Ултразвучна обрада протеина за храну и додатке исхрани

Соникација је моћна процесна технологија за побољшање функционалности, дисперзибилности, растворљивости и стабилности протеина који се користе у храни и додацима исхрани. Од биљних протеина, као што су протеини овса, грашка, соје, конопље и пиринча, до млечних протеина и мешовитих формулација, ултразвук високог интензитета помаже произвођачима да оптимизују протеинске системе ради бољег понашања током обраде и побољшаних својстава производа.

У обради протеина, ултразвук је више од помоћног средства за мешање. Правилно контролисана соникација може да смањи величину честица, побољша хидратацију и дисперговање, повећа удео растворених протеина и побољша стабилност суспензије. Ови ефекти су посебно значајни за напитке спремне за конзумирање, протеинске концентрате, обогаћену храну и формулације додатака исхрани у праху. У студији објављеној 2025. године (Höhme-Matthes et al.), у којој је испитивана ултразвучна обрада протеина овса, ултразвучни третман је повећао количину раствореног концентрата протеина овса и смањио нестабилност суспензије са повећањем густине енергије.

Зашто је ултразвучна обрада протеина важна

Произвођачи хране и додатака исхрани често се суочавају са изазовима као што су слабо квашење, непотпуна хидратација, седиментација, висока вискозност, нестабилне суспензије и неуједначена функционалност. Ови проблеми постају још значајнији код формулација са високим садржајем протеина, формулација на биљној основи и формулација са једноставним и јасно декларисаним саставом.
Ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције ствара акустичку кавитацију у течностима. Имплозија микроскопских мехурића ствара локализоване силе смицања, турбуленцију и микромешање. У протеинским системима ови ефекти могу да разбију агломерате, смање величину честица, побољшају пренос масе и измене физичку организацију суспензија богатих протеинима. Резултат је протеински систем који се лакше обрађује и често има боља својства у готовом производу.

Како соникација побољшава обраду протеина у прехрамбеној индустрији

• Побољшано дисперговање и хидратација
  Протеински прахови често се неравномерно хидрирају и формирају агломерате. Соникација помаже у деагломерацији честица и подстиче равномерније квашење, што може да скрати време хидратације и побољша руковање у наредним фазама.
• Смањење величине честица
  Смањена величина честица често је повезана са глаткијим осећајем у устима, побољшаним понашањем суспензије и бољим приступом воде површинама протеина. У раду о протеинима овса изричито се закључује да је ултразвук користан за обраду биљних протеина у индустријским размерама у погледу смањења величине честица.
• Већа растворљивост протеина
  Соникација може да повећа удео растворених протеина и побољша привидну растворљивост у захтевним системима. У студији о протеинима овса аутори наводе да је ултразвучни третман повећао количину раствореног концентрата протеина овса, при чему је растворљивост већ при густини енергије од 200 J/mL била око три пута већа.
• Побољшана стабилност суспензије
  Побољшавањем дисперговања и смањивањем удела нерастворених честица, ултразвук помаже у смањењу седиментације и раздвајања фаза. У приложеном раду наводи се да је ултразвучни третман смањио нестабилност суспензија концентрата протеина овса и да је континуирани третман у проточној ћелији знатно побољшао стабилност суспензије при истој густини енергије.

Пример: Обрада протеина овса помоћу соникатора Hielscher

У студији из 2025. године о преради концентрата протеина овса окарактерисана је и шаржна ултразвучна обрада и ултразвучна обрада у проточној ћелији уз употребу опреме Hielscher. Истраживачи су у својим експериментима користили Hielscher UIP1500hdT и Hielscher UP200St. Утврдили су да је ултразвучна обрада повећала растворену количину концентрата протеина овса, док се нестабилност суспензије смањивала са повећањем густине енергије. Такође су утврдили да је соникација у проточној ћелији омогућила већи капацитет обраде и била значајнија за индустријску примену у поређењу са уобичајеном шаржном конфигурацијом.
У студији се даље закључује да је ултразвук користан алат у индустријским процесима прераде концентрата биљних протеина. Истичу се ефикасније смањење величине честица, боља стабилност суспензије и значај континуиране соникације у конфигурацијама са проточним ћелијама за ефикасност процеса и повећање размере производње.

