Ультразвуковая обработка белков для производства продуктов питания и пищевых добавок

Ультразвуковое воздействие - это мощная технология для улучшения функциональности, дисперсности, растворимости и стабильности белков, используемых в продуктах питания и пищевых добавках. От растительных белков, таких как овес, горох, соя, конопля и рис, до молочных белков и смешанных составов - ультразвук высокой интенсивности помогает производителям оптимизировать белковые системы для лучшей обработки и улучшения характеристик продукта.

При переработке белков ультразвук - это не просто вспомогательное средство для перемешивания. Правильно контролируемое ультразвуковое воздействие может уменьшить размер частиц, улучшить гидратацию и дисперсию, увеличить долю растворенного белка и повысить стабильность суспензии. Эти эффекты особенно актуальны для готовых к употреблению напитков, белковых концентратов, обогащенных продуктов питания и порошковых добавок. В опубликованном в 2025 году исследовании (Höhme-Matthes et al.), посвященном ультразвуковой обработке овсяного белка, ультразвук увеличил количество растворенного концентрата овсяного белка и снизил нестабильность суспензии по мере увеличения плотности энергии.

Почему важна ультразвуковая обработка белков

Производители пищевых продуктов и добавок часто сталкиваются с такими проблемами, как плохое смачивание, неполная гидратация, седиментация, высокая вязкость, нестабильные суспензии и нестабильная функциональность. Эти проблемы становятся еще более важными при производстве высокобелковых продуктов, растительных добавок и продуктов с чистой этикеткой.
Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук генерирует акустическую кавитацию в жидкостях. Взрыв микроскопических пузырьков создает локальные сдвиговые силы, турбулентность и микроперемешивание. В белковых системах эти эффекты могут разрушать агломераты, уменьшать размер частиц, улучшать массоперенос и изменять физическую организацию богатых белками суспензий. В результате белковая система легче поддается обработке и зачастую лучше работает в готовом продукте.

Как соникация улучшает обработку белков в пищевой промышленности

• Улучшенная дисперсия и гидратация
  Белковые порошки часто гидратируются неравномерно и образуют агломераты. Сонизация помогает деагломерировать частицы и способствует более равномерному смачиванию, что позволяет сократить время гидратации и улучшить последующую обработку.
• уменьшение размера частиц
  Уменьшение размера частиц часто ассоциируется с более гладким вкусом, улучшенной суспензией и лучшим доступом воды к поверхности белка. В статье, посвященной овсяному белку, делается вывод, что ультразвук полезен при переработке растительного белка в промышленных масштабах с точки зрения уменьшения размера частиц.
• Повышенная растворимость белков
  Ультразвуковое воздействие может увеличить растворенную долю белков и улучшить видимую растворимость в сложных системах. В исследовании, посвященном овсяному белку, авторы сообщают, что ультразвук увеличил количество растворенного концентрата овсяного белка, причем растворимость была примерно в три раза выше при плотности энергии 200 Дж/мл.
• Повышенная устойчивость подвески
  Улучшая дисперсию и уменьшая фракции нерастворенных частиц, ультразвук помогает уменьшить седиментацию и разделение фаз. В загруженной статье сообщается, что ультразвук снизил нестабильность суспензии концентрата овсяного белка, а обработка в непрерывном потоке сильно повысила стабильность суспензии при той же плотности энергии.

Пример: Обработка овсяного белка с помощью звуковых аппаратов Hielscher

В исследовании 2025 года, посвященном переработке овсяного белкового концентрата, охарактеризовано ультразвуковое воздействие как в периодическом, так и в проточном режиме с использованием оборудования Hielscher. В своих экспериментах исследователи использовали аппараты Hielscher UIP1500hdT и Hielscher UP200St. Они обнаружили, что ультразвук увеличивает количество растворенного концентрата овсяного белка и снижает нестабильность суспензии при увеличении плотности энергии. Они также обнаружили, что ультразвуковое воздействие в проточной камере обеспечивает более высокую производительность и имеет промышленное значение по сравнению с обычным порционным методом.
В исследовании также делается вывод о том, что ультразвук является полезным инструментом для применения в промышленных процессах для концентратов растительного белка. В нем подчеркивается улучшение уменьшения размера частиц, повышение стабильности суспензии и важность непрерывной обработки ультразвуком в конфигурациях проточных камер для повышения эффективности и масштабирования процесса.

Пример: Повышение функциональности горохового белка с помощью соникации

Ультразвуковая обработка дает несколько очевидных преимуществ для систем горохового белка: она улучшает дисперсность и растворимость за счет разрушения агрегатов и уменьшения размера частиц, что может усилить функциональные характеристики продуктов питания без ущерба для усвояемости или биодоступности белка. В рецептурах, содержащих волокна, ультразвук также может способствовать формированию полезной белково-волокнистой сети и, в зависимости от типа волокна, повышать вязкость и текстурообразующую способность. В ферментированных йогуртах на основе горохового белка ультразвук дополнительно улучшил качество продукта, снизив содержание таких ключевых соединений с неприятным вкусом, как гексанал и 2-пентилфуран, и увеличив содержание таких желательных ароматических соединений, как диацетил и ацетоин, что делает его перспективным инструментом "чистой этикетки" как для улучшения функциональности, так и для улучшения вкусовых ощущений.
(см. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM изображения (увеличения 400x и 2000x, масштабная линейка: 10 мкм) необработанных (UT) и
Обработанные ультразвуком (T) образцы горохового белка (PP).
Исследование и изображение: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Пример: Преимущества протеина конопли, обработанного ультразвуком

Ультразвуковая экстракция конопляного белка обладает рядом заметных преимуществ, особенно для переработки обезжиренных отходов конопляного семени в более ценные ингредиенты. В загруженном исследовании экстракция с помощью ультразвука улучшила общее извлечение и чистоту белка по сравнению с обычной экстракцией, при этом наилучший комбинированный процесс достиг около 62% извлечения белка и около 76% чистоты в паре с предварительной обработкой HPP. Ультразвук также улучшил извлечение аминокислот из всех изолятов, что свидетельствует о более высокой питательной ценности, и при этом не нанес серьезного видимого ущерба структуре белковых полос в SDS-PAGE. В целом, полученные результаты подтверждают, что ультразвук является более экологичным и эффективным методом экстракции, который может сократить интенсивность обработки и помочь превратить побочные продукты конопли в полезные пищевые и нутрицевтические белковые ингредиенты.
(см. Cabral et al. 2023)

Пример: Ультразвуковая экстракция белкового гидролизата из рисовых отрубей

Ультразвуковая экстракция гидролизата рисового белка дает явные функциональные преимущества, поскольку ультразвук улучшает высвобождение белка из рисовых отрубей за счет разрушения клеточных структур и усиления массопереноса, что делает экстракцию более эффективной по сравнению с традиционными подходами. В данном исследовании экстракция была успешно оптимизирована при соотношении твердого тела и жидкости 0,43, амплитуде 48,25% и длительности 29,89 минут, а ферментативный гидролиз с помощью ультразвука способствовал получению гидролизатов с высокой биоактивностью, включая высокую ингибирующую активность АПФ и антиоксидантный потенциал. Авторы делают вывод, что ультразвук является эффективным методом не только для извлечения белка, но и для ускорения ферментативного гидролиза, помогая превратить рисовые отруби в более ценные биоактивные белковые ингредиенты.
(см. Хайта и др., 2020)

Преимущества для производителей пищевых продуктов и добавок

• Лучшее качество продукции
  Сонизация позволяет сделать более гладкой текстуру и вкус жидких белковых продуктов, улучшить однородность суспензий и премиксов, уменьшить видимое отстаивание в белковых напитках и обеспечить более стабильные функциональные характеристики в разных партиях.
• Более эффективная обработка
  Ультразвук может интенсифицировать процесс обработки, ускоряя диспергирование и гидратацию, а также обеспечивая непрерывную поточную обработку. В исследовании, посвященном овсяному белку, сообщается, что конструкция проточной камеры обеспечивает более высокую плотность, несмотря на высокую пропускную способность, и поэтому может поддерживать более высокую эффективность и промышленную значимость, чем обычная конструкция периодического действия.
• Повышенная гибкость рецептуры
  Сонизация полезна для сложных рецептур растительных белков, высокобелковых напитков RTD, добавок и процессов, предшествующих гомогенизации, гидролизу или сушке. В статье отмечается актуальность применения для напитков на растительной основе, суспензий и последующих этапов гидролиза.
• Лучший потенциал для масштабирования
  Определенные параметры соникации, такие как амплитуда, интенсивность, плотность энергии, время пребывания и противодавление, способствуют переходу от лабораторных исследований к пилотному и промышленному производству. В загруженном исследовании особое внимание уделяется этим параметрам для разработки масштабируемой непрерывной обработки.

Почему использование звуковых аппаратов Hielscher приносит пользу

Соникаторы Hielscher привлекательны для обработки белков, поскольку они позволяют проводить контролируемую и воспроизводимую ультразвуковую обработку. Для производителей реальным преимуществом является не просто генерирование кавитации, а генерирование ее в определенных и масштабируемых условиях.

• Контролируемые параметры соникации
  Системы Hielscher, использованные в исследовании, позволили исследователям работать с определенными амплитудами, интенсивностями и плотностями энергии как в пакетном режиме, так и в режиме проточной кюветы. Это способствует систематической разработке и масштабированию процесса.
• Возможность порционной и проточной обработки
  Производители могут оценить соникацию в партиях, а затем перейти к непрерывной поточной обработке. В загруженной статье показано, что непрерывная соникация в проточной камере может превзойти обработку в порционном режиме по стабильности суспензии и промышленной значимости.
• Проектирование процессов для промышленной производительности
  Исследование показывает, что противодавление, время пребывания и массовый расход являются важными переменными при непрерывной обработке ультразвуком. Это важно для производителей, поскольку делает ультразвуковую обработку реальным инструментом для проектирования процессов, а не только лабораторной методикой.
• Поддержка сложных белковых систем
  В статье подчеркивается, что для суспензий на растительной основе очень важны такие свойства продукта, как размер частиц, стабильность суспензии, растворимость и вязкость. Также отмечается, что соникаторы занимают небольшую площадь, могут работать с высокими концентрациями твердых частиц и предлагают уникальное сочетание физических и химических эффектов.

 
Типовые применения
Ультразвуковая обработка белков актуальна для

• растительно-белковые напитки на основе овса, гороха, сои, риса, конских бобов или их смесей;
• молочные и немолочные напитки, обогащенные белком;
• суспензии пищевых добавок и жидкие уколы;
• белковые дисперсии перед гомогенизацией или эмульгированием;
• и премиксы для распылительной сушки или дальнейшей функционализации.

Ультразвук как масштабируемая технология обработки белков

Ультразвуковое воздействие помогает производителям пищевых продуктов и добавок улучшить функциональность белков там, где обычное смешивание часто достигает предела. Усиливая дисперсию, уменьшая размер частиц, увеличивая фракции растворенного белка и стабилизируя суспензии, ультразвук может обеспечить ощутимые преимущества в качестве продукции и эффективности процесса. Загруженное исследование подтверждает эту позицию для белковых концентратов овса и указывает на то, что непрерывное сонирование в проточной камере особенно перспективно для промышленной переработки.
Ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают практический путь от лабораторных исследований до промышленного внедрения. Их использование в опубликованных работах по переработке белков, включая исследование загруженного овсяного белка, показывает, как ультразвуковая обработка может быть превращена в контролируемый и масштабируемый производственный этап для производителей продуктов питания и пищевых добавок.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература