食品と栄養補助食品のための超音波タンパク質加工

超音波処理は、食品や栄養補助食品に使用されるタンパク質の機能性、分散性、溶解性、安定性を改善するための強力なプロセス技術です。オート麦、エンドウ豆、大豆、麻、米などの植物性タンパク質から、乳製品タンパク質や混合製剤に至るまで、高強度の超音波は、より優れた加工挙動と製品性能の向上のために、製造業者がタンパク質システムを最適化するのに役立ちます。

タンパク質加工において、超音波は単なる混合助剤ではありません。超音波処理を適切に制御することで、粒子径を小さくし、水和と分散を改善し、溶解タンパク質画分を増加させ、懸濁液の安定性を向上させることができます。これらの効果は、特にレディ・トゥ・ドリンク飲料、タンパク質濃縮物、強化食品、粉末サプリメント製剤に関連する。オート麦タンパク質の超音波処理を調査した2025年発表の研究（Höhme-Matthesら）では、超音波処理によってオート麦タンパク質濃縮物の溶解量が増加し、エネルギー密度が増加するにつれて懸濁液の不安定性が減少した。

超音波によるタンパク質加工が重要な理由

食品やサプリメントのメーカーは、湿潤不良、不完全な水和、沈殿、高粘度、不安定な懸濁液、一貫性のない機能性といった課題に頻繁に直面する。これらの問題は、高タンパク質、植物由来、クリーンラベルの製剤ではさらに重要になる。
高強度、低周波の超音波は、液体中に音響キャビテーションを発生させます。微細な気泡の爆縮により、局所的なせん断力、乱流、マイクロミキシングが生じます。タンパク質系では、これらの効果により凝集体を破壊し、粒子径を小さくし、物質移動を改善し、タンパク質を豊富に含む懸濁液の物理的組織を変更することができる。その結果、タンパク質系は加工しやすくなり、最終製品ではより優れた性能を発揮することが多い。

食品産業におけるソニケーションによるタンパク質加工の改善方法

• 分散性と水和性の向上
  タンパク質粉末はしばしば不均一に水和し、凝集体を形成します。ソニケーションは粒子の凝集を解消し、より均一な湿潤を促進するため、水和時間を短縮し、下流のハンドリングを改善することができます。
• 粒度分布測定
  粒子径が小さくなることは、口当たりが滑らかになり、懸濁挙動が改善され、タンパク質表面への水分のアクセスが良くなることとよく関連している。オート麦タンパク質の論文では特に、超音波は粒子径の減少に関して、工業規模の植物タンパク質の処理に有用であると結論づけている。
• タンパク質の溶解性が高い
  超音波処理は、タンパク質の溶解割合を増加させ、困難な系における見かけの溶解度を改善することができる。オート麦タンパク質の研究では、著者らは、超音波処理によってオート麦濃縮タンパク質の溶解量が増加し、エネルギー密度200J/mLで溶解度がすでに約3倍高くなったと報告している。
• 強化されたサスペンションの安定性
  分散を改善し、未溶解粒子を減少させることにより、超音波は沈降と相分離を減少させるのに役立つ。アップロードされた論文では、超音波処理によってオート麦タンパク質濃縮懸濁液の不安定性が減少し、同じエネルギー密度で連続フローセル処理が懸濁液の安定性を強く改善したことが報告されている。

例Hielscherソニケーターによるオート麦タンパク質の処理

オート麦タンパク質濃縮物処理に関する2025年の研究では、Hielscher社の装置を使用したバッチ式とフローセル式の超音波処理を特徴付けた。研究者らは実験にHielscher UIP1500hdTとHielscher UP200Stを使用した。研究者らは、超音波処理によってオート麦タンパク質濃縮物の溶解量が増加し、エネルギー密度が増加すると懸濁液の不安定性が減少することを発見した。また、フローセル超音波処理により、一般的なバッチ設計と比較して、より高いスループットが可能になり、工業的妥当性があることも分かった。
この研究ではさらに、超音波は植物性タンパク質濃縮物の工業的規模のプロセス応用において有用なツールであると結論づけている。この研究では、粒子径減少の改善、懸濁液の安定性の向上、プロセス効率とスケールアップのためのフローセル構成での連続超音波処理の重要性が強調されている。

例超音波処理によるエンドウ豆タンパク質の機能性向上

超音波処理は、エンドウ豆タンパク質系にいくつかの明確な利点をもたらす。凝集体を破壊して粒子径を小さくすることにより分散性と溶解性を向上させ、タンパク質の消化性や生物学的利用性を損なうことなく、食品の機能的性能を強化することができる。繊維含有製剤では、超音波は有用なタンパク質-繊維ネットワーク形成を促進し、繊維の種類によっては粘度とテクスチャー構築能力を高めることもできる。発酵エンドウタンパクヨーグルトの代替品では、超音波はヘキサナールや2-ペンチルフランのような主要なオフフレーバー化合物を減少させる一方で、ジアセチルやアセトインのような望ましいヨーグルト様アロマ化合物を増加させることにより、製品の品質をさらに改善した。
(Kalla-Bertholdら、2023；Matysekら、2024）。

未処理（UT）と乾燥（UT）のFE-SEM像（倍率400倍および2000倍、スケールバー：10µm）。
超音波処理した（T）エンドウ豆タンパク質サンプル（PP）。
研究および画像：©Kalla-Berthold et al, 2023

例超音波処理ヘンプ・プロテインの利点

超音波ヘンプタンパク抽出は、特に脱脂されたヘンプシード廃棄物をより価値の高い原料に変えるために、いくつかの注目すべき利点を提供する。アップロードされた研究では、超音波アシスト抽出は従来の抽出と比較して、全体的なタンパク質回収率と純度を向上させ、HPP前処理と組み合わせた最良のプロセスは、タンパク質回収率約62％、純度約76％に達した。また、SDS-PAGE上のタンパク質のバンドパターンへの目に見える大きな損傷を避けながら、分離物全体にわたってアミノ酸の抽出を高め、栄養学的収量の向上を示唆した。全体として、この発見は、処理強度を短縮し、麻の副産物を有用な食品や栄養補助食品タンパク質原料に変えるのに役立つ、より環境に優しく効率的な抽出アプローチとして超音波を支持するものである。
(カブラルら2023年参照）。

例米糠からのタンパク質加水分解物の超音波抽出

超音波による米タンパク加水分解物抽出は、細胞構造を破壊し物質移動を促進することで米ぬかからのタンパク質の放出を改善し、従来のアプローチよりも効率的な抽出を可能にするため、機能的に明確な利点をもたらす。本研究では、固液比0.43、振幅48.25%、時間29.89分で抽出を最適化することに成功し、超音波アシスト酵素加水分解により、高いACE阻害活性や抗酸化能など、強い生理活性を持つ加水分解物の生成も支持された。著者らは、超音波はタンパク質抽出だけでなく、酵素加水分解の促進にも有効な技術であり、米ぬかをより価値の高い生物活性タンパク質成分に変換するのに役立つと結論づけた。
(ヘイタら、2020参照）。

食品・サプリメントメーカーにとってのメリット

• 製品の品質向上
  ソニケーションは、液体プロテイン製品の滑らかなテクスチャーと口当たり、懸濁液とプレミックスの均質性の向上、プロテイン飲料の目に見える沈殿の減少、およびバッチ間の一貫した機能的性能の向上をサポートします。
• より効率的な処理
  超音波は、分散と水和を促進し、連続的なインライン処理を可能にすることで、処理を強化することができる。オート麦タンパク質の研究では、フローセル設計により、大量処理にもかかわらず、より高い密度が可能になり、一般的なバッチ設計よりも高い効率と産業的妥当性をサポートできることが報告されている。
• 製剤の柔軟性が向上
  ソニケーションは、難易度の高い植物性タンパク質製剤、高タンパクRTD飲料、サプリメントベース、ホモジナイズ、加水分解、乾燥の上流工程に有用である。この論文では、植物性飲料、スラリー、その後の加水分解工程との関連性を指摘している。
• スケールアップの可能性
  振幅、強度、エネルギー密度、滞留時間、背圧などの定義された超音波処理パラメーターは、実験室での研究からパイロット生産、工業生産へのプロセス移行をサポートする。アップロードされた研究では、スケーラブルな連続処理を設計するために、これらのパラメーターに特に重点を置いている。

ソニッケーターがもたらすメリット

Hielscher社のソニケーターは、制御された再現性のある超音波処理を可能にするため、タンパク質処理に魅力的です。メーカーにとって真の利点は、単にキャビテーションを発生させるだけでなく、定義されたスケーラブルな条件下でキャビテーションを発生させることです。

• 超音波処理パラメータの制御
  この研究で使用されたHielscher社のシステムにより、研究者たちは、バッチとフローセルの両方のモードで、定義された振幅、強度、エネルギー密度で作業することができた。これは、系統的なプロセス開発とスケールアップをサポートする。
• バッチおよびフローセル機能
  メーカーはバッチ処理で超音波処理を評価し、その後連続インライン処理に移行することができます。アップロードされた論文は、連続フローセル超音波処理が、懸濁液の安定性と工業的妥当性において、バッチ処理よりも優れていることを示しています。
• 工業的スループットのためのプロセス設計
  この研究は、背圧、滞留時間、マスフローが連続超音波処理において重要な変数であることを示している。このことは、超音波処理を単なる実験室技術ではなく、実際のプロセスエンジニアリングツールにするため、メーカーにとって重要である。
• 難しいタンパク質系への対応
  この論文は、植物由来の懸濁液にとって、粒子径、懸濁液の安定性、溶解性、粘度などの製品特性を調整することが重要であることを強調している。また、ソニケーターは設置面積が小さく、高濃度の固体を扱うことができ、物理的効果と化学的効果のユニークな組み合わせを提供することができると述べている。

 
代表的なアプリケーション
超音波によるタンパク質加工は次のような用途に適している。

• オート麦、エンドウ豆、大豆、米、そら豆、またはその混合物をベースとする植物性タンパク質飲料；
• タンパク質強化乳飲料および非乳飲料；
• 栄養補助食品の懸濁液と液体注射；
• 均質化または乳化前のタンパク質分散液；
• および噴霧乾燥またはさらなる官能基化のためのプレミックス。

スケーラブルなタンパク質処理技術としての超音波

超音波は、食品やサプリメントの製造業者にとって、従来の混合だけでは限界に達することが多いタンパク質の機能性向上に役立ちます。分散を強化し、粒子径を小さくし、溶解タンパク質画分を増やし、懸濁液を安定化させることで、超音波は製品の品質とプロセス効率に測定可能な利益をもたらします。アップロードされた研究は、オート麦タンパク質濃縮物のこの立場を支持し、連続フローセル超音波処理が工業的処理に特に有望であることを示している。
Hielscher社のソニケーターは、実験室での実現可能性から工業的実施への実用的なルートを提供します。アップロードされたオート麦タンパク質の研究を含む、公表されたタンパク質加工研究での使用は、超音波処理が、食品や栄養補助食品メーカーのための制御され、スケーラブルな生産工程にどのように開発できるかを示しています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献・参考文献