Ультразвуковая обработка белков для пищевых продуктов и пищевых добавок

Обработка ультразвуком – мощная технологическая методика повышения функциональности, диспергируемости, растворимости и стабильности белков, используемых в пищевых продуктах и пищевых добавках. От растительных белков, таких как овсяный, гороховый, соевый, конопляный и рисовый, до молочных белков и смешанных рецептур – высокоинтенсивный ультразвук помогает производителям оптимизировать белковые системы для улучшения их поведения при обработке и характеристик готового продукта.

При обработке белков ультразвук служит не только средством содействия смешиванию. Надлежащим образом контролируемая обработка ультразвуком может уменьшать размер частиц, улучшать гидратацию и диспергирование, увеличивать долю растворённого белка и повышать стабильность суспензии. Эти эффекты особенно актуальны для готовых к употреблению напитков, белковых концентратов, обогащённых пищевых продуктов и порошковых пищевых добавок. В исследовании, опубликованном в 2025 году (Höhme-Matthes et al.) и посвящённом ультразвуковой обработке овсяного белка, обработка ультразвуком увеличивала растворённое количество концентрата овсяного белка и снижала нестабильность суспензии по мере увеличения плотности энергии.

Почему ультразвуковая обработка белков важна

Производители пищевых продуктов и пищевых добавок часто сталкиваются с такими проблемами, как плохое смачивание, неполная гидратация, оседание, высокая вязкость, нестабильность суспензий и непостоянство функциональных свойств. Эти проблемы приобретают ещё большее значение в высокобелковых и растительных рецептурах, а также в рецептурах с «чистой этикеткой».
Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук создаёт акустическую кавитацию в жидкостях. Схлопывание микроскопических пузырьков создаёт локальные сдвиговые силы, турбулентность и микроперемешивание. В белковых системах эти эффекты могут разрушать агломераты, уменьшать размер частиц, улучшать массоперенос и изменять физическую организацию суспензий с высоким содержанием белка. В результате получается белковая система, которую легче обрабатывать и которая часто лучше проявляет себя в готовом продукте.

Как обработка ультразвуком улучшает переработку белков в пищевой промышленности

• Улучшение диспергирования и гидратации
  Белковые порошки часто гидратируются неравномерно и образуют агломераты. Обработка ультразвуком способствует деагломерации частиц и более равномерному смачиванию, что может сокращать время гидратации и облегчать последующие операции.
• Уменьшение размера частиц
  Уменьшение размера частиц часто связано с более гладким ощущением во рту, улучшением поведения суспензии и лучшим доступом воды к поверхности белков. В статье об овсяном белке особо отмечается, что ультразвук полезен для обработки растительных белков в промышленном масштабе с точки зрения уменьшения размера частиц.
• Повышение растворимости белка
  Обработка ультразвуком может увеличивать растворённую долю белков и улучшать кажущуюся растворимость в сложных системах. В исследовании овсяного белка авторы сообщают, что обработка ультразвуком увеличивала растворённое количество концентрата овсяного белка, причём уже при плотности энергии 200 J/mL растворимость была примерно в три раза выше.
• Повышение стабильности суспензии
  Улучшая диспергирование и уменьшая долю нерастворённых частиц, ультразвук помогает снижать оседание и разделение фаз. В загруженной статье сообщается, что обработка ультразвуком снижала нестабильность суспензий концентрата овсяного белка и что непрерывная обработка в проточной ячейке существенно повышала стабильность суспензии при той же плотности энергии.

Пример: обработка овсяного белка с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher

В исследовании обработки концентрата овсяного белка, проведённом в 2025 году, были охарактеризованы как периодическая обработка ультразвуком, так и обработка в проточной ячейке с использованием оборудования Hielscher. В своих экспериментах исследователи использовали Hielscher UIP1500hdT и Hielscher UP200St. Они установили, что обработка ультразвуком увеличивала растворённое количество концентрата овсяного белка, одновременно снижая нестабильность суспензии по мере увеличения плотности энергии. Они также установили, что обработка ультразвуком в проточной ячейке обеспечивала более высокую производительность и была более применима в промышленности по сравнению с обычной конфигурацией для периодической обработки.
В исследовании также делается вывод, что ультразвук является полезным инструментом для технологической обработки концентратов растительных белков в промышленном масштабе. В нём подчёркиваются более эффективное уменьшение размера частиц, повышение стабильности суспензии и важность непрерывной обработки ультразвуком в конфигурациях с проточной ячейкой для эффективности процесса и масштабирования.

