Ultrazvučna obrada proteina za hranu i prehrambene dodatke

Sonikacija je moćna procesna tehnologija za poboljšanje funkcionalnosti, disperzibilnosti, rastvorljivosti i stabilnosti proteina koji se koriste u hrani i dodacima ishrani. Od biljnih proteina kao što su zob, grašak, soja, konoplja i pirinač do mlečnih proteina i mešanih formulacija, ultrazvuk visokog intenziteta pomaže proizvođačima da optimiziraju proteinske sisteme za bolje ponašanje u obradi i poboljšane performanse proizvoda.

U preradi proteina, ultrazvuk je više od pomoći za mešanje. Pravilno kontrolisana ultrazvučnost može da smanji veličinu čestica, poboljšati hidrataciju i disperziju, povećati rastvorenu frakciju proteina, i poboljšati stabilnost suspenzije. Ovi efekti su posebno relevantni za gotove napitke, proteinske koncentrate, obogaćenu hranu i formulacije dodataka u prahu. U studiji objavljenoj 2025. godine (Höhme-Matthes et al.) koja istražuje ultrazvučnu obradu ovsenih proteina, ultrazvuk je povećao rastvorenu količinu koncentrata ovsenih proteina i smanjio nestabilnost suspenzije kako se povećavala gustina energije.

Zašto ultrazvučna obrada proteina bitna

Proizvođači hrane i suplemenata često se suočavaju sa izazovima kao što su loše vlaženje, nepotpuna hidratacija, sedimentacija, visoka viskoznost, nestabilne suspenzije i nedosledna funkcionalnost. Ova pitanja postaju još važnija u visokoproteinskim, biljnim i čistim formulacijama.
Ultrazvuk visokog intenziteta niske frekvencije stvara akustičnu kavitaciju u tečnostima. Implozija mikroskopskih mehurića stvara lokalizovane sile smicanja, turbulencije i mikro-mešanje. U proteinskim sistemima, ovi efekti mogu razbiti aglomerate, smanjiti veličinu čestica, poboljšati prenos mase i modifikovati fizičku organizaciju suspenzija bogatih proteinima. Rezultat je proteinski sistem koji je lakši za obradu i često radi bolje u gotovom proizvodu.

Kako ultrazvučna obrada poboljšava preradu proteina u prehrambenoj industriji

• Poboljšana disperzija i hidratacija
  Proteinski prahovi često neravnomerno hidriraju i formiraju aglomerate. Sonikacija pomaže deaglomerirati čestice i promoviše ravnomerno vlaženje, što može skratiti vreme hidratacije i poboljšati nizvodno rukovanje.
• смањење величине честица
  Smanjena veličina čestica često je povezana sa glatkijim osećajem u ustima, poboljšanim ponašanjem suspenzije i boljim pristupom vode proteinskim površinama. Ovseni proteinski papir posebno zaključuje da je ultrazvuk koristan za industrijsku preradu biljnih proteina u odnosu na smanjenje veličine čestica.
• Veća rastvorljivost proteina
  Sonikacija može povećati rastvorenu frakciju proteina i poboljšati očiglednu rastvorljivost u teškim sistemima. U studiji ovsenih proteina, autori navode da je ultrazvuk povećao rastvorenu količinu koncentrata ovsenih proteina, sa rastvorljivosti već oko tri puta veća pri gustini energije od 200 J / mL.
• Poboljšana stabilnost suspenzije
  Poboljšanjem disperzije i smanjenjem nerastvorenih frakcija čestica, ultrazvuk pomaže u smanjenju sedimentacije i razdvajanja faza. Postavljeni rad izveštava da je ultrazvuk smanjio nestabilnost suspenzija koncentrata ovsa proteina i da je kontinuirani tretman protočnih ćelija poboljšao stabilnost suspenzije snažno pri istoj gustini energije.

Primer: Obrada ovsenih proteina sa Hielscher Sonicators

Studija iz 2025. godine o preradi koncentrata ovsenih proteina karakterisala je i ultrazvuk serije i protočnih ćelija pomoću Hielscher opreme. Istraživači su u svojim eksperimentima koristili Hielscher UIP1500hdT i Hielscher UP200St. Otkrili su da je ultrazvuk povećao rastvorenu količinu koncentrata ovsenih proteina, a istovremeno smanjio nestabilnost suspenzije sa povećanjem gustine energije. Oni su takođe otkrili da protoč-ćelija ultrazvuk omogućio veću propusnost i ponudio industrijski značaj u poređenju sa uobičajenim dizajnom serije.
Studija dalje zaključuje da je ultrazvuk koristan alat u industrijskim procesima za koncentrate biljnih proteina. Naglašava poboljšano smanjenje veličine čestica, bolju stabilnost suspenzije i važnost kontinuirane ultrazvuđenja u konfiguracijama protočnih ćelija za efikasnost procesa i skaliranje.

Primer: Sonication-poboljšana funkcionalnost proteina graška

Ultrazvučna obrada nudi nekoliko jasnih prednosti za sisteme proteina graška: poboljšava disperzibilnost i rastvorljivost razbijanjem agregata i smanjenjem veličine čestica, što može ojačati funkcionalne performanse u hrani bez oštećenja probavljivosti proteina ili biodostupnosti. U formulacijama koje sadrže vlakna, ultrazvuk takođe može promovisati formiranje korisne mreže proteina i vlakana i, u zavisnosti od vrste vlakana, povećati viskoznost i kapacitet za izgradnju teksture. U fermentisanim alternativama jogurtu od proteina graška, ultrazvuk je dodatno poboljšao kvalitet proizvoda smanjenjem ključnih jedinjenja bez ukusa kao što su heksanal i KSNUMKS-pentilfuran, dok je povećao poželjna jedinjenja arome nalik jogurtu kao što su diacetil i acetoin, što ga čini obećavajućim alatom za čistu etiketu za funkcionalnost i senzorno poboljšanje.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM slike (400k i 2000k uvećanja, skala: 10 μm) neobrađenih (UT) i
ultrazvučno tretirani (T) uzorci proteina graška (PP).
Studija i slika: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Primer: Prednosti ultrazvučno tretiranog proteina konoplje

Ultrazvučna ekstrakcija proteina konoplje nudi nekoliko značajnih prednosti, posebno za valorizaciju odmašćenog otpada od konoplje u sastojke veće vrednosti. U otpremljenoj studiji, ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka poboljšala je ukupni oporavak proteina i čistoću u poređenju sa konvencionalnom ekstrakcijom, pri čemu je najbolji kombinovani proces dostigao oko 62% oporavka proteina i oko 76% čistoće kada je uparen sa prethodnom obradom HE Takođe je poboljšao ekstrakciju aminokiselina preko izolata, što ukazuje na bolji nutritivni prinos, izbegavajući veliko vidljivo oštećenje proteinskih traka na SDS-PAGE. Sve u svemu, nalazi podržavaju ultrazvuk kao zeleniji, efikasniji pristup ekstrakciji koji može skratiti intenzitet obrade i pomoći da se nusproizvodi konoplje u korisnu hranu i nutraceutičke proteinske sastojke.
(cf. Cabral et al. 2023)

Primer: Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata proteina iz pirinčanih mekinja

Ultrazvučna ekstrakcija hidrolizata proteina pirinča nudi jasne funkcionalne prednosti jer ultrazvuk poboljšava oslobađanje proteina iz pirinčanih mekinja narušavanjem ćelijskih struktura i poboljšanjem prenosa mase, čineći ekstrakciju efikasnijom od konvencionalnih pristupa. U studiji, ekstrakcija je uspešno optimizovana u odnosu čvrste / tečne supstance od 0,43, 48,25% amplitude i 29,89 minuta, a enzimska hidroliza uz pomoć ultrazvuka takođe je podržala stvaranje hidrolizata sa jakom bioaktivnošću, uključujući visoku ACE-inhibitornu aktivnost i antioksidativni potencijal. Autori zaključuju da je ultrazvuk efikasna tehnika ne samo za ekstrakciju proteina, već i za ubrzavanje enzimske hidrolize, pomažući u pretvaranju pirinčanih mekinja u bioaktivne proteinske sastojke veće vrednosti.
(cf. Haita et al., 2020)

Prednosti za proizvođače hrane i suplemenata

• Bolji kvalitet proizvoda
  Sonikacija može podržati glatkiju teksturu i osećaj u ustima u tečnim proteinskim proizvodima, poboljšanu homogenost u suspenzijama i premiksima, manje vidljivu sedimentaciju u proteinskim napitcima i konzistentnije funkcionalne performanse u serijama.
• Efikasnija obrada
  Ultrazvuk može intenzivirati obradu ubrzavanjem disperzije i hidratacije i omogućavanjem kontinuiranog inline tretmana. Studija ovsenih proteina izveštava da dizajn protočnih ćelija omogućava veće gustine uprkos visokoj propusnosti mase i stoga može podržati veću efikasnost i veći industrijski značaj od uobičajenog dizajna serije.
• Veća fleksibilnost formulacije
  Sonikacija je korisna za izazovne formulacije biljnih proteina, RTD napitke sa visokim sadržajem proteina, baze dodataka i procese uzvodno od homogenizacije, hidrolize ili sušenja. U radu se navodi relevantnost za biljna pića, kaše i naknadne korake hidrolize.
• Bolji potencijal za povećanje
  Definisani parametri ultrazvuka kao što su amplituda, intenzitet, gustina energije, vreme zadržavanja i prenos procesa podrške povratnog pritiska iz laboratorijskog rada u pilot i industrijsku proizvodnju. Učitana studija stavlja poseban naglasak na ove parametre za dizajniranje skalabilne kontinuirane obrade.

Zašto upotreba Hielscher sonicatora donosi koristi

Hielscher sonicators su atraktivni za preradu proteina jer omogućavaju kontrolisani i ponovljivi ultrazvučni tretman. Za proizvođače, prava prednost nije samo generisanje kavitacije, već i generisanje pod definisanim i skalabilnim uslovima.

• Kontrolisani parametri ultrazvuka
  Hielscher sistemi koji se koriste u studiji omogućili su istraživačima da rade sa definisanim amplitudama, intenzitetima i gustinama energije u režimu šarže i protočnih ćelija. Ovo podržava sistematski razvoj procesa i skaliranje.
• Batch i protok-ćelija sposobnost
  Proizvođači mogu proceniti ultrazvuk u seriji, a zatim krenuti ka kontinuiranoj inline obradi. Postavljeni rad pokazuje da kontinuirana sonikacija protočnih ćelija može nadmašiti šaržni tretman u stabilnosti suspenzije i industrijskom značaju.
• Dizajn procesa za industrijsku propusnost
  Studija pokazuje da su povratni pritisak, vreme zadržavanja i maseni protok važne varijable u kontinuiranoj ultrazvuku. Ovo je važno za proizvođače, jer čini ultrazvučni tretman pravi alat za proces-inženjering, a ne samo laboratorijska tehnika.
• Podrška za teške proteinske sisteme
  U radu se naglašava da je prilagođavanje svojstava proizvoda kao što su veličina čestica, stabilnost suspenzije, rastvorljivost i viskoznost od velikog značaja za suspenzije na bazi biljaka. Takođe napominje da je zvučnim uređajima potreban mali otisak, može da podnese visoke koncentracije čvrstih materija i da ponudi jedinstvenu kombinaciju fizičkih i hemijskih efekata.

 
Tipične aplikacije
Ultrazvučna obrada proteina je relevantna za

• biljno-proteinski napitci na bazi ovsa, graška, soje, pirinča, faba pasulja, ili mešavine;
• mlečni i nemlečni napitci obogaćeni proteinima;
• suspenzije dodataka ishrani i tečni snimci;
• proteinske disperzije pre homogenizacije ili emulgifikacije;
• i premiksi za sušenje raspršivanjem ili dalju funkcionalizaciju.

Ultrazvuk kao skalabilna tehnologija prerade proteina

Sonication pomaže proizvođačima hrane i suplemenata da poboljšaju funkcionalnost proteina gde konvencionalno mešanje često dostiže svoje granice. Intenziviranjem disperzije, smanjenjem veličine čestica, povećanjem rastvorenih proteinskih frakcija i stabilizacijom suspenzija, ultrazvuk može pružiti merljive koristi u kvalitetu proizvoda i efikasnosti procesa. Učitana studija podržava ovu poziciju za koncentrate ovsenih proteina i ukazuje na to da je kontinuirana sonikacija protočnih ćelija posebno obećavajuća za industrijsku preradu.
Hielscher sonicators pružaju praktičan put od laboratorijske izvodljivosti do industrijske implementacije. Njihova upotreba u objavljenom radu na preradi proteina, uključujući i studiju o učitanim ovsenim proteinima, pokazuje kako se ultrazvučni tretman može razviti u kontrolisani i skalabilni proizvodni korak za proizvođače hrane i dodataka ishrani.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.

Литература / Референце