Ultradźwiękowe przetwarzanie białek do żywności i suplementów diety

Sonikacja jest skuteczną technologią procesową służącą do poprawy funkcjonalności, dyspergowalności, rozpuszczalności i stabilności białek stosowanych w żywności i suplementach diety. Od białek roślinnych, takich jak białka owsa, grochu, soi, konopi i ryżu, po białka mleczne i mieszane formulacje – ultradźwięki o wysokiej intensywności pomagają producentom optymalizować układy białkowe, aby poprawić ich zachowanie podczas przetwarzania oraz właściwości użytkowe produktów.

W przetwarzaniu białek ultradźwięki pełnią więcej funkcji niż tylko wspomaganie mieszania. Odpowiednio kontrolowana sonikacja może zmniejszyć wielkość cząstek, poprawić hydratację i dyspersję, zwiększyć udział rozpuszczonego białka oraz poprawić stabilność zawiesiny. Efekty te są szczególnie istotne w przypadku napojów gotowych do spożycia, koncentratów białkowych, żywności wzbogacanej i formulacji suplementów w proszku. W badaniu opublikowanym w 2025 roku (Höhme-Matthes et al.), dotyczącym ultradźwiękowego przetwarzania białka owsa, sonikacja zwiększała rozpuszczoną ilość koncentratu białka owsa i zmniejszała niestabilność zawiesiny wraz ze wzrostem gęstości energii.

Dlaczego ultradźwiękowe przetwarzanie białek jest ważne

Producenci żywności i suplementów często mierzą się z wyzwaniami takimi jak słabe zwilżanie, niepełna hydratacja, sedymentacja, wysoka lepkość, niestabilne zawiesiny i niejednorodne właściwości funkcjonalne. Problemy te nabierają jeszcze większego znaczenia w formulacjach wysokobiałkowych, roślinnych i zgodnych z koncepcją czystej etykiety.
Ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości wywołują kawitację akustyczną w cieczach. Implozja mikroskopijnych pęcherzyków wytwarza lokalne siły ścinające, turbulencje i mikromieszanie. W układach białkowych efekty te mogą rozbijać aglomeraty, zmniejszać wielkość cząstek, poprawiać transport masy i modyfikować fizyczne uporządkowanie zawiesin bogatych w białko. W rezultacie powstaje układ białkowy, który łatwiej poddaje się przetwarzaniu i często wykazuje lepsze właściwości w gotowym produkcie.

Jak sonikacja usprawnia przetwarzanie białek w przemyśle spożywczym

• Lepsza dyspersja i hydratacja
  Proszki białkowe często ulegają nierównomiernej hydratacji i tworzą aglomeraty. Sonikacja wspomaga deaglomerację cząstek i sprzyja bardziej równomiernemu zwilżaniu, co może skrócić czas hydratacji i usprawnić dalsze operacje technologiczne.
• Zmniejszenie wielkości cząstek
  Mniejsza wielkość cząstek często wiąże się z gładszym odczuciem w ustach, lepszym zachowaniem zawiesiny i lepszym dostępem wody do powierzchni białek. W artykule dotyczącym białka owsa wyraźnie stwierdzono, że ultradźwięki są przydatne do przetwarzania białek roślinnych na skalę przemysłową pod względem zmniejszania wielkości cząstek.
• Wyższa rozpuszczalność białek
  Sonikacja może zwiększyć udział rozpuszczonych białek i poprawić rozpuszczalność pozorną w trudnych układach. W badaniu dotyczącym białka owsa autorzy podają, że sonikacja zwiększyła rozpuszczoną ilość koncentratu białka owsa, przy czym już przy gęstości energii 200 J/mL rozpuszczalność była około trzykrotnie wyższa.
• Większa stabilność zawiesiny
  Poprawiając dyspersję i zmniejszając udział nierozpuszczonych cząstek, ultradźwięki pomagają ograniczyć sedymentację i rozdział faz. W udostępnionym artykule podano, że sonikacja zmniejszyła niestabilność zawiesin koncentratu białka owsa oraz że ciągła obróbka w komorze przepływowej znacznie poprawiła stabilność zawiesiny przy tej samej gęstości energii.

Przykład: przetwarzanie białka owsa za pomocą sonikatorów Hielscher

W badaniu z 2025 roku dotyczącym przetwarzania koncentratu białka owsa scharakteryzowano sonikację zarówno w trybie wsadowym, jak i w komorze przepływowej, z wykorzystaniem urządzeń Hielscher. W swoich eksperymentach badacze używali urządzeń Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St. Stwierdzili, że sonikacja zwiększała rozpuszczoną ilość koncentratu białka owsa, jednocześnie zmniejszając niestabilność zawiesiny wraz ze wzrostem gęstości energii. Stwierdzili również, że sonikacja w komorze przepływowej umożliwiała wyższą wydajność przetwarzania i miała większe znaczenie dla zastosowań przemysłowych niż typowy układ wsadowy.
W badaniu stwierdzono ponadto, że ultradźwięki są przydatnym narzędziem w zastosowaniach procesowych na skalę przemysłową dotyczących koncentratów białek roślinnych. Podkreślono skuteczniejsze zmniejszanie wielkości cząstek, lepszą stabilność zawiesiny oraz znaczenie ciągłej sonikacji w układach z komorą przepływową dla wydajności procesu i zwiększania jego skali.

Przykład: poprawa funkcjonalności białka grochu dzięki sonikacji

Przetwarzanie ultradźwiękowe oferuje kilka wyraźnych korzyści dla układów zawierających białko grochu: poprawia dyspergowalność i rozpuszczalność poprzez rozbijanie agregatów i zmniejszanie wielkości cząstek, co może poprawić właściwości funkcjonalne w żywności bez pogarszania strawności ani biodostępności białka na etapie trawienia. W formulacjach zawierających błonnik ultradźwięki mogą również sprzyjać tworzeniu korzystnych sieci białko–błonnik oraz, zależnie od rodzaju błonnika, zwiększać lepkość i zdolność kształtowania tekstury. W fermentowanych zamiennikach jogurtu na bazie białka grochu ultradźwięki dodatkowo poprawiły jakość produktu, zmniejszając zawartość kluczowych związków odpowiedzialnych za niepożądane nuty smakowo-zapachowe, takich jak heksanal i 2-pentylofuran, a jednocześnie zwiększając zawartość pożądanych związków aromatycznych charakterystycznych dla jogurtu, takich jak diacetyl i acetoina. Dzięki temu stanowią obiecujące narzędzie zgodne z koncepcją czystej etykiety, służące poprawie zarówno funkcjonalności, jak i właściwości sensorycznych.
(por. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Obrazy FE-SEM (powiększenia 400x i 2000x, podziałka: 10 µm) próbek białka grochu (PP) niepoddanych obróbce (UT) oraz
poddanych obróbce ultradźwiękowej (T).
Badanie i obraz: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Przykład: zalety białka konopi poddanego obróbce ultradźwiękowej

Ultradźwiękowa ekstrakcja białka konopi oferuje kilka istotnych korzyści, szczególnie przy przetwarzaniu odtłuszczonych odpadów z nasion konopi w składniki o wyższej wartości. W udostępnionym badaniu ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami poprawiła całkowity odzysk i czystość białka w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną, a najlepszy proces łączony osiągnął odzysk białka wynoszący około 62% i czystość około 76% w połączeniu z obróbką wstępną HPP. Zwiększyła również ekstrakcję aminokwasów we wszystkich izolatach, co sugeruje większy uzysk składników odżywczych, bez wyraźnych, widocznych uszkodzeń profili prążków białkowych w SDS-PAGE. Ogólnie wyniki przemawiają za ultradźwiękami jako bardziej przyjazną środowisku i wydajniejszą metodą ekstrakcji, która może zmniejszyć intensywność przetwarzania i pomóc przekształcić produkty uboczne z konopi w przydatne składniki białkowe do żywności i nutraceutyków.
(por. Cabral et al. 2023)

Przykład: ultradźwiękowa ekstrakcja hydrolizatu białkowego z otrąb ryżowych

Ultradźwiękowa ekstrakcja hydrolizatu białka ryżu oferuje wyraźne korzyści funkcjonalne, ponieważ ultradźwięki poprawiają uwalnianie białka z otrąb ryżowych poprzez rozbijanie struktur komórkowych i zwiększanie transportu masy, dzięki czemu ekstrakcja jest wydajniejsza niż metody konwencjonalne. W badaniu z powodzeniem zoptymalizowano ekstrakcję przy stosunku fazy stałej do cieczy wynoszącym 0,43, amplitudzie 48,25% i czasie 29,89 minut, a hydroliza enzymatyczna wspomagana ultradźwiękami sprzyjała również uzyskiwaniu hydrolizatów o wysokiej aktywności biologicznej, w tym wysokiej aktywności hamującej ACE i potencjale przeciwutleniającym. Autorzy stwierdzili, że ultradźwięki są skuteczną techniką nie tylko ekstrakcji białek, lecz także przyspieszania hydrolizy enzymatycznej, pomagając przekształcać otręby ryżowe w bioaktywne składniki białkowe o wyższej wartości.
(por. Hayta et al., 2020)

Korzyści dla producentów żywności i suplementów

• Lepsza jakość produktu
  Sonikacja może sprzyjać gładszej teksturze i gładszemu odczuciu w ustach w przypadku płynnych produktów białkowych, poprawiać jednorodność zawiesin i premiksów, ograniczać widoczną sedymentację w napojach białkowych oraz zapewniać bardziej powtarzalne właściwości funkcjonalne między partiami.
• Wydajniejsze przetwarzanie
  Ultradźwięki mogą intensyfikować przetwarzanie poprzez przyspieszanie dyspersji i hydratacji oraz umożliwienie ciągłej obróbki w linii produkcyjnej. W badaniu dotyczącym białka owsa podano, że konstrukcja komory przepływowej pozwala uzyskać wyższe gęstości pomimo wysokiej masowej wydajności przetwarzania, a zatem może zapewniać wyższą wydajność i większe znaczenie dla zastosowań przemysłowych niż typowy układ wsadowy.
• Większa elastyczność opracowywania formulacji
  Sonikacja jest przydatna w wymagających formulacjach zawierających białka roślinne, wysokobiałkowych napojach RTD, bazach suplementów oraz procesach poprzedzających homogenizację, hydrolizę lub suszenie. W artykule wskazano jej znaczenie dla napojów roślinnych, zawiesin o dużej zawartości części stałych i kolejnych etapów hydrolizy.
• Lepsze możliwości zwiększania skali
  Zdefiniowane parametry sonikacji, takie jak amplituda, intensywność, gęstość energii, czas przebywania i ciśnienie wsteczne, ułatwiają przenoszenie procesu z prac laboratoryjnych do produkcji pilotażowej i przemysłowej. W udostępnionym badaniu szczególny nacisk położono na te parametry przy projektowaniu skalowalnego przetwarzania ciągłego.

Dlaczego stosowanie sonikatorów Hielscher przynosi korzyści

Sonikatory Hielscher są atrakcyjnym rozwiązaniem do przetwarzania białek, ponieważ umożliwiają kontrolowaną i powtarzalną obróbkę ultradźwiękową. Dla producentów rzeczywistą korzyścią jest nie tylko wytwarzanie kawitacji, lecz także wytwarzanie jej w zdefiniowanych warunkach, które można odtworzyć przy zwiększaniu skali.

• Kontrolowane parametry sonikacji
  Systemy Hielscher wykorzystane w badaniu pozwalały badaczom pracować przy zdefiniowanych amplitudach, intensywnościach i gęstościach energii zarówno w trybie wsadowym, jak i w komorze przepływowej. Sprzyja to systematycznemu opracowywaniu procesu i zwiększaniu jego skali.
• Możliwość pracy wsadowej i w komorze przepływowej
  Producenci mogą ocenić sonikację w trybie wsadowym, a następnie przejść do ciągłego przetwarzania w linii produkcyjnej. Udostępniony artykuł pokazuje, że ciągła sonikacja w komorze przepływowej może przewyższać obróbkę wsadową pod względem stabilności zawiesiny i przydatności przemysłowej.
• Projektowanie procesu pod kątem przemysłowej wydajności przetwarzania
  Badanie pokazuje, że ciśnienie wsteczne, czas przebywania i masowe natężenie przepływu są ważnymi zmiennymi w ciągłej sonikacji. Ma to znaczenie dla producentów, ponieważ sprawia, że obróbka ultradźwiękowa staje się rzeczywistym narzędziem inżynierii procesowej, a nie wyłącznie techniką laboratoryjną.
• Wsparcie dla trudnych układów białkowych
  W artykule podkreślono, że dostosowywanie właściwości produktu, takich jak wielkość cząstek, stabilność zawiesiny, rozpuszczalność i lepkość, ma kluczowe znaczenie dla zawiesin na bazie składników roślinnych. Wskazano również, że sonikatory zajmują niewiele miejsca, mogą przetwarzać materiały o wysokim stężeniu substancji stałych i oferują wyjątkowe połączenie efektów fizycznych i chemicznych.

 
Typowe zastosowania
Ultradźwiękowe przetwarzanie białek znajduje zastosowanie w przypadku

• napojów z białkiem roślinnym na bazie owsa, grochu, soi, ryżu, bobu lub ich mieszanek;
• napojów mlecznych i niemlecznych wzbogaconych w białko;
• suplementów diety w postaci zawiesin i płynnych shotów;
• dyspersji białkowych przed homogenizacją lub emulgowaniem;
• oraz premiksów przeznaczonych do suszenia rozpyłowego lub dalszej funkcjonalizacji.

Ultradźwięki jako skalowalna technologia przetwarzania białek

Sonikacja pomaga producentom żywności i suplementów poprawiać funkcjonalność białek tam, gdzie samo konwencjonalne mieszanie często osiąga swoje granice. Intensyfikując dyspersję, zmniejszając wielkość cząstek, zwiększając udział rozpuszczonego białka i stabilizując zawiesiny, ultradźwięki mogą zapewniać mierzalne korzyści pod względem jakości produktu i wydajności procesu. Udostępnione badanie potwierdza to stanowisko w odniesieniu do koncentratów białka owsa i wskazuje, że ciągła sonikacja w komorze przepływowej jest szczególnie obiecująca w przetwarzaniu przemysłowym.
Sonikatory Hielscher zapewniają praktyczną drogę od potwierdzenia wykonalności w laboratorium do wdrożenia przemysłowego. Ich wykorzystanie w opublikowanych pracach dotyczących przetwarzania białek, w tym w udostępnionym badaniu dotyczącym białka owsa, pokazuje, jak obróbkę ultradźwiękową można rozwinąć w kontrolowany i skalowalny etap produkcji dla producentów żywności i suplementów diety.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość z Niemiec

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Solidna konstrukcja i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikacją ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / źródła

• 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.