Пример: улучшение функциональных свойств горохового белка с помощью обработки ультразвуком

Ультразвуковая обработка даёт несколько явных преимуществ для систем с гороховым белком: она улучшает диспергируемость и растворимость за счёт разрушения агрегатов и уменьшения размера частиц, что может улучшать функциональные характеристики в пищевых продуктах без ущерба для перевариваемости или биодоступности белка. В рецептурах, содержащих пищевые волокна, ультразвук также может способствовать формированию полезной сетчатой структуры «белок–пищевые волокна» и, в зависимости от типа волокон, повышать вязкость и способность формировать текстуру. В ферментированных альтернативах йогурту на основе горохового белка ультразвук дополнительно улучшал качество продукта, снижая содержание ключевых соединений, вызывающих нежелательный привкус и запах, таких как гексаналь и 2-pentylfuran, и одновременно повышая содержание желательных соединений с йогуртовым ароматом, таких как диацетил и ацетоин. Это делает его перспективным инструментом для улучшения как функциональных, так и органолептических свойств в рамках подхода «чистой этикетки».
(см. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Снимки FE-SEM (увеличение 400x и 2000x, масштабная линейка: 10 µm) необработанных (UT) и
обработанных ультразвуком (T) образцов горохового белка (PP).
Исследование и изображение: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Пример: преимущества конопляного белка, обработанного ультразвуком

Ультразвуковая экстракция конопляного белка даёт несколько заметных преимуществ, особенно при переработке обезжиренных отходов семян конопли в ингредиенты с более высокой ценностью. В загруженном исследовании экстракция с применением ультразвука повышала общий выход и чистоту белка по сравнению с традиционной экстракцией, причём лучший комбинированный процесс в сочетании с предварительной обработкой высоким давлением (HPP) обеспечивал извлечение около 62% белка и чистоту около 76%. Она также улучшала извлечение аминокислот во всех изолятах, что указывает на более высокий выход питательных веществ, при этом не вызывая значительных видимых повреждений картины белковых полос при SDS-PAGE. В целом результаты подтверждают, что ультразвук является более экологичным и эффективным подходом к экстракции, который может снижать интенсивность обработки и помогать превращать побочные продукты переработки конопли в полезные белковые ингредиенты для пищевых продуктов и нутрицевтиков.
(см. Cabral et al. 2023)

Пример: ультразвуковая экстракция белкового гидролизата из рисовых отрубей

Ультразвуковая экстракция гидролизата рисового белка даёт явные функциональные преимущества, поскольку ультразвук улучшает высвобождение белка из рисовых отрубей, разрушая клеточные структуры и усиливая массоперенос, что делает экстракцию более эффективной, чем традиционные подходы. В исследовании экстракция была успешно оптимизирована при соотношении твёрдой и жидкой фаз 0,43, амплитуде 48,25% и длительности 29,89 минуты, а ферментативный гидролиз с применением ультразвука также способствовал получению гидролизатов с выраженной биологической активностью, включая высокую активность ингибирования АПФ и антиоксидантный потенциал. Авторы делают вывод, что ультразвук является эффективным методом не только для экстракции белка, но и для ускорения ферментативного гидролиза, помогая превращать рисовые отруби в биологически активные белковые ингредиенты с более высокой ценностью.
(см. Hayta et al., 2020)

Преимущества для производителей пищевых продуктов и пищевых добавок

• Более высокое качество продукции
  Обработка ультразвуком может способствовать более гладкой текстуре и ощущению во рту у жидких белковых продуктов, повышению однородности суспензий и предварительных смесей, уменьшению видимого осадка в белковых напитках и более стабильным функциональным характеристикам от партии к партии.
• Более эффективная обработка
  Ультразвук может интенсифицировать обработку, ускоряя диспергирование и гидратацию и обеспечивая возможность непрерывной обработки в потоке. В исследовании овсяного белка сообщается, что конструкция проточной ячейки позволяет достигать более высоких плотностей, несмотря на высокую массовую производительность, и поэтому может обеспечивать более высокую эффективность и большую применимость в промышленности, чем обычная конфигурация для периодической обработки.
• Большая гибкость разработки рецептур
  Обработка ультразвуком полезна для сложных рецептур с растительными белками, высокобелковых готовых к употреблению напитков (RTD), основ пищевых добавок и процессов, предшествующих гомогенизации, гидролизу или сушке. В статье отмечается её применимость к растительным напиткам, суспензиям с высоким содержанием твёрдой фазы и последующим этапам гидролиза.
• Более широкие возможности масштабирования
  Заданные параметры обработки ультразвуком, такие как амплитуда, интенсивность, плотность энергии, время пребывания и противодавление, обеспечивают перенос процесса из лаборатории в опытное и промышленное производство. В загруженном исследовании особое внимание уделяется этим параметрам при разработке масштабируемой непрерывной обработки.

Почему использование ультразвуковых аппаратов Hielscher даёт преимущества

Ультразвуковые аппараты Hielscher привлекательны для обработки белков, поскольку обеспечивают контролируемую и воспроизводимую ультразвуковую обработку. Для производителей реальное преимущество заключается не просто в создании кавитации, а в её создании в заданных условиях, допускающих масштабирование.

• Контролируемые параметры обработки ультразвуком
  Системы Hielscher, использованные в исследовании, позволяли исследователям работать с заданными амплитудами, интенсивностями и плотностями энергии как в периодическом режиме, так и в режиме проточной ячейки. Это способствует систематической разработке и масштабированию процесса.
• Возможность периодической обработки и обработки в проточной ячейке
  Производители могут оценить обработку ультразвуком в периодическом режиме, а затем перейти к непрерывной обработке в потоке. Загруженная статья показывает, что непрерывная обработка ультразвуком в проточной ячейке может превосходить периодическую обработку по стабильности суспензии и применимости в промышленности.
• Разработка процесса для промышленной производительности
  Исследование показывает, что противодавление, время пребывания и массовый расход являются важными переменными при непрерывной обработке ультразвуком. Это важно для производителей, поскольку превращает ультразвуковую обработку в полноценный инструмент технологического проектирования, а не только в лабораторный метод.
• Поддержка обработки сложных белковых систем
  В статье подчёркивается, что целенаправленная настройка таких свойств продукта, как размер частиц, стабильность суспензии, растворимость и вязкость, имеет большое значение для растительных суспензий. В ней также отмечается, что ультразвуковые аппараты занимают мало места, могут работать с высокими концентрациями твёрдых веществ и обеспечивают уникальное сочетание физических и химических эффектов.

 
Типичные области применения
Ультразвуковая обработка белков актуальна для

• напитков с растительными белками на основе овса, гороха, сои, риса, кормовых бобов или их смесей;
• молочных и немолочных напитков, обогащённых белком;
• суспензий пищевых добавок и жидких продуктов в формате шотов;
• белковых дисперсий перед гомогенизацией или эмульгированием;
• а также предварительных смесей для распылительной сушки или дальнейшей функционализации.

Ультразвук как масштабируемая технология обработки белков

Обработка ультразвуком помогает производителям пищевых продуктов и пищевых добавок улучшать функциональные свойства белков там, где одного традиционного смешивания часто уже недостаточно. Усиливая диспергирование, уменьшая размер частиц, увеличивая долю растворённого белка и стабилизируя суспензии, ультразвук может обеспечивать измеримые преимущества в качестве продукции и эффективности процесса. Загруженное исследование подтверждает это для концентратов овсяного белка и указывает, что непрерывная обработка ультразвуком в проточной ячейке особенно перспективна для промышленной переработки.
Ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают практический путь от проверки осуществимости в лаборатории до промышленного внедрения. Их использование в опубликованных работах по обработке белков, включая загруженное исследование овсяного белка, показывает, как ультразвуковую обработку можно превратить в контролируемый и масштабируемый производственный этап для производителей пищевых продуктов и пищевых добавок.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своим высочайшим качеством и стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и работой в сложной среде.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE, а также требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Источники

• 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.