Olbaltumvielu apstrāde ar ultraskaņu pārtikai un uztura bagātinātājiem

Apstrāde ar ultraskaņu ir iedarbīga procesu tehnoloģija pārtikā un uztura bagātinātājos izmantoto olbaltumvielu funkcionālo īpašību, disperģējamības, šķīdības un stabilitātes uzlabošanai. Augstas intensitātes ultraskaņa palīdz ražotājiem optimizēt olbaltumvielu sistēmas, lai uzlabotu to īpašības apstrādes laikā un galaproduktā, sākot no augu olbaltumvielām, piemēram, auzu, zirņu, sojas, kaņepju un rīsu olbaltumvielām, līdz piena olbaltumvielām un jaukta sastāva formulācijām.

Olbaltumvielu apstrādē ultraskaņa ir kas vairāk nekā palīglīdzeklis sajaukšanai. Pareizi kontrolēta apstrāde ar ultraskaņu var samazināt daļiņu izmēru, uzlabot hidratāciju un dispersiju, palielināt izšķīdušo olbaltumvielu daļu un uzlabot suspensijas stabilitāti. Šī ietekme ir īpaši būtiska lietošanai gataviem dzērieniem, olbaltumvielu koncentrātiem, bagātinātiem pārtikas produktiem un pulverveida uztura bagātinātāju formulācijām. 2025. gadā publicētā pētījumā (Höhme-Matthes et al.) par auzu olbaltumvielu apstrādi ar ultraskaņu tika konstatēts, ka, palielinoties enerģijas blīvumam, apstrāde ar ultraskaņu palielināja izšķīdušā auzu olbaltumvielu koncentrāta daudzumu un samazināja suspensijas nestabilitāti.

Kāpēc olbaltumvielu apstrāde ar ultraskaņu ir svarīga

Pārtikas un uztura bagātinātāju ražotāji bieži saskaras ar tādām problēmām kā slikta samitrināšanās, nepilnīga hidratācija, sedimentācija, augsta viskozitāte, nestabilas suspensijas un nevienmērīgas funkcionālās īpašības. Šīs problēmas kļūst vēl nozīmīgākas formulācijās ar augstu olbaltumvielu saturu, augu izcelsmes formulācijās un formulācijās ar tīru marķējumu.
Augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņa šķidrumos rada akustisko kavitāciju. Mikroskopisku burbulīšu implozija rada lokalizētus bīdes spēkus, turbulenci un mikrosajaukšanos. Olbaltumvielu sistēmās šī ietekme var sašķelt aglomerātus, samazināt daļiņu izmēru, uzlabot masas pārnesi un mainīt ar olbaltumvielām bagātu suspensiju fizikālo struktūru. Rezultātā iegūst olbaltumvielu sistēmu, kuru ir vieglāk apstrādāt un kurai galaproduktā bieži ir labākas īpašības.

Kā apstrāde ar ultraskaņu uzlabo olbaltumvielu apstrādi pārtikas rūpniecībā

• Uzlabota dispersija un hidratācija
  Olbaltumvielu pulveri bieži hidratējas nevienmērīgi un veido aglomerātus. Apstrāde ar ultraskaņu palīdz deaglomerēt daļiņas un veicina vienmērīgāku samitrināšanos, kas var saīsināt hidratācijas laiku un atvieglot turpmākās apstrādes darbības.
• Daļiņu izmēra samazināšana
  Mazāks daļiņu izmērs bieži ir saistīts ar viendabīgāku sajūtu mutē, uzlabotām suspensijas īpašībām un labāku ūdens piekļuvi olbaltumvielu virsmām. Publikācijā par auzu olbaltumvielām īpaši secināts, ka ultraskaņa ir noderīga augu olbaltumvielu apstrādei rūpnieciskā mērogā, lai samazinātu daļiņu izmēru.
• Augstāka olbaltumvielu šķīdība
  Apstrāde ar ultraskaņu var palielināt izšķīdušo olbaltumvielu daļu un uzlabot šķietamo šķīdību sarežģītās sistēmās. Pētījumā par auzu olbaltumvielām autori ziņo, ka apstrāde ar ultraskaņu palielināja izšķīdušā auzu olbaltumvielu koncentrāta daudzumu, šķīdībai sasniedzot aptuveni trīs reizes augstāku līmeni jau pie enerģijas blīvuma 200 J/mL.
• Uzlabota suspensijas stabilitāte
  Uzlabojot dispersiju un samazinot neizšķīdušo daļiņu frakcijas, ultraskaņa palīdz samazināt sedimentāciju un fāžu atdalīšanos. Augšupielādētajā publikācijā ziņots, ka apstrāde ar ultraskaņu samazināja auzu olbaltumvielu koncentrāta suspensiju nestabilitāti un ka nepārtraukta apstrāde plūsmas šūnā ievērojami uzlaboja suspensijas stabilitāti pie tā paša enerģijas blīvuma.

Piemērs: auzu olbaltumvielu apstrāde ar Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīcēm

2025. gada pētījumā par auzu olbaltumvielu koncentrāta apstrādi tika raksturota gan periodiska apstrāde ar ultraskaņu, gan apstrāde plūsmas šūnā, izmantojot Hielscher iekārtas. Eksperimentos pētnieki izmantoja Hielscher UIP1500hdT un Hielscher UP200St. Viņi konstatēja, ka apstrāde ar ultraskaņu palielināja izšķīdušo auzu olbaltumvielu koncentrāta daudzumu, savukārt, palielinoties enerģijas blīvumam, suspensijas nestabilitāte samazinājās. Viņi arī konstatēja, ka apstrāde ar ultraskaņu plūsmas šūnā nodrošināja lielāku ražību un bija rūpnieciski nozīmīgāka salīdzinājumā ar ierasto periodiskās apstrādes konfigurāciju.
Pētījumā arī secināts, ka ultraskaņa ir noderīgs instruments augu olbaltumvielu koncentrātu apstrādei rūpnieciskā mērogā. Tajā uzsvērta efektīvāka daļiņu izmēra samazināšana, labāka suspensijas stabilitāte un nepārtrauktas apstrādes ar ultraskaņu nozīme plūsmas šūnas konfigurācijās procesa efektivitātes un mēroga palielināšanas nodrošināšanā.

Piemērs: zirņu olbaltumvielu funkcionalitātes uzlabošana ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu sniedz vairākas nepārprotamas priekšrocības zirņu olbaltumvielu sistēmām: tā uzlabo disperģējamību un šķīdību, sašķeļot agregātus un samazinot daļiņu izmēru, kas var uzlabot funkcionālās īpašības pārtikā, nepasliktinot olbaltumvielu sagremojamību vai biopieejamību. Šķiedrvielas saturošos sastāvos ultraskaņa var arī veicināt noderīga olbaltumvielu un šķiedrvielu tīkla veidošanos un atkarībā no šķiedrvielu veida palielināt viskozitāti un spēju veidot tekstūru. Fermentētās jogurta alternatīvās uz zirņu olbaltumvielu bāzes ultraskaņa vēl vairāk uzlaboja produkta kvalitāti, samazinot tādu būtisku nevēlamas piegaršas savienojumu kā heksanāls un 2-pentilfurāns daudzumu un vienlaikus palielinot tādu vēlamu, jogurtam raksturīgu aromāta savienojumu kā diacetils un acetoīns daudzumu, tādējādi padarot to par daudzsološu tīrā marķējuma instrumentu gan funkcionalitātes, gan sensoro īpašību uzlabošanai.
(sal. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM attēli (400x un 2000x palielinājumā, mēroga josla: 10 µm), kuros redzami neapstrādāti (UT) un
ar ultraskaņu apstrādāti (T) zirņu olbaltumvielu paraugi (PP).
Pētījums un attēls: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Piemērs: ar ultraskaņu apstrādātu kaņepju olbaltumvielu priekšrocības

Kaņepju olbaltumvielu ekstrakcija ar ultraskaņu sniedz vairākas ievērojamas priekšrocības, jo īpaši attaukotu kaņepju sēklu atkritumu pārstrādē augstākas vērtības sastāvdaļās. Augšupielādētajā pētījumā ekstrakcija ar ultraskaņas palīdzību uzlaboja kopējo olbaltumvielu atgūšanas pakāpi un tīrību salīdzinājumā ar tradicionālo ekstrakciju; labākajā kombinētajā procesā, izmantojot HPP priekšapstrādi, tika sasniegta aptuveni 62% olbaltumvielu atgūšanas pakāpe un aptuveni 76% tīrība. Tā arī uzlaboja aminoskābju ekstrakciju visos izolātos, liecinot par labāku uzturvielu iznākumu, vienlaikus neradot būtiskus redzamus bojājumus olbaltumvielu joslu rakstā SDS-PAGE analīzē. Kopumā rezultāti apliecina, ka ultraskaņa ir videi draudzīgāka un efektīvāka ekstrakcijas pieeja, kas var samazināt apstrādes intensitāti un palīdzēt pārvērst kaņepju blakusproduktus noderīgās olbaltumvielu sastāvdaļās pārtikai un nutraceitiskiem produktiem.
(sal. Cabral et al. 2023)

Piemērs: olbaltumvielu hidrolizāta ekstrakcija no rīsu klijām ar ultraskaņu

Rīsu olbaltumvielu hidrolizāta ekstrakcija ar ultraskaņu sniedz nepārprotamas funkcionālas priekšrocības, jo ultraskaņa uzlabo olbaltumvielu izdalīšanos no rīsu klijām, sagraujot šūnu struktūras un uzlabojot masas pārnesi, tādējādi padarot ekstrakciju efektīvāku nekā tradicionālās pieejas. Pētījumā ekstrakcija tika veiksmīgi optimizēta pie cietās fāzes un šķidruma attiecības 0,43, 48,25% amplitūdas un 29,89 minūšu ilguma, un fermentatīvā hidrolīze ar ultraskaņas palīdzību arī veicināja hidrolizātu iegūšanu ar spēcīgu bioloģisko aktivitāti, tostarp augstu AKE inhibējošo aktivitāti un antioksidatīvo potenciālu. Autori secina, ka ultraskaņa ir efektīva metode ne tikai olbaltumvielu ekstrakcijai, bet arī fermentatīvās hidrolīzes paātrināšanai, palīdzot pārvērst rīsu klijas augstākas vērtības bioaktīvās olbaltumvielu sastāvdaļās.
(sal. Hayta et al., 2020)

Ieguvumi pārtikas un uztura bagātinātāju ražotājiem

• Labāka produktu kvalitāte
  Apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt nodrošināt viendabīgāku tekstūru un patīkamāku sajūtu mutē šķidriem olbaltumvielu produktiem, labāku suspensiju un priekšmaisījumu viendabīgumu, mazāk redzamu nogulšņu veidošanos olbaltumvielu dzērienos un vienmērīgākas funkcionālās īpašības dažādās partijās.
• Efektīvāka apstrāde
  Ultraskaņa var intensificēt apstrādi, paātrinot disperģēšanu un hidratāciju un nodrošinot nepārtrauktu apstrādi plūsmā. Auzu olbaltumvielu pētījumā ziņots, ka plūsmas šūnas konstrukcija ļauj sasniegt augstākas blīvuma vērtības, neraugoties uz lielu masas caurlaidspēju, un tādējādi var nodrošināt augstāku efektivitāti un lielāku nozīmi rūpnieciskā izmantošanā nekā parasta periodiskas apstrādes konstrukcija.
• Lielāka elastība produktu sastāva izstrādē
  Apstrāde ar ultraskaņu ir noderīga sarežģītiem augu olbaltumvielu sastāviem, lietošanai gataviem dzērieniem ar augstu olbaltumvielu saturu, uztura bagātinātāju bāzēm un procesiem pirms homogenizācijas, hidrolīzes vai žāvēšanas. Publikācijā norādīts uz tās nozīmi augu izcelsmes dzērienu, biezu suspensiju un turpmāko hidrolīzes posmu apstrādē.
• Labākas mērogošanas iespējas
  Noteikti apstrādes ar ultraskaņu parametri, piemēram, amplitūda, intensitāte, enerģijas blīvums, uzturēšanās laiks un pretspiediens, palīdz pārnest procesu no laboratorijas uz pilotražošanu un rūpniecisko ražošanu. Augšupielādētajā pētījumā šie parametri ir īpaši uzsvērti mērogojamas nepārtrauktas apstrādes projektēšanā.

Kāpēc Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtu izmantošana sniedz priekšrocības

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir pievilcīgs risinājums olbaltumvielu apstrādei, jo tās nodrošina kontrolētu un reproducējamu apstrādi ar ultraskaņu. Ražotājiem patiesā priekšrocība ir ne vien kavitācijas radīšana, bet tās radīšana noteiktos un mērogojamos apstākļos.

• Kontrolēti apstrādes ar ultraskaņu parametri
  Pētījumā izmantotās Hielscher sistēmas ļāva pētniekiem strādāt ar noteiktām amplitūdām, intensitātēm un enerģijas blīvumiem gan periodiskā režīmā, gan plūsmas šūnas režīmā. Tas veicina sistemātisku procesa izstrādi un mērogošanu.
• Iespēja veikt periodisku apstrādi un apstrādi plūsmas šūnā
  Ražotāji var novērtēt apstrādi ar ultraskaņu periodiskā režīmā un pēc tam pāriet uz nepārtrauktu apstrādi plūsmā. Augšupielādētā publikācija parāda, ka nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu plūsmas šūnā var pārspēt periodisku apstrādi suspensijas stabilitātes un rūpnieciskās izmantošanas nozīmīguma ziņā.
• Procesa projektēšana rūpnieciskam ražīgumam
  Pētījums parāda, ka pretspiediens, uzturēšanās laiks un masas plūsma ir svarīgi mainīgie nepārtrauktā apstrādē ar ultraskaņu. Ražotājiem tas ir būtiski, jo tādējādi apstrāde ar ultraskaņu kļūst par pilnvērtīgu procesu inženierijas rīku, nevis tikai laboratorijas metodi.
• Atbalsts sarežģītu olbaltumvielu sistēmu apstrādei
  Publikācijā uzsvērts, ka augu izcelsmes suspensijām ir ļoti svarīgi pielāgot tādas produkta īpašības kā daļiņu izmērs, suspensijas stabilitāte, šķīdība un viskozitāte. Tajā arī norādīts, ka ultraskaņas apstrādes iekārtas aizņem maz vietas, spēj apstrādāt materiālus ar augstu cietvielu koncentrāciju un piedāvā unikālu fizikālās un ķīmiskās iedarbības kombināciju.

 
Tipiski lietojumi
Olbaltumvielu apstrāde ar ultraskaņu ir nozīmīga

• augu olbaltumvielu dzērieniem uz auzu, zirņu, sojas, rīsu, lauka pupu vai to maisījumu bāzes;
• ar olbaltumvielām bagātinātiem piena un bezpiena dzērieniem;
• uztura bagātinātāju suspensijām un šķidrām vienas devas porcijām;
• olbaltumvielu dispersijām pirms homogenizācijas vai emulģēšanas;
• un priekšmaisījumiem izsmidzināšanas žāvēšanai vai turpmākai funkcionalizēšanai.

Ultraskaņa kā mērogojama olbaltumvielu apstrādes tehnoloģija

Apstrāde ar ultraskaņu palīdz pārtikas un uztura bagātinātāju ražotājiem uzlabot olbaltumvielu funkcionālās īpašības situācijās, kurās ar parasto maisīšanu vien bieži vairs nepietiek. Intensificējot disperģēšanu, samazinot daļiņu izmēru, palielinot izšķīdušo olbaltumvielu frakciju un stabilizējot suspensijas, ultraskaņa var sniegt izmērāmus ieguvumus produktu kvalitātē un procesa efektivitātē. Augšupielādētais pētījums apstiprina šo atziņu attiecībā uz auzu olbaltumvielu koncentrātiem un norāda, ka nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu plūsmas šūnā ir īpaši perspektīva rūpnieciskai pārstrādei.
Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces nodrošina praktisku ceļu no īstenojamības laboratorijā līdz ieviešanai rūpniecībā. To izmantošana publicētajos olbaltumvielu apstrādes pētījumos, tostarp augšupielādētajā auzu olbaltumvielu pētījumā, parāda, kā apstrādi ar ultraskaņu var attīstīt par kontrolētu ražošanas posmu ar mērogošanas iespējām pārtikas un uztura bagātinātāju ražotājiem.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un lietotājam draudzīgu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces atbilst CE prasībām, kā arī UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces

• 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.