Ultrazvočna obdelava beljakovin za živila in prehranska dopolnila

Sonikacija je učinkovita procesna tehnologija za izboljšanje funkcionalnosti, disperzibilnosti, topnosti in stabilnosti beljakovin, ki se uporabljajo v živilih in prehranskih dopolnilih. Od rastlinskih beljakovin, kot so oves, grah, soja, konoplja in riž, do mlečnih beljakovin in mešanih formulacij, ultrazvok visoke intenzivnosti pomaga proizvajalcem optimizirati beljakovinske sisteme za boljše obnašanje pri predelavi in boljše delovanje izdelka.

Pri predelavi beljakovin je ultrazvok več kot le pripomoček za mešanje. Pravilno nadzorovana sonikacija lahko zmanjša velikost delcev, izboljša hidratacijo in disperzijo, poveča delež raztopljenih beljakovin in izboljša stabilnost suspenzije. Ti učinki so še posebej pomembni pri pijačah, pripravljenih za pitje, beljakovinskih koncentratih, obogatenih živilih in dopolnilih v prahu. V 2025 objavljeni študiji (Höhme-Matthes et al.), v kateri so preučevali ultrazvočno obdelavo ovsenih beljakovin, je ultrazvok povečal raztopljeno količino ovsenega beljakovinskega koncentrata in zmanjšal nestabilnost suspenzije s povečanjem energijske gostote.

Zakaj je ultrazvočna obdelava beljakovin pomembna

Proizvajalci živil in prehranskih dopolnil se pogosto soočajo z izzivi, kot so slabo vlaženje, nepopolna hidracija, sedimentacija, visoka viskoznost, nestabilne suspenzije in nedosledna funkcionalnost. Te težave so še pomembnejše pri formulacijah z visoko vsebnostjo beljakovin, rastlinskih formulacijah in formulacijah s čistimi etiketami.
Nizkofrekvenčni ultrazvok visoke intenzivnosti ustvarja akustično kavitacijo v tekočinah. Implozija mikroskopskih mehurčkov ustvari lokalizirane strižne sile, turbulenco in mikromešanje. V beljakovinskih sistemih lahko ti učinki razbijejo aglomerate, zmanjšajo velikost delcev, izboljšajo prenos mase in spremenijo fizikalno organizacijo suspenzij, bogatih z beljakovinami. Rezultat je beljakovinski sistem, ki ga je lažje obdelati in je pogosto boljši v končnem izdelku.

Kako sonikacija izboljša predelavo beljakovin v živilski industriji

• Izboljšana disperzija in hidracija
  Beljakovine v prahu se pogosto neenakomerno hidrirajo in tvorijo aglomerate. Sonikacija pomaga deaglomerirati delce in spodbuja bolj enakomerno vlaženje, kar lahko skrajša čas hidratacije in izboljša nadaljnje ravnanje.
• zmanjšanje velikosti delcev
  Manjša velikost delcev je pogosto povezana z bolj gladkim okusom v ustih, boljšim suspenzijskim vedenjem in boljšim dostopom vode do površin beljakovin. V dokumentu o ovsenih beljakovinah je posebej ugotovljeno, da je ultrazvok uporaben za industrijsko predelavo rastlinskih beljakovin v zvezi z zmanjšanjem velikosti delcev.
• Večja topnost beljakovin
  Sonikacija lahko poveča raztopljeno frakcijo beljakovin in izboljša navidezno topnost v težavnih sistemih. V študiji o ovsenih beljakovinah avtorji poročajo, da je ultrazvok povečal raztopljeno količino koncentrata ovsenih beljakovin, pri čemer je bila topnost približno trikrat večja že pri energijski gostoti 200 J/mL.
• Izboljšana stabilnost vzmetenja
  Z izboljšanjem disperzije in zmanjšanjem neraztopljenih frakcij delcev ultrazvok pomaga zmanjšati sedimentacijo in ločevanje faz. V naloženem dokumentu je navedeno, da ultrazvok zmanjša nestabilnost suspenzij koncentriranih ovsenih beljakovin in da neprekinjena obdelava s pretočnimi celicami močno izboljša stabilnost suspenzije pri enaki gostoti energije.

Primer: Predelava ovsenih beljakovin s sonikatorji Hielscher

V študiji 2025 o predelavi koncentrata ovsenih beljakovin je bilo značilno ultrazvočenje v seriji in pretočnih celicah z uporabo Hielscherjeve opreme. Raziskovalci so v svojih poskusih uporabili napravo Hielscher UIP1500hdT in Hielscher UP200St. Ugotovili so, da je ultrazvok povečal raztopljeno količino koncentrirane ovsene beljakovine, hkrati pa zmanjšal nestabilnost suspenzije z naraščajočo gostoto energije. Ugotovili so tudi, da je sonikacija v pretočnih celicah omogočila večjo zmogljivost in industrijsko ustreznost v primerjavi z običajno zasnovo serije.
Študija nadalje ugotavlja, da je ultrazvok uporabno orodje v industrijskih procesih za koncentrate rastlinskih beljakovin. Poudarja izboljšano zmanjšanje velikosti delcev, boljšo stabilnost suspenzije in pomen neprekinjene sonikacije v konfiguracijah pretočnih celic za učinkovitost in povečanje obsega procesa.

Primer: Izboljšana funkcionalnost grahovih beljakovin s sonikacijo

Ultrazvočna obdelava prinaša več očitnih prednosti za sisteme grahovih beljakovin: izboljšuje disperzibilnost in topnost z razbijanjem agregatov in zmanjševanjem velikosti delcev, kar lahko okrepi funkcionalne lastnosti živil, ne da bi pri tem škodovalo prebavljivosti ali biološki dostopnosti beljakovin. V formulacijah, ki vsebujejo vlakna, lahko ultrazvok spodbuja tudi tvorbo koristne mreže beljakovin in vlaken ter, odvisno od vrste vlaken, poveča viskoznost in sposobnost oblikovanja teksture. V fermentiranih alternativah jogurta z grahovimi beljakovinami je ultrazvok dodatno izboljšal kakovost izdelka z zmanjšanjem ključnih spojin z neprijetnim okusom, kot sta heksanal in 2-pentilfuran, hkrati pa povečal količino želenih aromatičnih spojin, podobnih jogurtu, kot sta diacetyl in acetoin, zaradi česar je obetavno orodje čiste blagovne znamke za izboljšanje funkcionalnosti in senzorike.
(prim. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Slike FE-SEM (400- in 2000-kratna povečava, merilo: 10 µm) neobdelanih (UT) in
z ultrazvokom obdelani (T) vzorci grahovih beljakovin (PP).
Študija in slika: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Primer: Prednosti ultrazvočno obdelanih konopljinih beljakovin

Ultrazvočna ekstrakcija konopljinih beljakovin ima več pomembnih prednosti, zlasti za valorizacijo razmaščenih odpadkov konopljinih semen v sestavine z višjo vrednostjo. V naloženi študiji je ekstrakcija z ultrazvokom izboljšala skupni izkoristek in čistost beljakovin v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo, pri čemer je najboljši kombinirani postopek dosegel približno 62-odstotni izkoristek beljakovin in približno 76-odstotno čistost v kombinaciji s predobdelavo HPP. Izboljšala je tudi ekstrakcijo aminokislin v vseh izolatih, kar kaže na boljši hranilni izkoristek, hkrati pa se je izognila večjim vidnim poškodbam vzorcev beljakovinskih pasov na SDS-PAGE. Na splošno ugotovitve podpirajo ultrazvok kot okolju prijaznejši in učinkovitejši pristop k ekstrakciji, ki lahko skrajša intenzivnost predelave in pomaga pretvoriti stranske proizvode konoplje v uporabne beljakovinske sestavine za živila in nutracevtike.
(prim. Cabral et al. 2023)

Primer: Ultrazvočna ekstrakcija beljakovinskega hidrolizata iz riževih otrobov

Ultrazvočna ekstrakcija hidrolizata riževih beljakovin ima jasne funkcionalne prednosti, saj ultrazvok izboljša sproščanje beljakovin iz riževih otrobov, tako da poruši celične strukture in izboljša prenos mase, zaradi česar je ekstrakcija učinkovitejša od običajnih pristopov. V študiji je bila ekstrakcija uspešno optimizirana pri razmerju med trdno in tekočo snovjo 0,43, amplitudi 48,25 % in 29,89 minute, encimska hidroliza z ultrazvokom pa je podprla tudi proizvodnjo hidrolizatov z močno bioaktivnostjo, vključno z visoko ACE-inhibicijsko aktivnostjo in antioksidativnim potencialom. Avtorji zaključujejo, da je ultrazvok učinkovita tehnika ne le za ekstrakcijo beljakovin, temveč tudi za pospeševanje encimske hidrolize, kar pomaga pri pretvorbi riževih otrobov v bioaktivne beljakovinske sestavine višje vrednosti.
(prim. Hayta et al., 2020)

Prednosti za proizvajalce živil in prehranskih dopolnil

• Boljša kakovost izdelkov
  Sonikacija lahko pripomore k bolj gladki teksturi in občutku v ustih pri tekočih beljakovinskih izdelkih, boljši homogenosti pri suspenzijah in premiksih, manj vidni sedimentaciji pri beljakovinskih napitkih in bolj dosledni funkcionalni učinkovitosti v različnih serijah.
• Učinkovitejša obdelava
  Ultrazvok lahko okrepi obdelavo s pospeševanjem disperzije in hidratacije ter z omogočanjem neprekinjene obdelave v liniji. Študija o ovsenih beljakovinah poroča, da zasnova pretočnih celic omogoča večjo gostoto kljub visoki masni prepustnosti in zato lahko podpira večjo učinkovitost in večjo industrijsko pomembnost kot običajna zasnova serije.
• Večja prilagodljivost formulacije
  Sonikacija je uporabna za zahtevne formulacije rastlinskih beljakovin, visokobeljakovinske napitke RTD, osnove dodatkov in postopke pred homogenizacijo, hidrolizo ali sušenjem. V prispevku je opisan pomen za rastlinske pijače, kaše in nadaljnje korake hidrolize.
• Boljša možnost povečanja obsega
  Opredeljeni parametri sonikacije, kot so amplituda, intenzivnost, gostota energije, čas zadrževanja in protitlak, podpirajo prenos procesa iz laboratorijskega dela v pilotno in industrijsko proizvodnjo. V naloženi študiji je poseben poudarek na teh parametrih za načrtovanje skalabilne kontinuirane obdelave.

Zakaj uporaba sonikatorjev Hielscher prinaša prednosti

Hielscherjevi sonikatorji so privlačni za obdelavo beljakovin, ker omogočajo nadzorovano in ponovljivo ultrazvočno obdelavo. Za proizvajalce prava prednost ni samo ustvarjanje kavitacije, temveč tudi njeno ustvarjanje pod določenimi in razširljivimi pogoji.

• Nadzorovani parametri sonikacije
  Hielscherjevi sistemi, uporabljeni v študiji, so raziskovalcem omogočili delo z določenimi amplitudami, intenzitetami in gostotami energije tako v paketnem načinu kot v načinu pretočnih celic. To podpira sistematičen razvoj in povečanje obsega procesa.
• Možnost serijske in pretočne celice
  Proizvajalci lahko preskusijo sonikacijo v seriji in nato preidejo na neprekinjeno obdelavo v liniji. V naloženem dokumentu je prikazano, da lahko neprekinjena sonikacija s pretočnimi celicami prekaša serijsko obdelavo glede stabilnosti suspenzije in industrijske pomembnosti.
• Načrtovanje procesov za industrijsko zmogljivost
  Študija je pokazala, da so protitlak, čas zadrževanja in masni pretok pomembne spremenljivke pri neprekinjeni sonikaciji. To je pomembno za proizvajalce, saj ultrazvočna obdelava postane resnično orodje za procesno inženirstvo in ne le laboratorijska tehnika.
• Podpora za zahtevne proteinske sisteme
  V dokumentu je poudarjeno, da je prilagajanje lastnosti izdelka, kot so velikost delcev, stabilnost suspenzije, topnost in viskoznost, zelo pomembno za suspenzije na rastlinski osnovi. Prav tako je navedeno, da morajo imeti sonikatorji majhen prostor, da lahko obdelujejo visoke koncentracije trdnih snovi in da ponujajo edinstveno kombinacijo fizikalnih in kemičnih učinkov.

 
Tipične aplikacije
Ultrazvočna obdelava beljakovin je pomembna za

• napitki iz rastlinskih beljakovin na osnovi ovsa, graha, soje, riža, fižola faba ali mešanic;
• z beljakovinami obogatene mlečne in nemlečne pijače;
• suspenzije prehranskih dopolnil in tekoče injekcije;
• beljakovinske disperzije pred homogenizacijo ali emulgiranjem;
• in premikse za sušenje z razprševanjem ali nadaljnjo funkcionalizacijo.

Ultrazvok kot razširljiva tehnologija za obdelavo beljakovin

Sonikacija pomaga proizvajalcem živil in prehranskih dopolnil izboljšati funkcionalnost beljakovin tam, kjer običajno mešanje pogosto doseže svoje meje. Ultrazvok lahko s povečanjem disperzije, zmanjšanjem velikosti delcev, povečanjem raztopljenih beljakovinskih frakcij in stabilizacijo suspenzij zagotovi merljive prednosti pri kakovosti izdelkov in učinkovitosti procesov. Naložena študija podpira to stališče za koncentrate ovsenih beljakovin in kaže, da je neprekinjena sonikacija s pretočnimi celicami še posebej obetavna za industrijsko predelavo.
Hielscherjevi sonikatorji zagotavljajo praktično pot od laboratorijske izvedljivosti do industrijske uporabe. Njihova uporaba v objavljenih delih o predelavi beljakovin, vključno s študijo o ovsenih beljakovinah, kaže, kako se lahko ultrazvočna obdelava razvije v nadzorovano in razširljivo proizvodno fazo za proizvajalce živil in prehranskih dopolnil.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference