Ultrazvukové spracovanie bielkovín pre potraviny a výživové doplnky

Sonikácia je výkonná procesná technológia na zlepšenie funkčnosti, dispergovateľnosti, rozpustnosti a stability proteínov používaných v potravinách a výživových doplnkoch. Od rastlinných bielkovín, ako sú ovos, hrach, sója, konope a ryža, až po mliečne bielkoviny a zmiešané prípravky, vysoko intenzívny ultrazvuk pomáha výrobcom optimalizovať proteínové systémy na lepšie správanie pri spracovaní a zlepšenie vlastností výrobkov.

Pri spracovaní bielkovín je ultrazvuk viac ako len pomocný prostriedok na miešanie. Správne riadená sonikácia môže znížiť veľkosť častíc, zlepšiť hydratáciu a disperziu, zvýšiť podiel rozpustených bielkovín a zlepšiť stabilitu suspenzie. Tieto účinky sú dôležité najmä pri nápojoch pripravených na pitie, proteínových koncentrátoch, obohatených potravinách a práškových doplnkových prípravkoch. V publikovanej štúdii z roku 2025 (Höhme-Matthes et al.), v ktorej sa skúmalo ultrazvukové spracovanie ovsených bielkovín, ultrazvuk zvýšil rozpustené množstvo ovseného bielkovinového koncentrátu a znížil nestabilitu suspenzie pri zvýšení energetickej hustoty.

Prečo je dôležité ultrazvukové spracovanie bielkovín

Výrobcovia potravín a výživových doplnkov často čelia problémom, ako je slabé zmáčanie, neúplná hydratácia, sedimentácia, vysoká viskozita, nestabilné suspenzie a nekonzistentná funkčnosť. Tieto problémy sa stávajú ešte dôležitejšími v prípade prípravkov s vysokým obsahom bielkovín, rastlinných prípravkov a prípravkov s čistou značkou.
Vysokointenzívny nízkofrekvenčný ultrazvuk vytvára akustickú kavitáciu v kvapalinách. Implózia mikroskopických bublín vytvára lokalizované strihové sily, turbulencie a mikromiešanie. V proteínových systémoch môžu tieto účinky rozbiť aglomeráty, zmenšiť veľkosť častíc, zlepšiť prenos hmoty a zmeniť fyzikálnu organizáciu suspenzií bohatých na bielkoviny. Výsledkom je proteínový systém, ktorý sa ľahšie spracúva a často má lepšie vlastnosti v konečnom výrobku.

Ako sonikácia zlepšuje spracovanie bielkovín v potravinárskom priemysle

• Zlepšená disperzia a hydratácia
  Proteínové prášky sa často hydratujú nerovnomerne a vytvárajú aglomeráty. Sonikácia pomáha deaglomerovať častice a podporuje rovnomernejšie zmáčanie, čo môže skrátiť čas hydratácie a zlepšiť následnú manipuláciu.
• zmenšenie veľkosti častíc
  Zmenšená veľkosť častíc sa často spája s hladším pocitom v ústach, lepším správaním sa suspenzie a lepším prístupom vody k povrchu bielkovín. V dokumente o ovsených bielkovinách sa konkrétne uvádza, že ultrazvuk je užitočný pri priemyselnom spracovaní rastlinných bielkovín, pokiaľ ide o zníženie veľkosti častíc.
• Vyššia rozpustnosť bielkovín
  Sonikácia môže zvýšiť rozpustenú frakciu proteínov a zlepšiť zdanlivú rozpustnosť v zložitých systémoch. V štúdii o ovsených bielkovinách autori uvádzajú, že ultrazvuk zvýšil rozpustené množstvo ovseného bielkovinového koncentrátu, pričom rozpustnosť bola približne trikrát vyššia už pri energetickej hustote 200 J/ml.
• Zvýšená stabilita odpruženia
  Zlepšením disperzie a znížením nerozpustených frakcií častíc pomáha ultrazvuk znížiť sedimentáciu a separáciu fáz. V nahranom článku sa uvádza, že ultrazvuk znížil nestabilitu suspenzií ovseného proteínového koncentrátu a že kontinuálne ošetrenie prietokovou bunkou výrazne zlepšilo stabilitu suspenzie pri rovnakej hustote energie.

Príklad: Spracovanie ovsených bielkovín pomocou sonických zariadení Hielscher

V štúdii 2025 o spracovaní ovseného bielkovinového koncentrátu sa charakterizovala ultrazvuková dávka aj prietoková bunka s použitím zariadenia Hielscher. Výskumníci pri svojich experimentoch použili zariadenie Hielscher UIP1500hdT a Hielscher UP200St. Zistili, že ultrazvukom sa zvýšilo rozpustené množstvo ovseného bielkovinového koncentrátu a zároveň sa znížila nestabilita suspenzie s rastúcou hustotou energie. Zistili tiež, že sonikácia v prietokovej bunke umožňuje vyššiu priepustnosť a ponúka priemyselný význam v porovnaní s bežným dávkovým dizajnom.
V štúdii sa ďalej dospelo k záveru, že ultrazvuk je užitočným nástrojom v priemyselných procesoch pre koncentráty rastlinných bielkovín. Zdôrazňuje sa v nej lepšia redukcia veľkosti častíc, lepšia stabilita suspenzie a dôležitosť kontinuálnej sonikácie v konfiguráciách prietokových buniek pre efektívnosť a rozšírenie procesu.

Príklad: Zlepšenie funkčnosti hrachového proteínu sonikáciou

Ultrazvukové spracovanie ponúka niekoľko jasných výhod pre systémy hrachových bielkovín: zlepšuje dispergovateľnosť a rozpustnosť rozbitím agregátov a zmenšením veľkosti častíc, čo môže posilniť funkčné vlastnosti potravín bez toho, aby sa poškodila stráviteľnosť alebo biologická prístupnosť bielkovín. V prípravkoch obsahujúcich vlákninu môže ultrazvuk tiež podporiť tvorbu užitočných sietí bielkovín a vlákniny a v závislosti od typu vlákniny zvýšiť viskozitu a schopnosť vytvárať textúru. Vo fermentovaných alternatívach jogurtov z hrachových bielkovín ultrazvuk ďalej zlepšil kvalitu výrobku tým, že znížil množstvo kľúčových nearomatických zlúčenín, ako sú hexanal a 2-pentylfuran, a zároveň zvýšil množstvo žiaducich aromatických zlúčenín podobných jogurtom, ako sú diacetyl a acetoin, čo z neho robí sľubný nástroj čistej značky na zlepšenie funkčnosti aj senzorických vlastností.
(porovnaj Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Obrázky FE-SEM (zväčšenie 400x a 2000x, mierka: 10 µm) neošetrených (UT) a
vzorky hrachového proteínu (PP) ošetrené ultrazvukom (T).
Štúdia a obrázok: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Príklad: Výhody konopného proteínu upraveného ultrazvukom

Ultrazvuková extrakcia konopných bielkovín ponúka niekoľko významných výhod, najmä pri zhodnocovaní odtučneného odpadu z konopných semien na hodnotnejšie zložky. V nahranej štúdii sa extrakciou ultrazvukom zlepšila celková výťažnosť a čistota bielkovín v porovnaní s konvenčnou extrakciou, pričom najlepší kombinovaný proces dosiahol približne 62 % výťažnosť bielkovín a približne 76 % čistotu v kombinácii s predúpravou HPP. Zlepšila sa aj extrakcia aminokyselín v rámci izolátov, čo naznačuje lepšiu nutričnú výťažnosť, pričom sa zabránilo výraznému viditeľnému poškodeniu štruktúry proteínových pásov na SDS-PAGE. Celkovo zistenia podporujú ultrazvuk ako ekologickejší a účinnejší prístup k extrakcii, ktorý môže skrátiť intenzitu spracovania a pomôcť premeniť vedľajšie produkty z konope na užitočné potravinové a nutraceutické proteínové zložky.
(porovnaj Cabral et al. 2023)

Príklad: Extrakcia bielkovinového hydrolyzátu z ryžových otrúb ultrazvukom

Extrakcia hydrolyzátu ryžových bielkovín ultrazvukom ponúka jasné funkčné výhody, pretože ultrazvuk zlepšuje uvoľňovanie bielkovín z ryžových otrúb narušením bunkových štruktúr a zlepšením prenosu hmoty, čím sa extrakcia stáva účinnejšou ako pri bežných prístupoch. V štúdii bola extrakcia úspešne optimalizovaná pri pomere pevná látka/tekutina 0,43, amplitúde 48,25 % a 29,89 minúty a ultrazvukom asistovaná enzymatická hydrolýza tiež podporila tvorbu hydrolyzátov so silnou bioaktivitou vrátane vysokej ACE-inhibičnej aktivity a antioxidačného potenciálu. Autori dospeli k záveru, že ultrazvuk je účinná technika nielen na extrakciu bielkovín, ale aj na urýchlenie enzymatickej hydrolýzy, čo pomáha premeniť ryžové otruby na bioaktívne bielkovinové zložky s vyššou hodnotou.
(porovnaj Hayta et al., 2020)

Výhody pre výrobcov potravín a výživových doplnkov

• Lepšia kvalita výrobkov
  Sonikácia môže podporiť hladšiu textúru a chuť v ústach v tekutých proteínových výrobkoch, lepšiu homogenitu v suspenziách a premixoch, menej viditeľnú sedimentáciu v proteínových nápojoch a konzistentnejšie funkčné vlastnosti v rôznych šaržiach.
• Efektívnejšie spracovanie
  Ultrazvuk môže zintenzívniť spracovanie tým, že urýchľuje disperziu a hydratáciu a umožňuje kontinuálne inline spracovanie. V štúdii o ovsených bielkovinách sa uvádza, že konštrukcia prietokovej bunky umožňuje dosiahnuť vyššiu hustotu napriek vysokej hmotnostnej priepustnosti, a preto môže podporovať vyššiu účinnosť a väčší priemyselný význam ako bežná dávková konštrukcia.
• Väčšia flexibilita zloženia
  Sonikácia je užitočná pri náročných prípravkoch s rastlinnými bielkovinami, vysokoproteínových nápojoch RTD, doplnkových bázach a procesoch pred homogenizáciou, hydrolýzou alebo sušením. V dokumente sa uvádza význam pre rastlinné nápoje, kaše a následné kroky hydrolýzy.
• Lepší potenciál pre rozšírenie
  Definované parametre sonikácie, ako sú amplitúda, intenzita, hustota energie, čas zdržania a protitlak, podporujú prenos procesu z laboratórnej práce do pilotnej a priemyselnej výroby. V predloženej štúdii sa kladie osobitný dôraz na tieto parametre pri navrhovaní škálovateľného kontinuálneho spracovania.

Prečo používanie sonických prístrojov Hielscher prináša výhody

Sonikátory Hielscher sú atraktívne pre spracovanie proteínov, pretože umožňujú kontrolované a reprodukovateľné ultrazvukové spracovanie. Pre výrobcov je skutočnou výhodou nielen generovanie kavitácie, ale aj jej generovanie za definovaných a škálovateľných podmienok.

• Riadené parametre sonikácie
  Systémy Hielscher použité v štúdii umožnili výskumníkom pracovať s definovanými amplitúdami, intenzitami a hustotami energie v dávkovom režime aj v režime prietokových buniek. To podporuje systematický vývoj a rozširovanie procesu.
• Možnosť dávkovania a prietokových buniek
  Výrobcovia môžu vyhodnotiť sonikáciu v dávke a potom prejsť na kontinuálne inline spracovanie. Z predloženého dokumentu vyplýva, že kontinuálna sonikácia v prietokovej bunke môže prekonať dávkové spracovanie z hľadiska stability suspenzie a priemyselného významu.
• Návrh procesu pre priemyselnú výkonnosť
  Zo štúdie vyplýva, že protitlak, čas zdržania a hmotnostný prietok sú dôležité premenné pri kontinuálnej sonikácii. To má význam pre výrobcov, pretože vďaka tomu sa ultrazvuková úprava stáva skutočným nástrojom procesného inžinierstva, a nie iba laboratórnou technikou.
• Podpora pre náročné proteínové systémy
  V článku sa zdôrazňuje, že prispôsobenie vlastností produktu, ako je veľkosť častíc, stabilita suspenzie, rozpustnosť a viskozita, je pre suspenzie na rastlinnej báze veľmi dôležité. Uvádza sa v ňom tiež, že sonikátory potrebujú malé rozmery, zvládajú vysoké koncentrácie pevných látok a ponúkajú jedinečnú kombináciu fyzikálnych a chemických účinkov.

 
Typické aplikácie
Ultrazvukové spracovanie bielkovín je dôležité pre

• nápoje z rastlinných bielkovín na báze ovsa, hrachu, sóje, ryže, fazule faba alebo ich zmesí;
• mliečne a nemliečne nápoje obohatené o bielkoviny;
• suspenzie výživových doplnkov a tekuté injekcie;
• bielkovinové disperzie pred homogenizáciou alebo emulgáciou;
• a premixy na sušenie rozprašovaním alebo ďalšiu funkcionalizáciu.

Ultrazvuk ako škálovateľná technológia spracovania bielkovín

Sonikácia pomáha výrobcom potravín a výživových doplnkov zlepšiť funkčnosť bielkovín tam, kde samotné konvenčné miešanie často naráža na svoje limity. Zintenzívnením disperzie, zmenšením veľkosti častíc, zvýšením rozpustených bielkovinových frakcií a stabilizáciou suspenzií môže ultrazvuk priniesť merateľné výhody v kvalite výrobkov a efektívnosti procesov. Nahratá štúdia podporuje toto stanovisko v prípade ovsených bielkovinových koncentrátov a naznačuje, že kontinuálna sonikácia v prietokových bunkách je obzvlášť sľubná pre priemyselné spracovanie.
Sonikátory Hielscher poskytujú praktickú cestu od laboratórnej realizovateľnosti k priemyselnej implementácii. Ich použitie v publikovaných prácach o spracovaní bielkovín vrátane nahranej štúdie o ovsených bielkovinách ukazuje, ako možno ultrazvukovú úpravu rozvinúť do kontrolovaného a škálovateľného výrobného kroku pre výrobcov potravín a výživových doplnkov.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie