Prelucrarea proteinelor cu ultrasunete pentru alimente și suplimente nutritive

Sonicare este o tehnologie de proces puternic pentru îmbunătățirea funcționalității, dispersibilitatea, solubilitatea și stabilitatea proteinelor utilizate în alimente și suplimente nutritive. De la proteine vegetale, cum ar fi ovăzul, mazărea, soia, cânepa și orezul, la proteine lactate și formulări amestecate, ultrasunetele de înaltă intensitate ajută producătorii să optimizeze sistemele proteice pentru un comportament mai bun de procesare și o performanță îmbunătățită a produsului.

În prelucrarea proteinelor, ultrasunetele sunt mai mult decât un ajutor de amestecare. Sonicarea controlată corespunzător poate reduce dimensiunea particulelor, poate îmbunătăți hidratarea și dispersia, poate crește fracțiunea de proteine dizolvate și poate îmbunătăți stabilitatea suspensiei. Aceste efecte sunt deosebit de relevante pentru băuturile gata de băut, concentratele de proteine, alimentele îmbogățite și formulările de suplimente sub formă de pudră. În cadrul unui studiu publicat în 2025 (Höhme-Matthes et al.) care a investigat prelucrarea proteinelor de ovăz cu ultrasunete, ultrasonizarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat de proteine de ovăz și a redus instabilitatea suspensiei pe măsură ce densitatea energetică a crescut.

De ce este importantă prelucrarea cu ultrasunete a proteinelor

Producătorii de alimente și suplimente se confruntă frecvent cu probleme precum umezirea slabă, hidratarea incompletă, sedimentarea, vâscozitatea ridicată, suspensiile instabile și funcționalitatea inconsistentă. Aceste probleme devin și mai importante în cazul formulărilor bogate în proteine, pe bază de plante și cu etichetă curată.
Ultrasunetele de înaltă intensitate și joasă frecvență generează cavitație acustică în lichide. Implozia bulelor microscopice creează forțe de forfecare localizate, turbulență și microamestec. În sistemele proteice, aceste efecte pot sparge aglomerările, reduce dimensiunea particulelor, îmbunătăți transferul de masă și modifica organizarea fizică a suspensiilor bogate în proteine. Rezultatul este un sistem proteic care este mai ușor de prelucrat și, adesea, mai performant în produsul finit.

Cum îmbunătățește sonicarea procesarea proteinelor în industria alimentară

• Dispersie și hidratare îmbunătățite
  Pulberile proteice se hidratează adesea neuniform și formează aglomerări. Sonicarea ajută la deaglomerarea particulelor și promovează o umectare mai uniformă, ceea ce poate scurta timpii de hidratare și poate îmbunătăți manipularea în aval.
• reducerea dimensiunii particulelor
  Dimensiunea redusă a particulelor este frecvent asociată cu un gust mai fin, un comportament îmbunătățit al suspensiei și un acces mai bun al apei la suprafețele proteinelor. Documentul privind proteinele din ovăz concluzionează în mod specific că ultrasunetele sunt utile pentru prelucrarea la scară industrială a proteinelor vegetale în ceea ce privește reducerea dimensiunii particulelor.
• Solubilitate mai mare a proteinelor
  Sonicarea poate crește fracțiunea dizolvată a proteinelor și poate îmbunătăți solubilitatea aparentă în sisteme dificile. În studiul privind proteinele din ovăz, autorii raportează că ultrasonizarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat de proteine din ovăz, solubilitatea fiind deja de aproximativ trei ori mai mare la o densitate de energie de 200 J/mL.
• Stabilitate îmbunătățită a suspensiei
  Prin îmbunătățirea dispersiei și reducerea fracțiunilor de particule nedizolvate, ultrasunetele ajută la reducerea sedimentării și a separării fazelor. Lucrarea încărcată raportează că ultrasonizarea a redus instabilitatea suspensiilor de concentrat proteic de ovăz și că tratamentul continuu cu celule de flux a îmbunătățit puternic stabilitatea suspensiei la aceeași densitate de energie.

Exemplu: Prelucrarea proteinelor de ovăz cu Sonicatoarele Hielscher

Un studiu 2025 privind prelucrarea concentratului proteic de ovăz a caracterizat atât ultrasonicația discontinuă, cât și ultrasonicația cu celule de flux utilizând echipamente Hielscher. Cercetătorii au folosit un Hielscher UIP1500hdT și un Hielscher UP200St în experimentele lor. Ei au constatat că ultrasonizarea a crescut cantitatea dizolvată de concentrat proteic de ovăz, reducând în același timp instabilitatea suspensiei cu creșterea densității de energie. Ei au constatat, de asemenea, că sonicarea cu celule de flux a permis un randament mai mare și a oferit relevanță industrială în comparație cu designul comun al loturilor.
Studiul concluzionează în continuare că ultrasunetele sunt un instrument util în aplicațiile de proces la scară industrială pentru concentratele de proteine vegetale. Acesta evidențiază o reducere îmbunătățită a dimensiunii particulelor, o mai bună stabilitate a suspensiei și importanța sonicării continue în configurațiile cu celule de flux pentru eficiența și extinderea procesului.

Exemplu: Sonicare - funcționalitate îmbunătățită a proteinei de mazăre

Prelucrarea cu ultrasunete oferă mai multe beneficii clare pentru sistemele de proteine de mazăre: îmbunătățește dispersabilitatea și solubilitatea prin descompunerea agregatelor și reducerea dimensiunii particulelor, ceea ce poate consolida performanța funcțională în alimente fără a afecta digestibilitatea proteinelor sau bioaccesibilitatea. În formulările care conțin fibre, ultrasunetele pot promova, de asemenea, formarea unei rețele utile de proteine-fibre și, în funcție de tipul de fibre, pot crește vâscozitatea și capacitatea de formare a texturii. În alternativele de iaurt fermentat cu proteine de mazăre, ultrasunetele au îmbunătățit și mai mult calitatea produsului prin reducerea compușilor cheie care nu au aromă, cum ar fi hexanal și 2-pentylfuran, crescând în același timp compușii aromatici dezirabili asemănători iaurtului, cum ar fi diacetilul și acetoina, făcându-l un instrument promițător de etichetare curată atât pentru funcționalitate, cât și pentru îmbunătățirea senzorială.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

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

Exemplu: Avantajele proteinei de cânepă tratată cu ultrasunete

Extracția proteinelor de cânepă cu ultrasunete 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 și puritatea generală a proteinelor în comparație cu extracția convențională, cel mai bun proces combinat atingând aproximativ 62% recuperare de proteine și aproximativ 76% puritate atunci când este asociat cu un pretratament HPP. De asemenea, a îmbunătățit extracția aminoacizilor în toate izolatele, sugerând un randament nutrițional mai bun, evitând în același timp deteriorarea vizibilă majoră a modelelor benzilor proteice pe SDS-PAGE. În general, constatările susțin ultrasunetele ca o abordare de extracție mai ecologică și mai eficientă care poate reduce intensitatea prelucrării și poate contribui la transformarea subproduselor de cânepă în ingrediente proteice alimentare și nutraceutice utile.
(cf. Cabral et al. 2023)

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

Extracția ultrasonică a hidrolizatului de proteine din orez oferă avantaje funcționale clare, deoarece ultrasunetele îmbunătățesc eliberarea proteinelor din tărâțele de orez prin perturbarea structurilor celulare și îmbunătățirea 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, amplitudine 48.25% și minute 29.89, iar hidroliza enzimatică asistată de ultrasunete a susținut, de asemenea, generarea de hidrolizate cu bioactivitate puternică, inclusiv o activitate ridicată de inhibare a ACE și potențial antioxidant. Autorii concluzionează că ultrasunetele sunt o tehnică eficientă nu numai pentru extracția proteinelor, ci și pentru accelerarea hidrolizei enzimatice, ajutând 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 produselor
  Sonicarea poate favoriza o textură mai fină și o senzație mai plăcută în gura produselor proteice lichide, o omogenitate îmbunătățită în suspensii și preamestecuri, o sedimentare mai puțin vizibilă în băuturile proteice și o performanță funcțională mai consistentă între loturi.
• Procesare mai eficientă
  Ultrasunetele pot intensifica prelucrarea prin accelerarea dispersiei și a hidratării și prin permiterea tratamentului continuu în linie. Studiul privind proteinele din ovăz indică faptul că designul cu celule de flux permite densități mai mari, în ciuda unei producții de masă ridicate și, prin urmare, poate susține o eficiență mai mare și o relevanță industrială mai mare decât un design discontinuu obișnuit.
• Flexibilitate mai mare a formulării
  Sonicarea este utilă pentru formulări dificile de proteine vegetale, băuturi RTD bogate în proteine, baze de suplimente și procese în amonte de omogenizare, hidroliză sau uscare. Lucrarea remarcă relevanța pentru băuturile pe bază de plante, suspensiile și etapele ulterioare de hidroliză.
• Potențial mai bun de extindere
  Parametrii de sonicare definiți, cum ar fi amplitudinea, intensitatea, densitatea de energie, timpul de rezidență și contrapresiunea sprijină transferul procesului de la lucrările de laborator la producția pilot și industrială. Studiul încărcat pune un accent deosebit pe acești parametri pentru proiectarea procesării continue scalabile.

De ce utilizarea Sonicatoarelor Hielscher aduce beneficii

Sonicatoarele Hielscher sunt atractive pentru prelucrarea proteinelor deoarece permit un tratament cu ultrasunete controlat și reproductibil. Pentru producători, avantajul real nu constă doar în generarea cavității, ci și în generarea acesteia în condiții definite și scalabile.

• Parametrii de sonicare controlați
  Sistemele Hielscher utilizate în cadrul studiului au permis cercetătorilor să lucreze cu amplitudini, intensități și densități de energie definite atât în modul discontinuu, cât și în celula de flux. Acest lucru sprijină dezvoltarea și extinderea sistematică a proceselor.
• Capacitate de lot și celulă de flux
  Producătorii pot evalua sonicarea în lot și apoi pot trece la procesarea continuă în linie. Lucrarea încărcată arată că sonicarea continuă flux-celulă poate depăși tratamentul discontinuu în ceea ce privește stabilitatea suspensiei și relevanța industrială.
• Proiectarea proceselor pentru randament industrial
  Studiul arată că contrapresiunea, timpul de rezidență și debitul masic sunt variabile importante în sonicarea continuă. Acest lucru este important pentru producători, deoarece face din tratamentul cu ultrasunete un instrument real de inginerie a proceselor, mai degrabă decât doar o tehnică de laborator.
• Sprijin pentru sistemele proteice dificile
  Documentul subliniază faptul că adaptarea proprietăților produsului, cum ar fi dimensiunea particulelor, stabilitatea suspensiei, solubilitatea și vâscozitatea, este de o importanță majoră pentru suspensiile pe bază de plante. De asemenea, se remarcă faptul că sonicatoarele au nevoie de o amprentă redusă, pot gestiona concentrații solide ridicate și oferă o combinație unică de efecte fizice și chimice.

 
Aplicații tipice
Prelucrarea proteinelor cu ultrasunete este relevantă pentru

• băuturi proteice vegetale pe bază de ovăz, mazăre, soia, orez, fasole faba sau amestecuri;
• băuturi lactate și non-lactee îmbogățite cu proteine;
• suspensii de suplimente nutritive și injecții lichide;
• dispersii proteice înainte de omogenizare sau emulsificare;
• și premixuri pentru uscare prin pulverizare sau funcționalizare ulterioară.

Ultrasunetele ca tehnologie scalabilă de procesare a proteinelor

Sonicare ajută producătorii de alimente și suplimente să îmbunătățească funcționalitatea proteinelor acolo unde amestecul convențional își atinge adesea limitele. Prin intensificarea dispersiei, reducerea dimensiunii particulelor, creșterea fracțiunilor de proteine dizolvate și stabilizarea suspensiilor, ultrasunetele pot oferi beneficii măsurabile în ceea ce privește calitatea produselor și eficiența proceselor. Studiul încărcat susține această poziție pentru concentratele de proteine din ovăz și indică faptul că sonicarea continuă a celulelor cu flux este deosebit de promițătoare pentru prelucrarea industrială.
Sonicatoarele Hielscher oferă o cale practică de la fezabilitatea în laborator la implementarea industrială. Utilizarea lor în lucrările publicate privind prelucrarea proteinelor, inclusiv studiul încărcat privind proteinele din ovăz, arată cum tratamentul cu ultrasunete poate fi transformat într-o etapă de producție controlată și scalabilă pentru producătorii de alimente și suplimente nutritive.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe