Ultraskaņas proteīnu apstrāde pārtikai un uztura bagātinātājiem

Sonikācija ir spēcīga procesa tehnoloģija, kas ļauj uzlabot pārtikas produktos un uztura bagātinātājos izmantoto olbaltumvielu funkcionalitāti, dispersiju, šķīdību un stabilitāti. No augu olbaltumvielām, piemēram, auzu, zirņu, sojas, kaņepju un rīsu olbaltumvielām līdz piena olbaltumvielām un jauktiem preparātiem, augstas intensitātes ultraskaņa palīdz ražotājiem optimizēt olbaltumvielu sistēmas, lai uzlabotu to pārstrādes īpašības un uzlabotu produktu veiktspēju.

Olbaltumvielu apstrādē ultraskaņa ir vairāk nekā tikai sajaukšanas palīglīdzeklis. Pareizi kontrolēta sonikācija var samazināt daļiņu izmēru, uzlabot hidratāciju un dispersiju, palielināt izšķīdušo olbaltumvielu frakciju un uzlabot suspensijas stabilitāti. Šie efekti ir īpaši svarīgi dzērieniem, kas gatavi dzeršanai, olbaltumvielu koncentrātiem, bagātinātiem pārtikas produktiem un pulverveida uztura bagātinātāju preparātiem. 2025. gadā publicētajā pētījumā (Höhme-Matthes et al.), kurā pētīta auzu olbaltumvielu apstrāde ar ultraskaņu, ultraskaņa palielināja izšķīdušā auzu olbaltumvielu koncentrāta daudzumu un samazināja suspensijas nestabilitāti, palielinoties enerģijas blīvumam.

Kāpēc olbaltumvielu apstrādei ar ultraskaņu ir nozīme

Pārtikas un uztura bagātinātāju ražotāji bieži saskaras ar tādām problēmām kā slikta mitrināšana, nepilnīga hidratācija, sedimentācija, augsta viskozitāte, nestabilas suspensijas un nekonsekventa funkcionalitāte. Šīs problēmas kļūst vēl svarīgākas, ja sastāvā ir daudz olbaltumvielu, augu izcelsmes produkti un produkti ar tīru marķējumu.
Augstas intensitātes, zemas frekvences ultraskaņa rada akustisko kavitāciju šķidrumos. Mikroskopisko burbulīšu implozija rada lokālus bīdes spēkus, turbulenci un mikromaisījumu. Olbaltumvielu sistēmās šie efekti var sadalīt aglomerātus, samazināt daļiņu izmēru, uzlabot masas pārnesi un mainīt olbaltumvielām bagātu suspensiju fizisko organizāciju. Rezultātā olbaltumvielu sistēma ir vieglāk apstrādājama un bieži vien labāk darbojas gatavajā produktā.

Kā sonikācija uzlabo proteīnu apstrādi pārtikas rūpniecībā

• Uzlabota dispersija un hidratācija
  Olbaltumvielu pulveri bieži vien hidratējas nevienmērīgi un veido aglomerātus. Sonikācija palīdz deaglomerēt daļiņas un veicina vienmērīgāku samitrināšanu, kas var saīsināt hidratācijas laiku un uzlabot turpmāko apstrādi.
• daļiņu izmēra samazināšana
  Samazināts daļiņu izmērs bieži vien ir saistīts ar vienmērīgāku garšas sajūtu, labāku suspensijas uzvedību un labāku ūdens piekļuvi olbaltumvielu virsmām. Auzu olbaltumvielu dokumentā īpaši secināts, ka ultraskaņa ir noderīga rūpnieciska mēroga augu olbaltumvielu apstrādē attiecībā uz daļiņu izmēra samazināšanu.
• Augstāka olbaltumvielu šķīdība
  Sonikācija var palielināt izšķīdušo olbaltumvielu frakciju un uzlabot šķietamo šķīdību sarežģītās sistēmās. Pētījumā par auzu olbaltumvielām autori ziņo, ka ultraskaņa palielināja izšķīdušā auzu olbaltumvielu koncentrāta daudzumu, un šķīdība jau pie enerģijas blīvuma 200 J/ml bija aptuveni trīs reizes lielāka.
• Uzlabota balstiekārtas stabilitāte
  Uzlabojot dispersiju un samazinot neizšķīdušo daļiņu frakcijas, ultraskaņa palīdz samazināt sedimentāciju un fāžu atdalīšanos. Augšupielādētajā dokumentā ziņots, ka ultraskaņas iedarbība samazināja auzu olbaltumvielu koncentrāta suspensiju nestabilitāti un ka nepārtraukta plūsmas šūnu apstrāde ievērojami uzlaboja suspensijas stabilitāti pie tāda paša enerģijas blīvuma.

Piemērs: Auzu olbaltumvielu apstrāde ar Hielscher Sonicators

2025. pētījumā par auzu olbaltumvielu koncentrāta apstrādi raksturoja gan partijas, gan plūsmas šūnu ultraskaņu, izmantojot Hielscher iekārtas. Pētnieki savos eksperimentos izmantoja Hielscher UIP1500hdT un Hielscher UP200St. Viņi konstatēja, ka ultraskaņa palielina izšķīdušā auzu proteīna koncentrāta daudzumu, vienlaikus samazinot suspensijas nestabilitāti, palielinoties enerģijas blīvumam. Viņi arī konstatēja, ka plūsmas šūnu sonikācija nodrošina lielāku caurlaidspēju un ir rūpnieciski nozīmīga salīdzinājumā ar parasto sērijveida konstrukciju.
Pētījumā arī secināts, ka ultraskaņa ir noderīgs rīks, ko var izmantot augu proteīnu koncentrātu rūpnieciska mēroga procesos. Tajā uzsvērta uzlabota daļiņu izmēra samazināšana, labāka suspensijas stabilitāte un nepārtrauktas sonikācijas nozīme plūsmas šūnu konfigurācijās procesa efektivitātes un palielināšanas nolūkā.

Piemērs: Zirņu proteīna funkcionālo īpašību uzlabošana ar sonikāciju

Ultraskaņas apstrāde piedāvā vairākas acīmredzamas priekšrocības zirņu olbaltumvielu sistēmām: tā uzlabo dispersiju un šķīdību, sadalot agregātus un samazinot daļiņu izmēru, kas var uzlabot pārtikas produktu funkcionālās īpašības, nepasliktinot olbaltumvielu sagremojamību vai bioloģisko pieejamību. Šķiedrvielas saturošos sastāvos ultraskaņa var arī veicināt lietderīgu olbaltumvielu un šķiedru tīkla veidošanos un atkarībā no šķiedru veida palielināt viskozitāti un tekstūras veidošanas spēju. Fermentētu zirņu-proteīnu jogurta alternatīvu sastāvā ultraskaņa vēl vairāk uzlaboja produkta kvalitāti, samazinot galvenos blakus aromāta savienojumus, piemēram, heksanālu un 2-pentilfurānu, vienlaikus palielinot vēlamos jogurtam līdzīgos aromāta savienojumus, piemēram, diacetilu un acetoīnu, tādējādi padarot to par daudzsološu "tīrā marķējuma" līdzekli gan funkcionalitātes, gan organoleptisko īpašību uzlabošanai.
(sk. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024).

FE-SEM attēli (400x un 2000x palielinājums, skalas josla: 10 µm) no neapstrādātiem (UT) un
ar ultraskaņu apstrādāti (T) zirņu proteīna (PP) paraugi.
Pētījums un attēls: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Piemērs: Ultrasoniski apstrādāta kaņepju proteīna priekšrocības

Ultraskaņas kaņepju proteīna ekstrakcija piedāvā vairākas ievērojamas priekšrocības, jo īpaši attaukotu kaņepju sēklu atkritumu pārvēršanai vērtīgās sastāvdaļās. Augšupielādētajā pētījumā ultraskaņas ekstrakcija uzlaboja kopējo proteīnu atgūšanu un tīrību, salīdzinot ar parasto ekstrakciju, un labākais kombinētais process sasniedza aptuveni 62 % proteīnu atgūšanu un aptuveni 76 % tīrību, ja to apvienoja ar HPP pirmapstrādi. Tā arī uzlaboja aminoskābju ekstrakciju visos izolātos, kas liecina par labāku uzturvērtības iznākumu, vienlaikus izvairoties no ievērojamiem redzamiem bojājumiem olbaltumvielu joslu rakstos SDS-PAGE. Kopumā iegūtie rezultāti apstiprina, ka ultraskaņa ir videi draudzīgāka un efektīvāka ekstrakcijas metode, kas var saīsināt apstrādes intensitāti un palīdzēt kaņepju blakusproduktus pārvērst noderīgās pārtikas un uztura proteīna sastāvdaļās.
(sal. Cabral et al. 2023)

Piemērs: Proteīna hidrolizāta ekstrakcija ar ultraskaņu no rīsu klijām

Rīsu proteīna hidrolizāta ekstrakcija ar ultraskaņu nodrošina nepārprotamas funkcionālās priekšrocības, jo ultraskaņa uzlabo proteīna izdalīšanos no rīsu klijām, izjaucot šūnu struktūras un uzlabojot masas pārnesi, tādējādi ekstrakcija ir efektīvāka nekā parastās metodes. Pētījumā ekstrakcija tika veiksmīgi optimizēta pie 0,43 cieto/šķidro vielu attiecības, 48,25 % amplitūdas un 29,89 minūtēm, un ar ultraskaņu asistēta fermentatīvā hidrolīze arī veicināja hidrolizātu veidošanos ar spēcīgu bioaktivitāti, tostarp augstu AKE inhibitoru aktivitāti un antioksidantu potenciālu. Autori secina, ka ultraskaņa ir efektīvs paņēmiens ne tikai olbaltumvielu ekstrakcijai, bet arī fermentatīvās hidrolīzes paātrināšanai, kas palīdz pārvērst rīsu klijas augstākas vērtības bioaktīvās olbaltumvielu sastāvdaļās.
(sk. Hayta et al., 2020)

Ieguvumi pārtikas un uztura bagātinātāju ražotājiem

• Labāka produktu kvalitāte
  Sonikācija var uzlabot šķidro olbaltumvielu produktu gludāku tekstūru un garšas sajūtu, uzlabot suspensiju un premiksu homogenitāti, samazināt redzamu sedimentāciju olbaltumvielu dzērienos un nodrošināt stabilāku funkcionālo veiktspēju dažādās partijās.
• Efektīvāka apstrāde
  Ultraskaņa var intensificēt apstrādi, paātrinot dispersiju un hidratāciju, kā arī nodrošinot nepārtrauktu inline apstrādi. Pētījumā par auzu olbaltumvielām norādīts, ka plūsmas šūnas konstrukcija ļauj sasniegt lielāku blīvumu, neraugoties uz lielu masas caurlaidību, un tādējādi var nodrošināt augstāku efektivitāti un lielāku rūpniecisko nozīmību nekā parastā sērijveida konstrukcija.
• Lielāka formulēšanas elastība
  Sonikācija ir noderīga sarežģītiem augu izcelsmes proteīnu preparātiem, dzērieniem ar augstu proteīnu saturu, uztura bagātinātāju bāzēm un procesiem pirms homogenizācijas, hidrolīzes vai žāvēšanas. Dokumentā norādīts, ka tas attiecas uz augu izcelsmes dzērieniem, suspensijām un turpmākajiem hidrolīzes posmiem.
• Labāks mēroga palielināšanas potenciāls
  Definēti sonikācijas parametri, piemēram, amplitūda, intensitāte, enerģijas blīvums, uzturēšanās laiks un pretspiediens, palīdz pārnest procesu no laboratorijas uz izmēģinājuma un rūpniecisko ražošanu. Uz augšupielādētajā pētījumā īpaši uzsvērti šie parametri, lai izstrādātu mērogojamu nepārtrauktu apstrādi.

Kāpēc Hielscher sonikatoru izmantošana sniedz priekšrocības

Hielscher sonikatori ir pievilcīgi proteīnu apstrādei, jo tie nodrošina kontrolētu un reproducējamu ultraskaņas apstrādi. Ražotājiem patiesā priekšrocība ir ne tikai kavitācijas radīšana, bet arī tās radīšana noteiktos un mērogojamos apstākļos.

• Kontrolēti sonikācijas parametri
  Pētījumā izmantotās Hielscher sistēmas ļāva pētniekiem strādāt ar noteiktām amplitūdām, intensitāti un enerģijas blīvumu gan sērijveida, gan plūsmas šūnu režīmā. Tas atbalsta sistemātisku procesa izstrādi un palielināšanu.
• Partijas un plūsmas šūnu iespējas
  Ražotāji var novērtēt sonikāciju partijās un pēc tam pāriet uz nepārtrauktu inline apstrādi. Augšupielādētajā dokumentā parādīts, ka nepārtrauktā plūsmas šūnu sonikācija var pārspēt sērijveida apstrādi suspensijas stabilitātes un rūpnieciskās nozīmes ziņā.
• Rūpnieciskai caurlaidspējai paredzēta procesa projektēšana
  Pētījums liecina, ka pretspiediens, uzturēšanās laiks un masas plūsma ir svarīgi mainīgie lielumi nepārtrauktas sonikācijas procesā. Tas ir svarīgi ražotājiem, jo padara ultraskaņu apstrādi par reālu procesu inženierijas rīku, nevis tikai par laboratorijas metodi.
• Atbalsts sarežģītām olbaltumvielu sistēmām
  Dokumentā uzsvērts, ka augu izcelsmes suspensijām ir ļoti svarīgi pielāgot produktu īpašības, piemēram, daļiņu izmēru, suspensijas stabilitāti, šķīdību un viskozitāti. Tajā arī norādīts, ka sonikatoriem ir nepieciešama maza platība, tie var apstrādāt augstas cietvielu koncentrācijas un piedāvā unikālu fizikālo un ķīmisko efektu kombināciju.

 
Tipiski lietojumi
Olbaltumvielu apstrāde ar ultraskaņu ir svarīga

• augu olbaltumvielu dzērieni uz auzu, zirņu, sojas, rīsu, faba pupiņu vai maisījumu bāzes;
• ar olbaltumvielām bagātināti piena un bezpiena dzērieni;
• uztura bagātinātāju suspensijas un šķidrās injekcijas;
• olbaltumvielu dispersijas pirms homogenizācijas vai emulģēšanas;
• un premiksi izsmidzināšanas žāvēšanai vai turpmākai funkcionalizācijai.

Ultraskaņa kā mērogojama proteīnu apstrādes tehnoloģija

Sonikācija palīdz pārtikas produktu un uztura bagātinātāju ražotājiem uzlabot proteīnu funkcionalitāti, ja parastā sajaukšana bieži vien sasniedz savas robežas. Pastiprinot dispersiju, samazinot daļiņu izmēru, palielinot izšķīdušo olbaltumvielu frakcijas un stabilizējot suspensijas, ultraskaņa var sniegt izmērāmus ieguvumus produktu kvalitātes un procesa efektivitātes ziņā. Augšupielādētais pētījums apstiprina šo nostāju attiecībā uz auzu olbaltumvielu koncentrātiem un norāda, ka nepārtrauktas plūsmas šūnu sonikācija ir īpaši daudzsološa rūpnieciskai apstrādei.
Hielscher sonikatori nodrošina praktisku pāreju no laboratorijas realizācijas līdz rūpnieciskai ieviešanai. To izmantošana publicētajos olbaltumvielu apstrādes darbos, tostarp augšupielādētajā auzu olbaltumvielu pētījumā, parāda, kā apstrādi ar ultraskaņu var attīstīt par kontrolētu un mērogojamu ražošanas posmu pārtikas un uztura bagātinātāju ražotājiem.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces