식품 및 영양 보충제용 단백질의 초음파 가공

초음파 처리는 식품 및 영양 보충제에 사용되는 단백질의 기능성, 분산성, 용해도 및 안정성을 개선하는 강력한 공정 기술입니다. 귀리, 완두, 대두, 대마, 쌀 등의 식물성 단백질부터 유단백질과 혼합 배합물에 이르기까지, 고강도 초음파는 제조업체가 단백질 시스템을 최적화하여 가공 특성과 제품 성능을 개선하는 데 도움을 줍니다.

단백질 가공에서 초음파는 혼합 보조 수단 이상의 역할을 합니다. 적절히 제어된 초음파 처리는 입자 크기를 줄이고, 수화 및 분산을 개선하며, 용해된 단백질의 비율을 높이고, 현탁 안정성을 개선할 수 있습니다. 이러한 효과는 특히 바로 마실 수 있는 음료, 농축 단백질, 강화 식품 및 분말 보충제 배합물에 유용합니다. 귀리 단백질의 초음파 가공을 조사하여 2025년에 발표된 연구(Höhme-Matthes et al.)에서는 에너지 밀도가 증가함에 따라 초음파 처리가 귀리 농축 단백질의 용해량을 늘리고 현탁액의 불안정성을 줄였습니다.

초음파 단백질 가공이 중요한 이유

식품 및 보충제 제조업체는 낮은 습윤성, 불완전한 수화, 침강, 높은 점도, 불안정한 현탁액, 일관되지 않은 기능성 등의 문제에 자주 직면합니다. 이러한 문제는 고단백, 식물성 및 클린 라벨 배합물에서 더욱 중요해집니다.
고강도 저주파 초음파는 액체에서 음향 캐비테이션을 발생시킵니다. 미세 기포의 붕괴는 국소적인 전단력, 난류 및 미세 혼합을 일으킵니다. 단백질 시스템에서 이러한 효과는 응집체를 분해하고, 입자 크기를 줄이며, 물질 전달을 개선하고, 단백질이 풍부한 현탁액의 물리적 구조를 변화시킬 수 있습니다. 그 결과 가공이 더 쉬우며 완제품에서 더 우수한 성능을 발휘하는 경우가 많은 단백질 시스템을 얻을 수 있습니다.

초음파 처리가 식품 산업의 단백질 가공을 개선하는 방식

• 분산 및 수화 개선
  단백질 분말은 흔히 불균일하게 수화되며 응집체를 형성합니다. 초음파 처리는 입자의 응집 해체를 돕고 보다 균일한 습윤을 촉진하여 수화 시간을 단축하고 후속 공정에서의 취급을 개선할 수 있습니다.
• 입자 크기 감소
  입자 크기 감소는 흔히 더 부드러운 입안 느낌, 개선된 현탁 거동 및 단백질 표면에 대한 물의 접근성 향상과 관련이 있습니다. 귀리 단백질 논문은 특히 입자 크기 감소 측면에서 초음파가 산업 규모의 식물성 단백질 가공에 유용하다고 결론짓습니다.
• 단백질 용해도 향상
  초음파 처리는 단백질의 용해된 비율을 높이고 가공이 까다로운 시스템에서 겉보기 용해도를 개선할 수 있습니다. 귀리 단백질 연구에서 저자들은 초음파 처리가 귀리 농축 단백질의 용해량을 늘렸으며, 에너지 밀도 200 J/mL에서 이미 용해도가 약 세 배로 높아졌다고 보고합니다.
• 현탁 안정성 향상
  초음파는 분산을 개선하고 용해되지 않은 입자의 비율을 줄여 침강과 상분리를 줄이는 데 도움을 줍니다. 업로드된 논문은 초음파 처리가 귀리 농축 단백질 현탁액의 불안정성을 줄였으며, 연속식 플로우 셀 처리가 동일한 에너지 밀도에서 현탁 안정성을 크게 개선했다고 보고합니다.

사례: Hielscher 초음파 처리기를 이용한 귀리 단백질 가공

귀리 단백질 농축물 가공에 관한 2025년 연구에서는 Hielscher 장비를 사용하여 배치식 및 플로우 셀 방식의 초음파 처리 특성을 모두 분석했습니다. 연구진은 실험에서 Hielscher UIP1500hdT와 Hielscher UP200St를 사용했습니다. 초음파 처리는 귀리 단백질 농축물의 용해량을 증가시켰으며, 에너지 밀도가 증가함에 따라 현탁액의 불안정성을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 또한 플로우 셀 방식의 초음파 처리는 일반적인 배치식 설계에 비해 더 높은 처리량을 가능하게 하며 산업적 활용성이 있는 것으로 나타났습니다.
이 연구는 초음파가 식물성 단백질 농축물의 산업 규모 공정에 유용한 도구라고 추가로 결론짓습니다. 입자 크기 감소 효과의 향상, 현탁액 안정성의 개선, 공정 효율 및 규모 확대를 위한 플로우 셀 구성에서의 연속 초음파 처리의 중요성을 강조합니다.

사례: 초음파 처리로 개선된 완두 단백질의 기능성

초음파 가공은 완두 단백질 시스템에 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다. 응집체를 분해하고 입자 크기를 줄여 분산성과 용해도를 개선하며, 이는 단백질의 소화율이나 생체접근성을 저해하지 않으면서 식품 내 기능적 성능을 강화할 수 있습니다. 섬유 함유 제형에서는 초음파가 유용한 단백질–섬유 네트워크 형성을 촉진할 수도 있으며, 섬유 유형에 따라 점도와 조직 형성 능력을 높일 수 있습니다. 발효 완두 단백질 기반 요구르트 대체품에서는 초음파가 헥사날과 2-펜틸푸란 같은 주요 이취 성분을 줄이는 동시에 디아세틸과 아세토인 같은 바람직한 요구르트 유사 향기 성분을 증가시켜 제품 품질을 더욱 개선했습니다. 따라서 초음파는 기능성과 관능적 특성을 모두 개선할 수 있는 유망한 클린 라벨 도구입니다.
(Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024 참조)

FE-SEM 이미지(배율 400x 및 2000x, 스케일 바: 10 µm): 미처리(UT) 및
초음파 처리(T) 완두 단백질 시료(PP).
연구 및 이미지: ©Kalla-Berthold et al., 2023

사례: 초음파 처리한 대마 단백질의 장점

초음파를 이용한 대마 단백질 추출은 특히 탈지 대마씨 폐기물을 고부가가치 원료로 전환하는 데 몇 가지 주목할 만한 이점을 제공합니다. 업로드된 연구에서 초음파 보조 추출은 기존 추출법에 비해 전반적인 단백질 회수율과 순도를 개선했으며, HPP 전처리와 결합했을 때 가장 우수한 복합 공정은 약 62%의 단백질 회수율과 약 76%의 순도에 도달했습니다. 또한 각 분리물에서 아미노산 추출을 향상시켜 영양 성분 회수량의 개선 가능성을 시사했으며, SDS-PAGE에서 단백질 밴드 패턴에 눈에 띄는 큰 손상을 일으키지 않았습니다. 전반적으로 이러한 결과는 초음파가 공정 강도를 줄이고 대마 부산물을 유용한 식품 및 기능성 식품용 단백질 원료로 전환하는 데 도움이 되는, 보다 친환경적이고 효율적인 추출 방법임을 뒷받침합니다.
(Cabral et al. 2023 참조)

사례: 쌀겨에서 단백질 가수분해물의 초음파 추출

초음파를 이용한 쌀 단백질 가수분해물 추출은 뚜렷한 기능적 이점을 제공합니다. 초음파가 세포 구조를 파괴하고 물질 전달을 강화하여 쌀겨에서 단백질 방출을 개선하므로 기존 방법보다 추출 효율이 높아지기 때문입니다. 이 연구에서는 고체/액체 비율 0.43, 진폭 48.25%, 처리 시간 29.89분에서 추출이 성공적으로 최적화되었으며, 초음파 보조 효소 가수분해는 높은 ACE 억제 활성과 항산화 잠재력을 비롯한 강력한 생물활성을 지닌 가수분해물의 생성에도 기여했습니다. 저자들은 초음파가 단백질 추출뿐 아니라 효소 가수분해를 가속하는 데에도 효과적인 기술이며, 쌀겨를 고부가가치 생리활성 단백질 원료로 전환하는 데 도움이 된다고 결론짓습니다.
(Hayta et al., 2020 참조)

식품 및 영양 보충제 제조업체를 위한 이점

• 더 나은 제품 품질
  초음파 처리는 액상 단백질 제품의 질감과 입안 촉감을 더 부드럽게 하고, 현탁액과 프리믹스의 균질성을 개선하며, 단백질 음료에서 눈에 띄는 침전을 줄이고, 배치 간 기능적 성능을 더 일정하게 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 더 효율적인 가공
  초음파는 분산과 수화를 촉진하고 연속 인라인 처리를 가능하게 하여 가공을 강화할 수 있습니다. 귀리 단백질 연구에서는 플로우 셀 설계가 높은 질량 처리량에서도 더 높은 밀도를 가능하게 하므로, 일반적인 배치 설계보다 더 높은 효율과 더 큰 산업적 활용성을 뒷받침할 수 있다고 보고합니다.
• 더 높은 배합 유연성
  초음파 처리는 가공이 까다로운 식물성 단백질 배합물, 고단백 RTD 음료, 보충제 베이스 및 균질화, 가수분해 또는 건조 전 단계의 공정에 유용합니다. 이 논문은 식물성 음료, 슬러리 및 후속 가수분해 단계에서의 활용성을 언급합니다.
• 더 나은 스케일업 가능성
  진폭, 강도, 에너지 밀도, 체류 시간 및 배압과 같이 명확하게 설정된 초음파 처리 매개변수는 실험실에서 파일럿 및 산업 생산으로 공정을 이전하는 데 도움이 됩니다. 업로드된 연구는 스케일업이 가능한 연속 공정을 설계할 때 이러한 매개변수가 특히 중요하다고 강조합니다.

Hielscher 초음파 처리기를 사용하면 이점이 있는 이유

Hielscher 초음파 처리기는 제어 가능하고 재현성 있는 초음파 처리를 가능하게 하므로 단백질 가공에 매력적인 장비입니다. 제조업체가 얻는 실질적인 이점은 단순히 캐비테이션을 발생시키는 데 있는 것이 아니라, 명확하게 설정되고 스케일업이 가능한 조건에서 캐비테이션을 발생시키는 데 있습니다.

• 제어 가능한 초음파 처리 매개변수
  연구에 사용된 Hielscher 시스템을 통해 연구진은 배치 모드와 플로우 셀 모드 모두에서 명확하게 설정된 진폭, 강도 및 에너지 밀도로 작업할 수 있었습니다. 이는 체계적인 공정 개발과 스케일업을 뒷받침합니다.
• 배치 및 플로우 셀 처리 기능
  제조업체는 배치 방식으로 초음파 처리를 평가한 다음 연속 인라인 처리로 전환할 수 있습니다. 업로드된 논문은 연속 플로우 셀 초음파 처리가 현탁액 안정성과 산업적 활용성 측면에서 배치 처리보다 우수할 수 있음을 보여줍니다.
• 산업적 처리량을 위한 공정 설계
  이 연구는 배압, 체류 시간 및 질량 유량이 연속 초음파 처리에서 중요한 변수임을 보여줍니다. 이는 초음파 처리를 단순한 실험실 기법을 넘어 실질적인 공정 공학 도구로 만들어 준다는 점에서 제조업체에 중요합니다.
• 처리가 까다로운 단백질 시스템 지원
  이 논문은 입자 크기, 현탁액 안정성, 용해도 및 점도와 같은 제품 특성을 용도에 맞게 조절하는 것이 식물성 현탁액에 매우 중요하다고 강조합니다. 또한 초음파 처리기는 설치 면적이 작고, 고형분 농도가 높은 물질을 처리할 수 있으며, 물리적 효과와 화학적 효과의 독특한 조합을 제공한다고 언급합니다.

 
주요 적용 분야
초음파 단백질 처리가 적용되는 분야는 다음과 같습니다

• 귀리, 완두, 대두, 쌀, 잠두 또는 이들의 혼합물을 기반으로 한 식물성 단백질 음료;
• 단백질 강화 유제품 음료 및 비유제품 음료;
• 영양 보충제 현탁액 및 소용량 액상 보충제;
• 균질화 또는 유화 전 단계의 단백질 분산액;
• 그리고 분무 건조 또는 추가 기능화를 위한 프리믹스.

스케일업이 가능한 단백질 가공 기술로서의 초음파

초음파 처리는 기존 혼합만으로는 한계에 도달하는 경우가 많은 단백질 기능성 개선에 식품 및 보충제 제조업체가 활용할 수 있습니다. 초음파는 분산을 강화하고, 입자 크기를 줄이고, 용해된 단백질의 비율을 높이고, 현탁액을 안정화하여 제품 품질과 공정 효율에서 측정 가능한 이점을 제공할 수 있습니다. 업로드된 연구는 귀리 단백질 농축물에 대해 이러한 효과를 뒷받침하며, 연속 플로우 셀 초음파 처리가 산업적 가공에 특히 유망함을 시사합니다.
Hielscher 초음파 처리기는 실험실에서의 타당성 검토부터 산업적 구현까지 실질적인 경로를 제공합니다. 업로드된 귀리 단백질 연구를 비롯하여 발표된 단백질 가공 연구에서 이러한 초음파 처리기를 활용한 사례는 식품 및 영양 보충제 제조업체가 초음파 처리를 제어 가능하고 규모 확장이 가능한 생산 단계로 개발할 수 있는 방법을 보여줍니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질과 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 손쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

문헌 / 참고문헌

• 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.