食品・栄養補助食品向けタンパク質の超音波処理

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、安定性を改善する強力なプロセス技術です。オート麦、エンドウ豆、大豆、ヘンプ、米などの植物性タンパク質から乳タンパク質や混合配合物まで、高強度超音波は、メーカーがタンパク質系を最適化し、加工時の挙動と製品性能を改善するのに役立ちます。

タンパク質の加工において、超音波は混合を補助するだけではありません。適切に制御された超音波処理は、粒子径の縮小、水和と分散の改善、溶解したタンパク質の割合の増加、懸濁液の安定性の改善に役立ちます。これらの効果は、そのまま飲める飲料、濃縮タンパク質、栄養強化食品、粉末サプリメント配合物で特に重要です。オート麦タンパク質の超音波処理を調べた2025年発表の研究（Höhme-Matthes et al.）では、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、エネルギー密度の増加に伴って懸濁液の不安定性が低下しました。

タンパク質の超音波処理が重要な理由

食品・サプリメントメーカーは、濡れ性の低さ、不完全な水和、沈降、高い粘度、不安定な懸濁液、機能性のばらつきなどの課題に頻繁に直面します。これらの問題は、高タンパク質、植物由来、クリーンラベルの配合物でさらに重要になります。
高強度・低周波の超音波は、液体中で音響キャビテーションを発生させます。微小気泡の圧壊によって、局所的なせん断力、乱流、微細混合が生じます。タンパク質系では、これらの効果によって凝集体を解体し、粒子径を縮小し、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構造を変化させることができます。その結果、加工しやすく、最終製品でもより優れた性能を示すことが多いタンパク質系が得られます。

超音波処理が食品産業のタンパク質加工を改善する仕組み

• 分散と水和の改善
  タンパク質粉末は、水和が不均一になり、凝集体を形成することがよくあります。超音波処理は粒子の解凝集を助け、より均一な濡れを促進するため、水和時間を短縮し、後工程での取り扱いを改善できる可能性があります。
• 粒子径の縮小
  粒子径の縮小は、より滑らかな口当たり、懸濁挙動の改善、タンパク質表面への水の到達性の向上と関連することが多くあります。オート麦タンパク質に関する論文は、特に粒子径の縮小という点で、超音波が産業規模の植物性タンパク質加工に有用であると結論づけています。
• タンパク質の溶解性の向上
  超音波処理は、タンパク質の溶解した割合を増加させ、処理が難しい系での見かけの溶解性を改善できる可能性があります。オート麦タンパク質の研究では、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200 J/mLの時点ですでに溶解性が約三倍になったと著者らは報告しています。
• 懸濁液の安定性の向上
  超音波は、分散を改善し、未溶解粒子の割合を減らすことで、沈降や相分離の低減に役立ちます。アップロードされた論文は、超音波処理によってオート麦濃縮タンパク質の懸濁液の不安定性が低下し、連続フローセル処理では、同じエネルギー密度で懸濁液の安定性が大幅に改善されたと報告しています。

例：Hielscherの超音波処理装置によるオート麦タンパク質の加工

オート麦濃縮タンパク質の加工に関する2025年の研究では、Hielscherの装置を使用し、バッチ式とフローセル式の両方の超音波処理を特性評価しました。研究者らは、実験でHielscher UIP1500hdTとHielscher UP200Stを使用しました。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するとともに、エネルギー密度の増加に伴って懸濁液の不安定性が低下することを確認しました。また、フローセルでの超音波処理は、一般的なバッチ式設計と比べて高い処理能力を実現し、産業用途への適合性を備えていることも確認しました。
この研究はさらに、超音波が、植物性濃縮タンパク質の産業規模のプロセス用途において有用な手段であると結論づけています。粒子径縮小の改善、懸濁液の安定性向上、そしてプロセス効率とスケールアップにおけるフローセル構成での連続超音波処理の重要性を強調しています。

例：超音波処理によるエンドウ豆タンパク質の機能性改善

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します。凝集体を解体し、粒子径を縮小することで分散性と溶解性を改善し、タンパク質の消化性やバイオアクセシビリティを損なうことなく、食品中での機能的性能を高められる可能性があります。食物繊維を含む配合物では、超音波は有用なタンパク質–食物繊維ネットワークの形成も促進でき、食物繊維の種類によっては、粘度や食感を形成する能力を高めることができます。発酵させたエンドウ豆タンパク質ベースのヨーグルト代替品では、超音波により、ヘキサナールや2-pentylfuranなどの主要な異臭成分が減少する一方、ジアセチルやアセトインなどの望ましいヨーグルト様香気成分が増加し、製品品質がさらに改善されました。このため、超音波は機能性と官能特性の両方を改善する、有望なクリーンラベルの手段です。
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM画像（倍率400xおよび2000x、スケールバー：10 µm）：未処理（UT）および
超音波処理済み（T）のエンドウ豆タンパク質試料（PP）。
研究および画像：©Kalla-Berthold et al., 2023

例：超音波処理したヘンプタンパク質の利点

ヘンプタンパク質の超音波抽出には、特に脱脂ヘンプ種子廃棄物をより付加価値の高い原料に転換するうえで、いくつかの顕著な利点があります。アップロードされた研究では、超音波支援抽出は従来の抽出と比べて全体的なタンパク質回収率と純度を改善し、最良の組み合わせプロセスでは、HPP前処理と併用した場合にタンパク質回収率約62%、純度約76%に達しました。また、各分離タンパク質でアミノ酸の抽出も促進され、栄養成分の収率向上が示唆された一方、SDS-PAGE上のタンパク質バンドパターンには、目視で確認できる大きな損傷は生じませんでした。全体として、これらの知見は、超音波が、処理強度を低減し、ヘンプ副産物を食品および機能性栄養食品向けの有用なタンパク質原料に転換するのに役立つ、より環境に配慮した効率的な抽出手法であることを支持しています。
(cf. Cabral et al. 2023)

例：米ぬかからのタンパク質加水分解物の超音波抽出

米タンパク質加水分解物の超音波抽出は、明確な機能上の利点をもたらします。超音波が細胞構造を破壊して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、従来の手法よりも効率的に抽出できるためです。この研究では、固液比0.43、振幅48.25%、処理時間29.89分で抽出の最適化に成功しました。また、超音波支援酵素加水分解は、高いACE阻害活性や抗酸化能を含む、強い生物活性を持つ加水分解物の生成にも寄与しました。著者らは、超音波がタンパク質の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、米ぬかをより付加価値の高い生物活性タンパク質原料に転換するのに役立つと結論づけています。
(cf. Hayta et al., 2020)

食品・サプリメントメーカーにとっての利点

• 製品品質の向上
  超音波処理は、液状タンパク質製品の食感や口当たりをより滑らかにし、懸濁液やプレミックスの均一性を改善し、タンパク質飲料で目視できる沈降を低減し、バッチ間で機能的性能をより安定させるのに役立つ可能性があります。
• 加工の効率化
  超音波は、分散と水和を促進し、連続インライン処理を可能にすることで、加工を強化できます。オート麦タンパク質の研究では、フローセル設計は、高い質量処理能力にもかかわらず、より高い密度を可能にするため、一般的なバッチ式設計よりも高い効率と産業用途への適合性の向上に寄与できると報告されています。
• 配合の柔軟性の向上
  超音波処理は、処理が難しい植物性タンパク質配合物、高タンパク質RTD飲料、サプリメントのベース、および均質化、加水分解、乾燥に先立つ工程に有用です。この論文は、植物由来飲料、スラリー、その後の加水分解工程への適用可能性に言及しています。
• スケールアップの可能性の向上
  振幅、強度、エネルギー密度、滞留時間、背圧など、明確に規定された超音波処理パラメーターは、実験室での作業からパイロット生産や産業生産へのプロセス移行を支えます。アップロードされた研究は、スケールアップ可能な連続処理を設計するうえで、これらのパラメーターを特に重視しています。

Hielscherの超音波処理装置を使用する利点

Hielscherの超音波処理装置は、制御された再現性のある超音波処理を可能にするため、タンパク質加工に魅力的です。メーカーにとっての真の利点は、キャビテーションを発生させることだけでなく、明確に規定されたスケールアップ可能な条件下で発生させられることにあります。

• 制御された超音波処理パラメーター
  研究で使用されたHielscherのシステムにより、研究者らは、バッチモードとフローセルモードの両方で、明確に規定された振幅、強度、エネルギー密度を用いて処理できました。これは、体系的なプロセス開発とスケールアップを支えます。
• バッチ処理とフローセル処理への対応
  メーカーは、バッチで超音波処理を評価した後、連続インライン処理へ移行できます。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、懸濁液の安定性と産業用途への適合性において、バッチ処理を上回る可能性があることを示しています。
• 産業規模の処理能力を実現するプロセス設計
  この研究は、背圧、滞留時間、質量流量が連続超音波処理における重要な変数であることを示しています。これにより超音波処理は、単なる実験室の技術ではなく、実際のプロセス工学上の手段となるため、メーカーにとって重要です。
• 処理が難しいタンパク質系への対応
  この論文は、植物由来の懸濁液では、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非常に重要であると強調しています。また、超音波処理装置は設置面積が小さく、高い固形分濃度に対応でき、物理的効果と化学的効果の独自の組み合わせをもたらすとも述べています。

 
代表的な用途
タンパク質の超音波処理は、次の用途に適しています。

• オート麦、エンドウ豆、大豆、米、ソラマメ、またはそれらの混合物をベースとした植物性タンパク質飲料；
• タンパク質を強化した乳飲料および非乳製品飲料；
• 栄養補助食品の懸濁液および少量の液状ショット製品；
• 均質化または乳化前のタンパク質分散液；
• および噴霧乾燥やさらなる機能性付与のためのプレミックス。

スケールアップ可能なタンパク質加工技術としての超音波

超音波処理は、従来の混合だけでは限界に達することが多い状況で、食品・サプリメントメーカーがタンパク質の機能性を改善するのに役立ちます。超音波は、分散の促進、粒子径の縮小、溶解したタンパク質の割合の増加、懸濁液の安定化によって、製品品質とプロセス効率に測定可能な利点をもたらす可能性があります。アップロードされた研究は、オート麦濃縮タンパク質についてこの見解を支持し、連続フローセル超音波処理が産業規模の加工に特に有望であることを示しています。
Hielscherの超音波処理装置は、実験室での実現可能性の検証から産業規模での導入に至る実用的な道筋を提供します。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の研究での使用実績は、食品・栄養補助食品メーカー向けに、超音波処理を制御されたスケールアップ可能な生産工程として開発できることを示しています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設へ円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい要求のある環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置を特に重視しています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献 / 参考文献

• 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.