Ultrazvukové spracovanie bielkovín pre potraviny a výživové doplnky

Sonikácia je účinná procesná technológia na zlepšenie funkčnosti, dispergovateľnosti, rozpustnosti a stability bielkovín používaných v potravinách a výživových doplnkoch. Od rastlinných bielkovín, ako sú ovsené, hrachové, sójové, konopné a ryžové bielkoviny, až po mliečne bielkoviny a zmesové receptúry pomáha ultrazvuk s vysokou intenzitou výrobcom optimalizovať bielkovinové systémy na dosiahnutie lepšieho správania pri spracovaní a lepších vlastností výrobkov.

Pri spracovaní bielkovín je ultrazvuk viac než len pomôckou pri miešaní. Správne riadená sonikácia môže zmenšiť veľkosť častíc, zlepšiť hydratáciu a dispergovanie, zvýšiť podiel rozpustených bielkovín a zlepšiť stabilitu suspenzie. Tieto účinky sú obzvlášť relevantné pre nápoje pripravené na priamu konzumáciu, bielkovinové koncentráty, obohatené potraviny a receptúry práškových výživových doplnkov. V štúdii publikovanej v roku 2025 (Höhme-Matthes et al.), ktorá skúmala ultrazvukové spracovanie ovsených bielkovín, sonikácia so zvyšujúcou sa hustotou energie zvyšovala rozpustené množstvo ovseného bielkovinového koncentrátu a znižovala nestabilitu suspenzie.

Prečo je ultrazvukové spracovanie bielkovín dôležité

Výrobcovia potravín a výživových doplnkov často čelia problémom, ako sú slabé zmáčanie, neúplná hydratácia, sedimentácia, vysoká viskozita, nestabilné suspenzie a nevyrovnaná funkčnosť. Tieto problémy nadobúdajú ešte väčší význam pri receptúrach s vysokým obsahom bielkovín, na rastlinnej báze a s čistou etiketou.
Nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokou intenzitou vytvára v kvapalinách akustickú kavitáciu. Implózia mikroskopických bublín vytvára lokálne šmykové sily, turbulencie a mikromiešanie. V bielkovinových systémoch môžu tieto účinky rozrušovať aglomeráty, zmenšovať veľkosť častíc, zlepšovať prenos hmoty a meniť fyzikálne usporiadanie suspenzií bohatých na bielkoviny. Výsledkom je bielkovinový systém, ktorý sa ľahšie spracúva a v hotovom výrobku často vykazuje lepšie vlastnosti.

Ako sonikácia zlepšuje spracovanie bielkovín v potravinárskom priemysle

• Lepšie dispergovanie a hydratácia
  Bielkovinové prášky často hydratujú nerovnomerne a tvoria aglomeráty. Sonikácia pomáha rozrušovať aglomeráty častíc a podporuje rovnomernejšie zmáčanie, čo môže skrátiť čas hydratácie a zlepšiť následnú manipuláciu.
• Zmenšenie veľkosti častíc
  Menšia veľkosť častíc sa často spája s jemnejším pocitom v ústach, lepším správaním suspenzie a lepším prístupom vody k povrchom bielkovín. Článok o ovsených bielkovinách výslovne dospieva k záveru, že ultrazvuk je užitočný pri spracovaní rastlinných bielkovín v priemyselnom meradle z hľadiska zmenšovania veľkosti častíc.
• Vyššia rozpustnosť bielkovín
  Sonikácia môže zvýšiť podiel rozpustených bielkovín a zlepšiť zdanlivú rozpustnosť v náročných systémoch. V štúdii o ovsených bielkovinách autori uvádzajú, že sonikácia zvýšila rozpustené množstvo ovseného bielkovinového koncentrátu, pričom už pri hustote energie 200 J/mL bola rozpustnosť približne trojnásobná.
• Vyššia stabilita suspenzie
  Zlepšením dispergovania a znížením podielov nerozpustených častíc pomáha ultrazvuk znižovať sedimentáciu a oddeľovanie fáz. Nahraný článok uvádza, že sonikácia znížila nestabilitu suspenzií ovseného bielkovinového koncentrátu a že kontinuálne spracovanie v prietokovej cele výrazne zlepšilo stabilitu suspenzie pri rovnakej hustote energie.

Príklad: Spracovanie ovsených bielkovín pomocou sonikátorov Hielscher

Štúdia z roku 2025 zameraná na spracovanie ovseného proteínového koncentrátu charakterizovala vsádzkovú sonikáciu aj sonikáciu v prietokovej cele pomocou zariadení Hielscher. Výskumníci vo svojich experimentoch použili Hielscher UIP1500hdT a Hielscher UP200St. Zistili, že sonikácia zvýšila rozpustené množstvo ovseného proteínového koncentrátu a zároveň so zvyšujúcou sa hustotou energie znižovala nestabilitu suspenzie. Zistili tiež, že sonikácia v prietokovej cele umožnila vyššiu spracovateľskú kapacitu a v porovnaní s bežným vsádzkovým usporiadaním mala väčší význam pre priemyselné využitie.
Štúdia ďalej dospela k záveru, že ultrazvuk je užitočným nástrojom pri priemyselnom spracovaní rastlinných proteínových koncentrátov. Zdôrazňuje účinnejšie zmenšovanie veľkosti častíc, lepšiu stabilitu suspenzie a význam kontinuálnej sonikácie v usporiadaniach s prietokovou celou pre efektívnosť procesu a zväčšovanie výrobnej mierky.

Príklad: Zlepšenie funkčnosti hrachového proteínu sonikáciou

Ultrazvukové spracovanie ponúka niekoľko jasných výhod pre systémy s hrachovým proteínom: rozrušovaním agregátov a zmenšovaním veľkosti častíc zlepšuje dispergovateľnosť a rozpustnosť, čo môže zlepšiť funkčné vlastnosti v potravinách bez zhoršenia stráviteľnosti alebo bioaccessibility proteínu. Vo formuláciách obsahujúcich vlákninu môže ultrazvuk tiež podporovať tvorbu prospešnej siete proteín–vláknina a v závislosti od typu vlákniny zvyšovať viskozitu a schopnosť vytvárať textúru. Vo fermentovaných jogurtových alternatívach na báze hrachového proteínu ultrazvuk ďalej zlepšil kvalitu výrobku znížením obsahu kľúčových zlúčenín spôsobujúcich nežiaduce chuťové a aromatické tóny, ako sú hexanal a 2-pentylfurán, pričom zvýšil obsah žiaducich aromatických zlúčenín pripomínajúcich jogurt, ako sú diacetyl a acetoín. Je preto sľubným nástrojom na zlepšenie funkčných aj senzorických vlastností v súlade s koncepciou čistej etikety.
(porov. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Snímky FE-SEM (zväčšenia 400x a 2000x, mierka: 10 µm) neošetrených (UT) a
ultrazvukom ošetrených (T) vzoriek hrachového proteínu (PP).
Štúdia a snímka: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Príklad: Výhody ultrazvukom ošetreného konopného proteínu

Ultrazvuková extrakcia konopného proteínu ponúka niekoľko významných výhod, najmä pri zhodnocovaní odpadu z odtučnených konopných semien na zložky s vyššou hodnotou. V nahranej štúdii extrakcia podporovaná ultrazvukom zlepšila celkovú výťažnosť a čistotu proteínu v porovnaní s konvenčnou extrakciou, pričom najlepší kombinovaný proces v spojení s predúpravou HPP dosiahol výťažnosť proteínu približne 62% a čistotu približne 76%. Zlepšila tiež extrakciu aminokyselín naprieč izolátmi, čo naznačuje vyššiu výťažnosť živín, a zároveň nespôsobila výrazné viditeľné narušenie profilov proteínových pásov pri SDS-PAGE. Celkovo zistenia podporujú ultrazvuk ako ekologickejší a efektívnejší prístup k extrakcii, ktorý môže znížiť intenzitu spracovania a pomôcť premeniť vedľajšie produkty z konopy na užitočné proteínové zložky pre potraviny a nutraceutiká.
(porov. Cabral et al. 2023)

Príklad: Ultrazvuková extrakcia proteínového hydrolyzátu z ryžových otrúb

Ultrazvuková extrakcia hydrolyzátu ryžového proteínu ponúka jasné funkčné výhody, pretože ultrazvuk zlepšuje uvoľňovanie proteínu z ryžových otrúb narúšaním bunkových štruktúr a zlepšovaním prenosu hmoty, čím je extrakcia efektívnejšia než konvenčné postupy. V štúdii bola extrakcia úspešne optimalizovaná pri pomere tuhej a kvapalnej fázy 0,43, amplitúde 48,25% a čase 29,89 minúty. Enzymatická hydrolýza podporovaná ultrazvukom tiež podporila tvorbu hydrolyzátov so silnou bioaktivitou vrátane vysokej aktivity inhibujúcej ACE a antioxidačného potenciálu. Autori dospeli k záveru, že ultrazvuk je účinnou technikou nielen na extrakciu proteínov, ale aj na urýchlenie enzymatickej hydrolýzy, čím pomáha premieňať ryžové otruby na bioaktívne proteínové zložky s vyššou hodnotou.
(porov. Hayta et al., 2020)

Výhody pre výrobcov potravín a výživových doplnkov

• Lepšia kvalita výrobku
  Sonikácia môže prispieť k jemnejšej textúre a príjemnejšiemu pocitu v ústach pri tekutých proteínových výrobkoch, lepšej homogenite suspenzií a predzmesí, menej viditeľnej sedimentácii v proteínových nápojoch a konzistentnejším funkčným vlastnostiam medzi šaržami.
• Efektívnejšie spracovanie
  Ultrazvuk môže zintenzívniť spracovanie tým, že urýchľuje dispergáciu a hydratáciu a umožňuje kontinuálne spracovanie priamo v potrubí. Štúdia o ovsených proteínoch uvádza, že konštrukcia s prietokovou celou umožňuje dosiahnuť vyššie hustoty aj pri vysokej hmotnostnej kapacite spracovania, a preto môže prispieť k vyššej účinnosti a väčšej využiteľnosti v priemysle než bežné šaržové usporiadanie.
• Väčšia flexibilita pri tvorbe receptúr
  Sonikácia je užitočná pri náročných receptúrach s rastlinnými proteínmi, nápojoch s vysokým obsahom proteínov určených na priamu konzumáciu (RTD), základoch výživových doplnkov a procesoch pred homogenizáciou, hydrolýzou alebo sušením. Článok poukazuje na jej význam pre rastlinné nápoje, kašovité suspenzie a následné kroky hydrolýzy.
• Lepší potenciál zväčšovania výrobnej mierky
  Definované parametre sonikácie, ako sú amplitúda, intenzita, hustota energie, doba zdržania a protitlak, podporujú prenos procesu z laboratórnych podmienok do poloprevádzkovej a priemyselnej výroby. Nahraná štúdia kladie osobitný dôraz na tieto parametre pri navrhovaní kontinuálneho spracovania s možnosťou zväčšovania výrobnej mierky.

Prečo používanie sonikátorov Hielscher prináša výhody

Sonikátory Hielscher sú atraktívnou voľbou na spracovanie proteínov, pretože umožňujú riadené a reprodukovateľné ultrazvukové ošetrenie. Pre výrobcov skutočná výhoda nespočíva len vo vytváraní kavitácie, ale v jej vytváraní za definovaných podmienok, ktoré možno preniesť do väčšej výrobnej mierky.

• Riadené parametre sonikácie
  Systémy Hielscher použité v štúdii umožnili výskumníkom pracovať s definovanými amplitúdami, intenzitami a hustotami energie v šaržovom režime aj v režime s prietokovou celou. To podporuje systematický vývoj procesu a zväčšovanie výrobnej mierky.
• Možnosť šaržového spracovania aj spracovania v prietokovej cele
  Výrobcovia môžu vyhodnotiť sonikáciu v šaržovom režime a následne prejsť na kontinuálne spracovanie priamo v potrubí. Nahraný článok ukazuje, že kontinuálna sonikácia v prietokovej cele môže prekonať šaržové ošetrenie z hľadiska stability suspenzie a využiteľnosti v priemysle.
• Návrh procesu pre priemyselnú kapacitu spracovania
  Štúdia ukazuje, že protitlak, doba zdržania a hmotnostný prietok sú dôležitými premennými pri kontinuálnej sonikácii. Pre výrobcov je to dôležité, pretože vďaka tomu je ultrazvukové ošetrenie skutočným nástrojom procesného inžinierstva, a nie iba laboratórnou technikou.
• Podpora pri náročných proteínových systémoch
  Článok zdôrazňuje, že prispôsobovanie vlastností produktu, ako sú veľkosť častíc, stabilita suspenzie, rozpustnosť a viskozita, má pre rastlinné suspenzie zásadný význam. Uvádza tiež, že sonikátory majú malé nároky na priestor, dokážu spracovať vysoké koncentrácie pevných látok a ponúkajú jedinečnú kombináciu fyzikálnych a chemických účinkov.

 
Typické použitia
Ultrazvukové spracovanie proteínov je vhodné na

• rastlinné proteínové nápoje na báze ovsa, hrachu, sóje, ryže, bôbu alebo ich zmesí;
• mliečne a nemliečne nápoje obohatené o proteíny;
• suspenzie výživových doplnkov a tekuté doplnky v malých dávkach;
• proteínové disperzie pred homogenizáciou alebo emulgáciou;
• a predzmesi na rozprašovacie sušenie alebo ďalšiu funkcionalizáciu.

Ultrazvuk ako technológia spracovania proteínov s možnosťou zväčšovania výrobnej mierky

Sonikácia pomáha výrobcom potravín a výživových doplnkov zlepšovať funkčné vlastnosti bielkovín tam, kde samotné konvenčné miešanie často dosahuje svoje limity. Zintenzívnením dispergácie, zmenšením veľkosti častíc, zvýšením podielu rozpustených bielkovín a stabilizáciou suspenzií môže ultrazvuk priniesť merateľné výhody v kvalite výrobkov a účinnosti procesov. Nahraná štúdia podporuje toto tvrdenie v prípade ovsených bielkovinových koncentrátov a naznačuje, že kontinuálna sonikácia v prietokovej cele je obzvlášť sľubná pre priemyselné spracovanie.
Sonikátory Hielscher poskytujú praktickú cestu od overenia uskutočniteľnosti v laboratóriu k priemyselnému zavedeniu. Ich použitie v publikovaných prácach o spracovaní bielkovín vrátane nahranej štúdie o ovsených bielkovinách ukazuje, ako možno ultrazvukové spracovanie rozvinúť na riadený a škálovateľný výrobný krok pre výrobcov potravín a výživových doplnkov.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a najvyššími konštrukčnými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémové začlenenie našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

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

Literatúra / Referencie

• 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.