Пример: Побољшање функционалности протеина грашка соникацијом

Ултразвучна обрада пружа неколико јасних предности за системе са протеинима грашка: побољшава дисперзибилност и растворљивост разбијањем агрегата и смањењем величине честица, што може побољшати функционална својства у храни без нарушавања сварљивости или биоприступачности протеина. У формулацијама које садрже влакна ултразвук такође може подстаћи стварање корисних мрежа протеина и влакана и, у зависности од врсте влакана, повећати вискозност и способност формирања текстуре. У ферментисаним алтернативама јогурту на бази протеина грашка ултразвук је додатно побољшао квалитет производа смањењем садржаја кључних једињења која узрокују непожељну арому, као што су хексанал и 2-пентилфуран, уз истовремено повећање садржаја пожељних једињења са аромом налик јогурту, као што су диацетил и ацетоин, што га чини обећавајућим алатом за формулације са једноставном декларацијом састојака, како за побољшање функционалности тако и сензорних својстава.
(cf. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM снимци (увећања 400x и 2000x, ознака размере: 10 µm) нетретираних (UT) и
ултразвучно третираних (T) узорака протеина грашка (PP).
Студија и слика: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Пример: Предности ултразвучно третираних протеина конопље

Ултразвучна екстракција протеина конопље пружа неколико значајних предности, нарочито за претварање обезмашћеног отпада семена конопље у састојке веће вредности. У приложеној студији екстракција потпомогнута ултразвуком побољшала је укупно искоришћење протеина и њихову чистоћу у поређењу са конвенционалном екстракцијом, при чему је најбољи комбиновани процес достигао око 62% искоришћења протеина и око 76% чистоће када је укључивао предтретман високим притиском (HPP). Такође је побољшала екстракцију аминокиселина у свим изолатима, што указује на боље нутритивно искоришћење, без већих видљивих оштећења образаца протеинских трака на SDS-PAGE. У целини, налази подржавају ултразвук као еколошки прихватљивији и ефикаснији приступ екстракцији који може смањити интензитет обраде и помоћи у претварању споредних производа конопље у корисне протеинске састојке за храну и нутрацеутике.
(cf. Cabral et al. 2023)

Пример: Ултразвучна екстракција протеинског хидролизата из пиринчаних мекиња

Ултразвучна екстракција хидролизата протеина пиринча пружа јасне функционалне предности јер ултразвук побољшава ослобађање протеина из пиринчаних мекиња нарушавањем ћелијских структура и поспешивањем преноса масе, чиме екстракција постаје ефикаснија у односу на конвенционалне приступе. У студији је екстракција успешно оптимизована при односу чврсте и течне фазе од 0,43, амплитуди од 48,25% и трајању од 29,89 минута, а ензимска хидролиза потпомогнута ултразвуком такође је подржала добијање хидролизата са израженом биоактивношћу, укључујући високу активност инхибиције ACE и антиоксидативни потенцијал. Аутори закључују да је ултразвук ефикасна техника не само за екстракцију протеина већ и за убрзавање ензимске хидролизе, чиме помаже претварању пиринчаних мекиња у биоактивне протеинске састојке веће вредности.
(cf. Hayta et al., 2020)

Предности за произвођаче хране и додатака исхрани

• Бољи квалитет производа
  Соникација може допринети глаткијој текстури и пријатнијем осећају у устима код течних протеинских производа, бољој хомогености суспензија и предмешавина, мање видљивом таложењу у протеинским напицима и уједначенијим функционалним својствима између производних шаржи.
• Ефикаснија обрада
  Ултразвук може интензивирати обраду убрзавањем дисперговања и хидратације и омогућавањем континуираног третмана у проточној линији. Студија о протеинима овса наводи да конструкција проточне ћелије омогућава веће густине упркос великом масеном капацитету обраде и стога може допринети већој ефикасности и већој релевантности за индустријску примену него уобичајена шаржна конструкција.
• Већа флексибилност формулација
  Соникација је корисна за захтевне формулације са биљним протеинима, напитке са високим садржајем протеина спремне за пиће (RTD), базе за додатке исхрани и процесе који претходе хомогенизацији, хидролизи или сушењу. Рад указује на значај за биљне напитке, густе суспензије и накнадне кораке хидролизе.
• Већи потенцијал за повећање размера процеса
  Дефинисани параметри соникације, као што су амплитуда, интензитет, густина енергије, време задржавања и противпритисак, подржавају пренос процеса из лабораторијског рада у пилотску и индустријску производњу. Приложена студија посебно наглашава ове параметре при пројектовању континуиране обраде чије се размере могу повећавати.

Зашто употреба соникатора Hielscher доноси предности

Соникатори Hielscher привлачни су за обраду протеина јер омогућавају контролисан и поновљив ултразвучни третман. За произвођаче, права предност није само стварање кавитације, већ њено стварање у дефинисаним условима који се могу остварити и при повећању размера процеса.

• Контролисани параметри соникације
  Системи Hielscher коришћени у студији омогућили су истраживачима да раде са дефинисаним амплитудама, интензитетима и густинама енергије, како у шаржном режиму тако и у режиму рада са проточном ћелијом. То подржава систематски развој процеса и повећање његових размера.
• Могућност шаржног рада и рада са проточном ћелијом
  Произвођачи могу проценити соникацију у шаржном режиму, а затим прећи на континуирану обраду у проточној линији. Приложени рад показује да континуирана соникација у проточној ћелији може надмашити шаржни третман у погледу стабилности суспензије и релевантности за индустријску примену.
• Пројектовање процеса за индустријски капацитет обраде
  Студија показује да су противпритисак, време задржавања и масени проток важне променљиве у континуираној соникацији. То је значајно за произвођаче јер ултразвучни третман чини правим алатом процесног инжењерства, а не само лабораторијском техником.
• Подршка за захтевне протеинске системе
  Рад наглашава да је прилагођавање својстава производа, као што су величина честица, стабилност суспензије, растворљивост и вискозност, од великог значаја за биљне суспензије. Такође наводи да соникатори заузимају мало простора, могу да обрађују високе концентрације чврсте материје и нуде јединствену комбинацију физичких и хемијских ефеката.

 
Типичне примене
Ултразвучна обрада протеина релевантна је за

• напитке са биљним протеинима на бази овса, грашка, соје, пиринча, боба или мешавина;
• млечне и немлечне напитке обогаћене протеинима;
• суспензије додатака исхрани и течне препарате у појединачним дозама;
• протеинске дисперзије пре хомогенизације или емулговања;
• и предмешавине за сушење распршивањем или даљу функционализацију.

Ултразвук као технологија обраде протеина чије се размере могу повећавати

Соникација помаже произвођачима хране и додатака исхрани да побољшају функционалност протеина тамо где само конвенционално мешање често достиже своја ограничења. Интензивирањем дисперговања, смањењем величине честица, повећањем удела растворених протеина и стабилизацијом суспензија, ултразвук може донети мерљиве користи за квалитет производа и ефикасност процеса. Приложена студија поткрепљује овај став за концентрате протеина овса и указује на то да континуирана соникација у проточној ћелији посебно обећава у индустријској преради.
Соникатори Hielscher пружају практичан пут од утврђивања изводљивости у лабораторији до индустријске примене. Њихова употреба у објављеним радовима о преради протеина, укључујући приложену студију о протеинима овса, показује како се ултразвучни третман може развити у контролисану производну фазу која се може пренети на већи обим производње за произвођаче хране и додатака исхрани.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Пројектовање, производња и консалтинг – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна радна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу коришћења. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усклађени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.