Procesarea cu ultrasunete a proteinelor pentru alimente și suplimente nutritive

Sonicarea este o tehnologie de proces puternică pentru îmbunătățirea funcționalității, dispersabilității, solubilității și stabilității proteinelor utilizate în alimente și suplimente nutritive. De la proteine vegetale precum cele din ovăz, mazăre, soia, cânepă și orez, până la proteine lactate și formulări mixte, ultrasunetele de mare intensitate îi ajută pe producători să optimizeze sistemele proteice pentru un comportament mai bun la procesare și performanțe îmbunătățite ale produsului.

În procesarea proteinelor, ultrasunetele sunt mai mult decât un ajutor la amestecare. Sonicarea controlată corespunzător poate reduce dimensiunea particulelor, îmbunătăți hidratarea și dispersia, crește fracția de proteine dizolvate și îmbunătăți stabilitatea suspensiilor. Aceste efecte sunt deosebit de relevante pentru băuturile gata de consum, concentratele proteice, alimentele fortificate și formulările de suplimente sub formă de pulbere. Într-un studiu publicat în 2025 (Höhme-Matthes et al.) care a investigat procesarea cu ultrasunete a proteinelor din ovăz, ultrasonicarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat proteic din ovăz și a redus instabilitatea suspensiei pe măsură ce densitatea energetică a crescut.

De ce contează procesarea cu ultrasunete a proteinelor

Producătorii de alimente și suplimente se confruntă frecvent cu provocări precum umectarea slabă, hidratarea incompletă, sedimentarea, vâscozitatea ridicată, suspensiile instabile și funcționalitatea inconsecventă. Aceste probleme devin și mai importante în formulările bogate în proteine, pe bază de plante și de tip clean-label.
Ultrasunetele de mare intensitate și joasă frecvență generează cavitație acustică în lichide. Implozia bulelor microscopice creează forțe de forfecare localizate, turbulență și micro-amestecare. În sistemele proteice, aceste efecte pot sparge aglomeratele, reduce dimensiunea particulelor, îmbunătăți transferul de masă și modifica organizarea fizică a suspensiilor bogate în proteine. Rezultatul este un sistem proteic mai ușor de procesat și care are adesea performanțe mai bune în produsul finit.

Cum îmbunătățește sonicarea procesarea proteinelor în industria alimentară

• Dispersie și hidratare îmbunătățite
  Pulberile proteice se hidratează adesea neuniform și formează aglomerate. Sonicarea ajută la dezaglomerarea particulelor și favorizează o umectare mai uniformă, ceea ce poate scurta timpii de hidratare și poate îmbunătăți manipularea în etapele ulterioare.
• Reducerea dimensiunii particulelor
  Dimensiunea redusă a particulelor este frecvent asociată cu o senzație mai fină în gură, un comportament îmbunătățit al suspensiei și un acces mai bun al apei la suprafețele proteinelor. Lucrarea despre proteina din ovăz concluzionează în mod specific că ultrasunetele sunt utile pentru procesarea la scară industrială a proteinelor vegetale în ceea ce privește reducerea dimensiunii particulelor.
• Solubilitate mai mare a proteinelor
  Sonicarea poate crește fracția dizolvată a proteinelor și poate îmbunătăți solubilitatea aparentă în sistemele dificile. În studiul privind proteina din ovăz, autorii raportează că ultrasonicarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat proteic din ovăz, solubilitatea fiind deja de aproximativ trei ori mai mare la o densitate energetică de 200 J/mL.
• Stabilitate îmbunătățită a suspensiei
  Prin îmbunătățirea dispersiei și reducerea fracțiilor de particule nedizolvate, ultrasunetele ajută la reducerea sedimentării și a separării fazelor. Lucrarea încărcată raportează că ultrasonicarea a redus instabilitatea suspensiilor de concentrat proteic din ovăz și că tratamentul continuu în celulă de flux a îmbunătățit puternic stabilitatea suspensiei la aceeași densitate energetică.

Exemplu: procesarea proteinei din ovăz cu sonicatoare Hielscher

Un studiu din 2025 privind procesarea concentratului proteic din ovăz a caracterizat atât ultrasonicarea în șarjă, cât și pe cea în celulă de flux, folosind echipamente Hielscher. Cercetătorii au utilizat în experimentele lor un Hielscher UIP1500hdT și un Hielscher UP200St. Aceștia au constatat că ultrasonicarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat proteic din ovăz, reducând totodată instabilitatea suspensiei odată cu creșterea densității energetice. De asemenea, au constatat că sonicarea în celulă de flux a permis o capacitate de procesare mai mare și a oferit relevanță industrială în comparație cu designul obișnuit în șarjă.
Studiul concluzionează, de asemenea, că ultrasunetele sunt un instrument util în aplicațiile de proces la scară industrială pentru concentratele de proteine vegetale. Acesta evidențiază reducerea îmbunătățită a dimensiunii particulelor, o stabilitate mai bună a suspensiei și importanța sonicării continue în configurații cu celulă de flux pentru eficiența procesului și extinderea la scară.

Exemplu: funcționalitatea proteinei din mazăre îmbunătățită prin sonicare

Procesarea cu ultrasunete oferă mai multe beneficii clare pentru sistemele pe bază de proteină din mazăre: îmbunătățește dispersabilitatea și solubilitatea prin descompunerea agregatelor și reducerea dimensiunii particulelor, ceea ce poate consolida performanța funcțională în alimente fără a afecta digestibilitatea sau bioaccesibilitatea proteinelor. În formulările care conțin fibre, ultrasunetele pot, de asemenea, să favorizeze formarea unor rețele utile proteină–fibre și, în funcție de tipul de fibre, să crească vâscozitatea și capacitatea de structurare a texturii. În alternativele fermentate la iaurt pe bază de proteină din mazăre, ultrasunetele au îmbunătățit în plus calitatea produsului prin reducerea compușilor-cheie responsabili de gusturi nedorite, precum hexanalul și 2-pentylfuran, crescând totodată compușii de aromă dezirabili, asemănători iaurtului, precum diacetilul și acetoina, ceea ce le face un instrument clean-label promițător atât pentru funcționalitate, cât și pentru îmbunătățirea senzorială.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Imagini FE-SEM (măriri de 400x și 2000x, bară de scală: 10 µm) ale probelor netratate (UT) și
tratate cu ultrasunete (T) de proteină din mazăre (PP).
Studiu și imagine: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Exemplu: avantajele proteinei din cânepă tratate cu ultrasunete

Extracția cu ultrasunete a proteinei din cânepă oferă mai multe beneficii notabile, în special pentru valorificarea deșeurilor de semințe de cânepă degresate în ingrediente cu valoare mai mare. În studiul încărcat, extracția asistată de ultrasunete a îmbunătățit recuperarea totală și puritatea proteinelor în comparație cu extracția convențională, cel mai bun proces combinat atingând o recuperare a proteinelor de aproximativ 62% și o puritate de aproximativ 76% atunci când a fost asociat cu un pretratament HPP. De asemenea, a îmbunătățit extracția aminoacizilor în toate izolatele, sugerând un randament nutrițional mai bun, evitând în același timp deteriorări vizibile majore ale profilurilor benzilor proteice pe SDS-PAGE. În ansamblu, rezultatele susțin ultrasunetele ca o abordare de extracție mai ecologică și mai eficientă, care poate reduce intensitatea procesării și poate ajuta la transformarea subproduselor din cânepă în ingrediente proteice utile pentru alimente și nutraceutice.
(cf. Cabral et al. 2023)

Exemplu: extracția cu ultrasunete a hidrolizatului proteic din tărâțe de orez

Extracția cu ultrasunete a hidrolizatului proteic din orez oferă avantaje funcționale clare, deoarece ultrasunetele îmbunătățesc eliberarea proteinelor din tărâțele de orez prin dezintegrarea structurilor celulare și intensificarea transferului de masă, făcând extracția mai eficientă decât abordările convenționale. În studiu, extracția a fost optimizată cu succes la un raport solid/lichid de 0,43, o amplitudine de 48,25% și 29,89 minute, iar hidroliza enzimatică asistată de ultrasunete a susținut, de asemenea, generarea de hidrolizate cu bioactivitate puternică, inclusiv activitate inhibitoare ACE ridicată și potențial antioxidant. Autorii concluzionează că ultrasunetele sunt o tehnică eficientă nu doar pentru extracția proteinelor, ci și pentru accelerarea hidrolizei enzimatice, contribuind la transformarea tărâțelor de orez în ingrediente proteice bioactive cu valoare mai mare.
(cf. Hayta et al., 2020)

Beneficii pentru producătorii de alimente și suplimente

• Calitate mai bună a produsului
  Sonicarea poate contribui la o textură și o senzație în gură mai fine în produsele proteice lichide, la o omogenitate îmbunătățită a suspensiilor și premixurilor, la o sedimentare mai puțin vizibilă în băuturile proteice și la o performanță funcțională mai constantă de la un lot la altul.
• Procesare mai eficientă
  Ultrasunetele pot intensifica procesarea prin accelerarea dispersiei și hidratării și prin posibilitatea tratamentului continuu în linie. Studiul privind proteina din ovăz raportează că designul cu celulă de flux permite densități mai mari în ciuda unei capacități mari de procesare masică și poate, prin urmare, susține o eficiență mai mare și o relevanță industrială mai mare decât un design obișnuit în șarjă.
• Flexibilitate mai mare în formulare
  Sonicarea este utilă pentru formulările dificile pe bază de proteine vegetale, băuturile RTD bogate în proteine, bazele pentru suplimente și procesele din amonte de omogenizare, hidroliză sau uscare. Lucrarea menționează relevanța pentru băuturile pe bază de plante, suspensiile dense și etapele ulterioare de hidroliză.
• Potențial mai bun de extindere la scară
  Parametrii de sonicare definiți, precum amplitudinea, intensitatea, densitatea energetică, timpul de rezidență și contrapresiunea, susțin transferul procesului de la lucrările de laborator la producția pilot și industrială. Studiul încărcat pune un accent deosebit pe acești parametri pentru proiectarea unei procesări continue scalabile.

De ce aduce beneficii utilizarea sonicatoarelor Hielscher

Sonicatoarele Hielscher sunt atractive pentru procesarea proteinelor deoarece permit un tratament cu ultrasunete controlat și reproductibil. Pentru producători, adevăratul avantaj nu constă doar în generarea cavitației, ci în generarea acesteia în condiții definite și scalabile.

• Parametri de sonicare controlați
  Sistemele Hielscher utilizate în studiu le-au permis cercetătorilor să lucreze cu amplitudini, intensități și densități energetice definite, atât în modul în șarjă, cât și în modul cu celulă de flux. Acest lucru susține dezvoltarea sistematică a proceselor și extinderea la scară.
• Capacitate de lucru în șarjă și în celulă de flux
  Producătorii pot evalua sonicarea în șarjă și apoi pot trece la procesarea continuă în linie. Lucrarea încărcată arată că sonicarea continuă în celulă de flux poate depăși tratamentul în șarjă în ceea ce privește stabilitatea suspensiei și relevanța industrială.
• Proiectarea procesului pentru capacitate de procesare industrială
  Studiul arată că contrapresiunea, timpul de rezidență și debitul masic sunt variabile importante în sonicarea continuă. Acest lucru contează pentru producători, deoarece face din tratamentul cu ultrasunete un adevărat instrument de inginerie a proceselor, nu doar o tehnică de laborator.
• Suport pentru sistemele proteice dificile
  Lucrarea subliniază că adaptarea proprietăților produsului, precum dimensiunea particulelor, stabilitatea suspensiei, solubilitatea și vâscozitatea, are o importanță majoră pentru suspensiile pe bază de plante. De asemenea, menționează că sonicatoarele necesită un spațiu redus, pot procesa concentrații mari de solide și oferă o combinație unică de efecte fizice și chimice.

 
Aplicații tipice
Procesarea cu ultrasunete a proteinelor este relevantă pentru

• băuturi cu proteine vegetale pe bază de ovăz, mazăre, soia, orez, bob sau amestecuri;
• băuturi lactate și nelactate fortificate cu proteine;
• suspensii de suplimente nutritive și shot-uri lichide;
• dispersii proteice înainte de omogenizare sau emulsionare;
• și premixuri pentru uscare prin pulverizare sau funcționalizare ulterioară.

Ultrasunetele ca tehnologie scalabilă de procesare a proteinelor

Sonicarea îi ajută pe producătorii de alimente și suplimente să îmbunătățească funcționalitatea proteinelor acolo unde amestecarea convențională singură își atinge adesea limitele. Prin intensificarea dispersiei, reducerea dimensiunii particulelor, creșterea fracțiilor de proteine dizolvate și stabilizarea suspensiilor, ultrasunetele pot aduce beneficii măsurabile în ceea ce privește calitatea produsului și eficiența procesului. Studiul încărcat susține această poziție pentru concentratele proteice din ovăz și indică faptul că sonicarea continuă în celulă de flux este deosebit de promițătoare pentru procesarea industrială.
Sonicatoarele Hielscher oferă o cale practică de la fezabilitatea în laborator la implementarea industrială. Utilizarea lor în lucrări publicate privind procesarea proteinelor, inclusiv în studiul încărcat despre proteina din ovăz, arată cum tratamentul cu ultrasunete poate fi dezvoltat într-o etapă de producție controlată și scalabilă pentru producătorii de alimente și suplimente nutritive.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe

• 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.