմշակված (UT) և
ուլտրաձայնով մշակված (T) ոլոռի սպիտակուցի նմուշներ (PP)։
Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Kalla-Berthold et al., 2023

Օրինակ՝ ուլտրաձայնով մշակված կանեփի սպիտակուցի առավելությունները

Կանեփի սպիտակուցի ուլտրաձայնային էքստրակցիան առաջարկում է մի շարք նշանակալի առավելություններ, հատկապես՝ ճարպազրկված կանեփի սերմերի թափոններն ավելի բարձրարժեք բաղադրիչների վերածելու համար։ Վերբեռնված ուսումնասիրությունում ուլտրաձայնային օժանդակությամբ էքստրակցիան բարելավել է սպիտակուցի ընդհանուր կորզումն ու մաքրությունը՝ համեմատած սովորական էքստրակցիայի հետ. լավագույն համակցված գործընթացը HPP նախամշակման հետ զուգակցվելիս ապահովել է սպիտակուցի մոտ 62% կորզում և մոտ 76% մաքրություն։ Այն նաև ուժեղացրել է ամինաթթուների էքստրակցիան բոլոր իզոլյատներում՝ վկայելով սննդային բաղադրիչների ավելի լավ ելքի մասին, միաժամանակ խուսափելով SDS-PAGE մեթոդով ստացվող սպիտակուցային շերտերի պատկերի տեսանելի խոշոր վնասումներից։ Ընդհանուր առմամբ, արդյունքները հիմնավորում են ուլտրաձայնի կիրառումը որպես շրջակա միջավայրի համար ավելի բարենպաստ և ավելի արդյունավետ էքստրակցիայի մոտեցում, որը կարող է նվազեցնել մշակման ինտենսիվությունը և օգնել կանեփի կողմնակի արտադրանքները վերածել սննդամթերքի ու նուտրացևտիկ արտադրանքի համար օգտակար սպիտակուցային բաղադրիչների։
(հմմտ. Cabral et al. 2023)

Օրինակ՝ բրնձի թեփից սպիտակուցային հիդրոլիզատի ուլտրաձայնային էքստրակցիա

Բրնձի սպիտակուցային հիդրոլիզատի ուլտրաձայնային էքստրակցիան ապահովում է հստակ գործառնական առավելություններ, քանի որ ուլտրաձայնը բարելավում է բրնձի թեփից սպիտակուցի ազատումը՝ քայքայելով բջջային կառուցվածքները և ուժեղացնելով զանգվածափոխանակությունը, ինչի շնորհիվ էքստրակցիան ավելի արդյունավետ է դառնում, քան սովորական մոտեցումների դեպքում։ Ուսումնասիրությունում էքստրակցիան հաջողությամբ օպտիմալացվել է պինդ նյութ/հեղուկ 0,43 հարաբերակցության, 48,25% ամպլիտուդի և 29,89 րոպե տևողության պայմաններում, իսկ ուլտրաձայնային օժանդակությամբ ֆերմենտային հիդրոլիզը նաև նպաստել է ուժեղ կենսաակտիվությամբ հիդրոլիզատների ստացմանը՝ ներառյալ ACE-ն արգելակող բարձր ակտիվությունն ու հակաօքսիդանտ ներուժը։ Հեղինակները եզրակացնում են, որ ուլտրաձայնը արդյունավետ մեթոդ է ոչ միայն սպիտակուցի էքստրակցիայի, այլև ֆերմենտային հիդրոլիզի արագացման համար՝ օգնելով բրնձի թեփը վերածել ավելի բարձրարժեք կենսաակտիվ սպիտակուցային բաղադրիչների։
(հմմտ. Hayta et al., 2020)

Առավելություններ սննդամթերք և սննդային հավելումներ արտադրողների համար

• Արտադրանքի ավելի լավ որակ
  Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է նպաստել հեղուկ սպիտակուցային արտադրանքի ավելի հարթ հյուսվածքին և բերանում ավելի հարթ զգացողությանը, կախույթների և նախախառնուրդների ավելի լավ համասեռությանը, սպիտակուցային ըմպելիքներում պակաս տեսանելի նստվածքագոյացմանը և տարբեր խմբաքանակներում ավելի կայուն գործառական հատկություններին։
• Ավելի արդյունավետ մշակում
  Ուլտրաձայնը կարող է ինտենսիվացնել մշակումը՝ արագացնելով դիսպերսումն ու հիդրատացումը և հնարավորություն տալով իրականացնել շարունակական ներհոսքային մշակում։ Վարսակի սպիտակուցի ուսումնասիրության մեջ հաղորդվում է, որ հոսքային բջջի կառուցվածքը թույլ է տալիս ապահովել խտության ավելի բարձր արժեքներ՝ չնայած ըստ զանգվածի բարձր թողունակությանը, և հետևաբար կարող է նպաստել ավելի բարձր արդյունավետությանն ու արդյունաբերական կիրառության ավելի մեծ նշանակությանը՝ համեմատած սովորական խմբաքանակային կառուցվածքի հետ։
• Բաղադրակազմերի մշակման ավելի մեծ ճկունություն
  Ուլտրաձայնային մշակումն օգտակար է մշակման տեսանկյունից բարդ բուսական սպիտակուցային բաղադրակազմերի, սպիտակուցի բարձր պարունակությամբ՝ օգտագործման պատրաստ (RTD) ըմպելիքների, սննդային հավելումների հիմքերի և հոմոգենացմանը, հիդրոլիզին կամ չորացմանը նախորդող գործընթացների համար։ Հոդվածում նշվում է դրա կիրառելիությունը բուսական ըմպելիքների, խյուսանման կախույթների և հիդրոլիզի հետագա փուլերի համար։
• Մասշտաբի մեծացման ավելի լավ ներուժ
  Ուլտրաձայնային մշակման սահմանված պարամետրերը, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ինտենսիվությունը, էներգիայի խտությունը, մնալու ժամանակը և հակաճնշումը, նպաստում են գործընթացը լաբորատոր աշխատանքից փորձնական և արդյունաբերական արտադրություն տեղափոխելուն։ Վերբեռնված ուսումնասիրության մեջ այս պարամետրերին հատուկ ուշադրություն է դարձվում՝ մասշտաբի մեծացման հնարավորությամբ շարունակական մշակում նախագծելու համար։

Ինչու է Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերի օգտագործումն առավելություններ տալիս

Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերը գրավիչ են սպիտակուցների մշակման համար, քանի որ հնարավորություն են տալիս իրականացնել վերահսկվող և վերարտադրելի ուլտրաձայնային մշակում։ Արտադրողների համար իրական առավելությունը ոչ միայն կավիտացիայի առաջացումն է, այլև դրա առաջացումը սահմանված և մասշտաբի մեծացման հնարավորություն ապահովող պայմաններում։

• Ուլտրաձայնային մշակման վերահսկվող պարամետրեր
  Ուսումնասիրության մեջ օգտագործված Hielscher համակարգերը հետազոտողներին թույլ են տվել աշխատել սահմանված ամպլիտուդներով, ինտենսիվություններով և էներգիայի խտություններով՝ ինչպես խմբաքանակային, այնպես էլ հոսքային բջջի ռեժիմում։ Սա նպաստում է գործընթացի համակարգված մշակմանը և մասշտաբի մեծացմանը։
• Խմբաքանակային և հոսքային բջջի ռեժիմներով աշխատելու հնարավորություն
  Արտադրողները կարող են գնահատել ուլտրաձայնային մշակումը խմբաքանակային ռեժիմում, այնուհետև անցնել շարունակական ներհոսքային մշակման։ Վերբեռնված հոդվածը ցույց է տալիս, որ հոսքային բջջում շարունակական ուլտրաձայնային մշակումը կարող է գերազանցել խմբաքանակային մշակումը՝ կախույթի կայունության և արդյունաբերական կիրառության նշանակության առումով։
• Գործընթացի նախագծում՝ արդյունաբերական թողունակություն ապահովելու համար
  Ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ հակաճնշումը, մնալու ժամանակը և զանգվածային հոսքը կարևոր փոփոխականներ են շարունակական ուլտրաձայնային մշակման մեջ։ Սա կարևոր է արտադրողների համար, քանի որ ուլտրաձայնային մշակումը դարձնում է գործընթացների ճարտարագիտության իրական գործիք, այլ ոչ միայն լաբորատոր մեթոդ։
• Աջակցություն բարդ սպիտակուցային համակարգերի մշակմանը
  Հոդվածում ընդգծվում է, որ արտադրանքի այնպիսի հատկությունների նպատակային կարգավորումը, ինչպիսիք են մասնիկների չափը, կախույթի կայունությունը, լուծելիությունը և մածուցիկությունը, մեծ նշանակություն ունի բուսական կախույթների համար։ Նշվում է նաև, որ ուլտրաձայնային սարքերը տեղադրման համար փոքր տարածք են պահանջում, կարող են մշակել պինդ նյութերի բարձր կոնցենտրացիաներով համակարգեր և ապահովում են ֆիզիկական ու քիմիական ազդեցությունների եզակի համադրություն։

 
Բնորոշ կիրառություններ
Սպիտակուցների ուլտրաձայնային մշակումը կիրառելի է հետևյալի համար՝

• վարսակի, ոլոռի, սոյայի, բրնձի, բակլայի կամ խառնուրդների հիմքով բուսական սպիտակուցային ըմպելիքներ,
• սպիտակուցով հարստացված կաթնային և ոչ կաթնային ըմպելիքներ,
• սննդային հավելումների կախույթներ և փոքրածավալ հեղուկ չափաբաժիններ,
• սպիտակուցային դիսպերսիաներ՝ հոմոգենացումից կամ էմուլգացումից առաջ,
• և նախախառնուրդներ՝ փոշեցրմամբ չորացման կամ հետագա ֆունկցիոնալացման համար։

Ուլտրաձայնը՝ որպես մասշտաբի մեծացման հնարավորությամբ սպիտակուցների մշակման տեխնոլոգիա

Ուլտրաձայնային մշակումը սննդամթերքի և սննդային հավելումների արտադրողներին օգնում է բարելավել սպիտակուցների ֆունկցիոնալ հատկություններն այն դեպքերում, երբ միայն սովորական խառնումը հաճախ հասնում է իր հնարավորությունների սահմանին։ Դիսպերսման ուժեղացման, մասնիկների չափերի փոքրացման, լուծված սպիտակուցային բաժինների մեծացման և կախույթների կայունացման շնորհիվ ուլտրաձայնը կարող է չափելի օգուտներ ապահովել արտադրանքի որակի և գործընթացի արդյունավետության առումով։ Վերբեռնված հետազոտությունը հաստատում է այս մոտեցումը վարսակի սպիտակուցային խտանյութերի համար և ցույց է տալիս, որ հոսքային բջջում շարունակական ուլտրաձայնային մշակումը հատկապես խոստումնալից է արդյունաբերական մշակման համար։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը գործնական ուղի են ապահովում լաբորատոր պայմաններում իրագործելիության հաստատումից մինչև արդյունաբերական ներդրում։ Սպիտակուցների մշակմանը նվիրված հրապարակված աշխատանքներում, այդ թվում՝ վերբեռնված՝ վարսակի սպիտակուցի վերաբերյալ հետազոտությունում, դրանց կիրառությունը ցույց է տալիս, թե ինչպես կարելի է ուլտրաձայնային մշակումը դարձնել վերահսկվող արտադրական փուլ, որի մասշտաբը հնարավոր է մեծացնել սննդամթերքի և սննդային հավելումների արտադրության համար։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին.

Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են իրենց որակի և նախագծման ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և խիստ պահանջներ առաջադրող միջավայրերում։

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում գերժամանակակից տեխնոլոգիաներով ու օգտագործման դյուրինությամբ աչքի ընկնող բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերին։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.