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 ovsene, grahove, sojine, konopljine in riževe, do mlečnih beljakovin in mešanih formulacij – ultrazvok visoke intenzivnosti proizvajalcem pomaga optimizirati beljakovinske sisteme za boljše obnašanje med obdelavo in izboljšane lastnosti izdelkov.

Pri obdelavi beljakovin je ultrazvok več kot le pripomoček za mešanje. Ustrezno nadzorovana sonikacija lahko zmanjša velikost delcev, izboljša hidratacijo in dispergiranje, poveča delež raztopljenih beljakovin ter izboljša stabilnost suspenzij. Ti učinki so še posebej pomembni za napitke, pripravljene za pitje, beljakovinske koncentrate, obogatena živila in formulacije prehranskih dopolnil v prahu. V študiji, objavljeni leta 2025 (Höhme-Matthes et al.), ki je preučevala ultrazvočno obdelavo ovsenih beljakovin, je ultrazvočna obdelava s povečevanjem gostote energije povečala raztopljeno količino koncentrata ovsenih beljakovin in zmanjšala nestabilnost suspenzije.

Zakaj je ultrazvočna obdelava beljakovin pomembna

Proizvajalci živil in prehranskih dopolnil se pogosto srečujejo z izzivi, kot so slabo omočenje, nepopolna hidratacija, sedimentacija, visoka viskoznost, nestabilne suspenzije in neenakomerna funkcionalnost. Ti izzivi postanejo še pomembnejši pri formulacijah z visoko vsebnostjo beljakovin, na rastlinski osnovi in s čisto deklaracijo.
Ultrazvok visoke intenzivnosti in nizke frekvence v tekočinah ustvarja akustično kavitacijo. Implozija mikroskopskih mehurčkov ustvarja lokalizirane strižne sile, turbulenco in mikromešanje. V beljakovinskih sistemih lahko ti učinki razbijejo aglomerate, zmanjšajo velikost delcev, izboljšajo prenos snovi in spremenijo fizično organizacijo suspenzij z visoko vsebnostjo beljakovin. Rezultat je beljakovinski sistem, ki ga je lažje obdelovati in ki v končnem izdelku pogosto zagotavlja boljše lastnosti.

Kako sonikacija izboljšuje obdelavo beljakovin v živilski industriji

• Izboljšano dispergiranje in hidratacija
  Beljakovinski praški se pogosto neenakomerno hidratirajo in tvorijo aglomerate. Sonikacija pomaga pri deaglomeraciji delcev in spodbuja enakomernejše omočenje, kar lahko skrajša čas hidratacije in izboljša nadaljnje ravnanje z materialom.
• Zmanjšanje velikosti delcev
  Zmanjšana velikost delcev je pogosto povezana z bolj gladkim občutkom v ustih, izboljšanim obnašanjem suspenzije in boljšim dostopom vode do površin beljakovin. Članek o ovsenih beljakovinah izrecno ugotavlja, da je ultrazvok uporaben za obdelavo rastlinskih beljakovin v industrijskem merilu z vidika zmanjšanja velikosti delcev.
• Večja topnost beljakovin
  Sonikacija lahko poveča delež raztopljenih beljakovin in izboljša navidezno topnost v zahtevnih sistemih. V študiji o ovsenih beljakovinah avtorji poročajo, da je ultrazvočna obdelava povečala raztopljeno količino koncentrata ovsenih beljakovin, pri čemer je bila topnost že pri gostoti energije 200 J/mL približno trikrat večja.
• Izboljšana stabilnost suspenzije
  Z izboljšanjem dispergiranja in zmanjšanjem deležev neraztopljenih delcev ultrazvok pomaga zmanjšati sedimentacijo in ločevanje faz. Naloženi članek poroča, da je ultrazvočna obdelava zmanjšala nestabilnost suspenzij koncentrata ovsenih beljakovin in da je neprekinjena obdelava v pretočni celici pri enaki gostoti energije močno izboljšala stabilnost suspenzije.

Primer: obdelava ovsenih beljakovin s sonikatorji Hielscher

Študija iz leta 2025 o obdelavi koncentrata ovsenih beljakovin je z uporabo opreme Hielscher opredelila tako šaržno ultrazvočno obdelavo kot ultrazvočno obdelavo v pretočni celici. Raziskovalci so v svojih poskusih uporabili Hielscher UIP1500hdT in Hielscher UP200St. Ugotovili so, da je ultrazvočna obdelava s povečevanjem gostote energije povečala raztopljeno količino koncentrata ovsenih beljakovin in hkrati zmanjšala nestabilnost suspenzije. Ugotovili so tudi, da je sonikacija v pretočni celici omogočila večjo zmogljivost obdelave in bila v primerjavi z običajno šaržno zasnovo primernejša za industrijsko uporabo.
Študija nadalje ugotavlja, da je ultrazvok uporabno orodje pri procesnih aplikacijah za koncentrate rastlinskih beljakovin v industrijskem merilu. Izpostavlja izboljšano zmanjševanje velikosti delcev, boljšo stabilnost suspenzije ter pomen neprekinjene sonikacije v konfiguracijah s pretočnimi celicami za učinkovitost procesa in povečanje merila.

Primer: izboljšana funkcionalnost grahovih beljakovin s sonikacijo

Ultrazvočna obdelava ponuja več jasnih prednosti za sisteme z grahovimi beljakovinami: z razbijanjem agregatov in zmanjševanjem velikosti delcev izboljša disperzibilnost in topnost, kar lahko izboljša funkcionalne lastnosti v živilih, ne da bi poslabšalo prebavljivost ali biodostopnost beljakovin. V formulacijah, ki vsebujejo vlaknine, lahko ultrazvok spodbuja tudi koristno nastajanje mreže beljakovin in vlaknin ter glede na vrsto vlaknin poveča viskoznost in sposobnost oblikovanja teksture. Pri fermentiranih alternativah jogurtu na osnovi grahovih beljakovin je ultrazvok dodatno izboljšal kakovost izdelka z zmanjšanjem ključnih spojin, ki povzročajo neželene priokuse, kot sta heksanal in 2-pentilfuran, ter hkrati povečal vsebnost zaželenih aromatičnih spojin, značilnih za jogurt, kot sta diacetil in acetoin. Zato je obetavno orodje za izdelke s čisto deklaracijo, tako za izboljšanje funkcionalnosti kot senzoričnih lastnosti.
(prim. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Posnetki FE-SEM (povečavi 400x in 2000x, merilna črta: 10 µm) neobdelanih (UT) in
ultrazvočno obdelanih (T) vzorcev grahovih beljakovin (PP).
Študija in slika: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Primer: prednosti ultrazvočno obdelanih konopljinih beljakovin

Ultrazvočna ekstrakcija konopljinih beljakovin ponuja več opaznih prednosti, zlasti pri pretvarjanju razmaščenih odpadkov konopljinih semen v sestavine z višjo vrednostjo. V naloženi študiji je ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo izboljšala skupni izkoristek pridobivanja beljakovin in njihovo čistost, pri čemer je najboljši kombinirani postopek v povezavi s predobdelavo HPP dosegel približno 62% izkoristek pridobivanja beljakovin in približno 76% čistost. Izboljšala je tudi ekstrakcijo aminokislin v vseh izolatih, kar kaže na boljši izkoristek hranil, pri tem pa ni povzročila večjih vidnih poškodb vzorcev beljakovinskih pasov pri SDS-PAGE. Na splošno ugotovitve podpirajo ultrazvok kot okolju prijaznejši in učinkovitejši pristop k ekstrakciji, ki lahko zmanjša intenzivnost obdelave ter pomaga pretvoriti konopljine stranske proizvode 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 ponuja jasne funkcionalne prednosti, saj ultrazvok z razgradnjo celičnih struktur in izboljšanjem prenosa snovi izboljša sproščanje beljakovin iz riževih otrobov, zaradi česar je ekstrakcija učinkovitejša kot pri konvencionalnih pristopih. V študiji je bila ekstrakcija uspešno optimizirana pri razmerju med trdno in tekočo fazo 0,43, amplitudi 48,25% in času 29,89 minut, encimska hidroliza s pomočjo ultrazvoka pa je podprla tudi nastajanje hidrolizatov z močno bioaktivnostjo, vključno z visoko aktivnostjo zaviranja ACE in antioksidativnim potencialom. Avtorji ugotavljajo, da je ultrazvok učinkovita tehnika ne le za ekstrakcijo beljakovin, temveč tudi za pospeševanje encimske hidrolize, kar pomaga pretvoriti riževe otrobe v bioaktivne beljakovinske sestavine z višjo vrednostjo.
(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, izboljšani homogenosti suspenzij in predmešanic, manj vidni sedimentaciji v beljakovinskih napitkih ter bolj enakomernim funkcionalnim lastnostim med šaržami.
• Učinkovitejša obdelava
  Ultrazvok lahko intenzivira obdelavo s pospeševanjem dispergiranja in hidratacije ter omogočanjem neprekinjene obdelave v liniji. Študija o ovsenih beljakovinah poroča, da zasnova s pretočno celico omogoča višje gostote kljub visoki masni zmogljivosti obdelave in lahko zato omogoča večjo učinkovitost in večjo ustreznost za industrijsko uporabo kot običajna šaržna zasnova.
• Večja prilagodljivost formulacij
  Sonikacija je uporabna za zahtevne formulacije rastlinskih beljakovin, napitke z visoko vsebnostjo beljakovin, pripravljene za pitje (RTD), osnove za prehranska dopolnila in postopke pred homogenizacijo, hidrolizo ali sušenjem. Članek izpostavlja njeno pomembnost za rastlinske napitke, gošče in nadaljnje korake hidrolize.
• Večji potencial za povečanje merila
  Opredeljeni parametri sonikacije, kot so amplituda, intenzivnost, gostota energije, zadrževalni čas in protitlak, podpirajo prenos procesa iz laboratorijskega dela v pilotno in industrijsko proizvodnjo. Naložena študija daje poseben poudarek tem parametrom pri načrtovanju neprekinjene obdelave, ki omogoča povečanje merila.

Zakaj uporaba sonikatorjev Hielscher prinaša prednosti

Sonikatorji Hielscher so privlačna izbira za obdelavo beljakovin, saj omogočajo nadzorovano in ponovljivo ultrazvočno obdelavo. Za proizvajalce prava prednost ni zgolj ustvarjanje kavitacije, temveč njeno ustvarjanje v opredeljenih pogojih, ki omogočajo povečanje merila.

• Nadzorovani parametri sonikacije
  Sistemi Hielscher, uporabljeni v študiji, so raziskovalcem omogočili delo z opredeljenimi amplitudami, intenzivnostmi in gostotami energije tako v šaržnem načinu kot v načinu s pretočno celico. To podpira sistematičen razvoj procesa in povečanje merila.
• Možnost šaržne obdelave in obdelave v pretočni celici
  Proizvajalci lahko ocenijo sonikacijo pri šaržni obdelavi in nato preidejo na neprekinjeno obdelavo v liniji. Naloženi članek kaže, da lahko neprekinjena sonikacija v pretočni celici preseže šaržno obdelavo glede stabilnosti suspenzije in ustreznosti za industrijsko uporabo.
• Zasnova procesa za industrijsko zmogljivost obdelave
  Študija kaže, da so protitlak, zadrževalni čas in masni pretok pomembne spremenljivke pri neprekinjeni sonikaciji. To je pomembno za proizvajalce, saj ultrazvočno obdelavo spreminja v pravo orodje procesnega inženirstva in ne zgolj v laboratorijsko tehniko.
• Podpora za zahtevne beljakovinske sisteme
  Članek poudarja, da je prilagajanje lastnosti izdelka, kot so velikost delcev, stabilnost suspenzije, topnost in viskoznost, zelo pomembno za suspenzije na rastlinski osnovi. Prav tako navaja, da sonikatorji zavzamejo malo prostora, lahko obdelujejo visoke koncentracije trdnih snovi in ponujajo edinstveno kombinacijo fizikalnih in kemijskih učinkov.

 
Tipične uporabe
Ultrazvočna obdelava beljakovin je pomembna za

• napitke z rastlinskimi beljakovinami na osnovi ovsa, graha, soje, riža, boba ali mešanic;
• mlečne in nemlečne napitke, obogatene z beljakovinami;
• suspenzije prehranskih dopolnil in tekoče napitke v majhnih odmerkih;
• beljakovinske disperzije pred homogenizacijo ali emulgiranjem;
• in predmešanice za sušenje z razprševanjem ali nadaljnjo funkcionalizacijo.

Ultrazvok kot tehnologija obdelave beljakovin z možnostjo povečanja merila

Sonikacija proizvajalcem živil in prehranskih dopolnil pomaga izboljšati funkcionalnost beljakovin tam, kjer samo konvencionalno mešanje pogosto doseže svoje meje. Z intenziviranjem dispergiranja, zmanjševanjem velikosti delcev, povečevanjem deležev raztopljenih beljakovin in stabilizacijo suspenzij lahko ultrazvok prinese merljive koristi pri kakovosti izdelkov in učinkovitosti procesa. Naložena študija podpira to stališče za koncentrate ovsenih beljakovin in kaže, da je neprekinjena sonikacija v pretočni celici še posebej obetavna za industrijsko obdelavo.
Sonikatorji Hielscher omogočajo praktičen prehod od laboratorijskega preverjanja izvedljivosti do industrijske uvedbe. Njihova uporaba v objavljenih raziskavah obdelave beljakovin, vključno z naloženo študijo o ovsenih beljakovinah, kaže, kako je mogoče ultrazvočno obdelavo razviti v nadzorovan proizvodni korak z možnostjo povečanja merila za proizvajalce živil in prehranskih dopolnil.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočni procesorji Hielscher so znani po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih procesorjev v industrijske obrate. Ultrazvočni procesorji Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim procesorjem z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočni procesorji Hielscher so seveda skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / reference

• 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.