Ultraljudsbehandling av proteiner för livsmedel och kosttillskott

Ultraljudsbehandling är en kraftfull processteknik för att förbättra funktionella egenskaper, dispersibilitet, löslighet och stabilitet hos proteiner som används i livsmedel och kosttillskott. Från växtproteiner som havre, ärta, soja, hampa och ris till mjölkproteiner och blandade formuleringar hjälper högintensivt ultraljud tillverkare att optimera proteinsystem för bättre bearbetningsegenskaper och förbättrad produktprestanda.

Vid proteinbearbetning är ultraljud mer än ett blandningshjälpmedel. Korrekt kontrollerad ultraljudsbehandling kan minska partikelstorleken, förbättra hydrering och dispergering, öka den lösta proteinfraktionen och förbättra suspensionsstabiliteten. Dessa effekter är särskilt relevanta för drickfärdiga drycker, proteinkoncentrat, berikade livsmedel och kosttillskott i pulverform. I en studie publicerad 2025 (Höhme-Matthes et al.) som undersökte ultraljudsbehandling av havreprotein ökade ultraljudsbehandlingen den lösta mängden havreproteinkoncentrat och minskade suspensionens instabilitet när energitätheten ökade.

Varför ultraljudsbehandling av proteiner är viktig

Tillverkare av livsmedel och kosttillskott ställs ofta inför utmaningar som dålig vätning, ofullständig hydrering, sedimentering, hög viskositet, instabila suspensioner och varierande funktionella egenskaper. Dessa problem blir ännu viktigare i proteinrika, växtbaserade och clean label-formuleringar.
Högintensivt, lågfrekvent ultraljud genererar akustisk kavitation i vätskor. Implosionen av mikroskopiska bubblor skapar lokala skjuvkrafter, turbulens och mikroblandning. I proteinsystem kan dessa effekter bryta upp agglomerat, minska partikelstorleken, förbättra massöverföringen och förändra den fysiska organisationen hos proteinrika suspensioner. Resultatet är ett proteinsystem som är lättare att bearbeta och ofta fungerar bättre i den färdiga produkten.

Hur ultraljudsbehandling förbättrar proteinbearbetningen inom livsmedelsindustrin

• Förbättrad dispergering och hydrering
  Proteinpulver hydreras ofta ojämnt och bildar agglomerat. Ultraljudsbehandling hjälper till att deagglomerera partiklar och främjar jämnare vätning, vilket kan förkorta hydreringstiderna och förbättra hanteringen i efterföljande processteg.
• Minskning av partikelstorleken
  Minskad partikelstorlek förknippas ofta med en mjukare munkänsla, förbättrade suspensionsegenskaper och bättre tillgång till proteinytorna för vatten. I artikeln om havreprotein dras specifikt slutsatsen att ultraljud är användbart för bearbetning av växtproteiner i industriell skala med avseende på minskning av partikelstorleken.
• Högre proteinlöslighet
  Ultraljudsbehandling kan öka den lösta fraktionen av proteiner och förbättra den skenbara lösligheten i svårhanterliga system. I studien om havreprotein rapporterar författarna att ultraljudsbehandling ökade den lösta mängden havreproteinkoncentrat, med en löslighet som var cirka tre gånger högre redan vid en energitäthet på 200 J/mL.
• Förbättrad suspensionsstabilitet
  Genom att förbättra dispergeringen och minska fraktionerna av olösta partiklar bidrar ultraljud till att minska sedimentering och fasseparation. Den uppladdade artikeln rapporterar att ultraljudsbehandling minskade instabiliteten hos suspensioner av havreproteinkoncentrat och att kontinuerlig behandling i en flödescell avsevärt förbättrade suspensionsstabiliteten vid samma energitäthet.

Exempel: Bearbetning av havreprotein med ultraljudsapparater från Hielscher

En studie från 2025 om bearbetning av havreproteinkoncentrat karakteriserade ultraljudsbehandling både satsvis och i flödescell med utrustning från Hielscher. Forskarna använde en Hielscher UIP1500hdT och en Hielscher UP200St i sina försök. De fann att ultraljudsbehandling ökade den upplösta mängden havreproteinkoncentrat samtidigt som suspensionens instabilitet minskade med ökande energitäthet. De fann också att ultraljudsbehandling i flödescell möjliggjorde högre genomströmning och var industriellt relevant jämfört med en vanlig satsvis processutformning.
Studien drar vidare slutsatsen att ultraljud är ett användbart verktyg i processtillämpningar i industriell skala för växtproteinkoncentrat. Den lyfter fram förbättrad partikelstorleksreduktion, bättre suspensionsstabilitet och betydelsen av kontinuerlig ultraljudsbehandling i flödescellskonfigurationer för processeffektivitet och uppskalning.

Exempel: Förbättrad funktionalitet hos ärtprotein genom ultraljudsbehandling

Ultraljudsbearbetning erbjuder flera tydliga fördelar för ärtproteinsystem: den förbättrar dispergerbarheten och lösligheten genom att bryta ned aggregat och minska partikelstorleken, vilket kan förbättra de funktionella egenskaperna i livsmedel utan att försämra proteinets smältbarhet eller biotillgänglighet vid matsmältningen. I fiberhaltiga formuleringar kan ultraljud också främja bildandet av användbara nätverk mellan protein och fiber och, beroende på fibertyp, öka viskositeten och förmågan att bygga upp textur. I fermenterade yoghurtalternativ baserade på ärtprotein förbättrade ultraljud dessutom produktkvaliteten genom att minska viktiga ämnen som orsakar bismak, såsom hexanal och 2-pentylfuran, samtidigt som önskvärda yoghurtliknande aromämnen såsom diacetyl och acetoin ökade. Detta gör ultraljud till ett lovande verktyg för clean label-produkter, både för att förbättra funktionaliteten och de sensoriska egenskaperna.
(jfr Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

FE-SEM-bilder (400x och 2000x förstoring, skalstreck: 10 µm) av obehandlade (UT) och
ultraljudsbehandlade (T) ärtproteinprover (PP).
Studie och bild: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Exempel: Fördelar med ultraljudsbehandlat hampaprotein

Ultraljudsextraktion av hampaprotein erbjuder flera betydande fördelar, särskilt för att förädla avfettat hampfröavfall till ingredienser med högre värde. I den uppladdade studien förbättrade ultraljudsassisterad extraktion det totala proteinutbytet och renheten jämfört med konventionell extraktion. Den bästa kombinerade processen uppnådde ett proteinutbyte på cirka 62% och en renhet på cirka 76% när den kombinerades med en HPP-förbehandling. Den förbättrade också extraktionen av aminosyror i samtliga isolat, vilket tyder på ett bättre näringsmässigt utbyte, samtidigt som större synliga skador på proteinbandmönstren vid SDS-PAGE undveks. Sammantaget stöder resultaten ultraljud som en miljövänligare och effektivare extraktionsmetod som kan minska bearbetningsintensiteten och bidra till att omvandla biprodukter från hampa till användbara proteiningredienser för livsmedel och nutraceutiska produkter.
(jfr Cabral et al. 2023)

Exempel: Ultraljudsextraktion av proteinhydrolysat från riskli

Ultraljudsextraktion av risproteinhydrolysat erbjuder tydliga funktionella fördelar eftersom ultraljud förbättrar frisättningen av protein från riskli genom att bryta upp cellstrukturer och förbättra massöverföringen, vilket gör extraktionen effektivare än konventionella metoder. I studien optimerades extraktionen framgångsrikt vid ett förhållande mellan fast material och vätska på 0,43, en amplitud på 48,25% och en tid på 29,89 minuter. Ultraljudsassisterad enzymatisk hydrolys bidrog också till framställningen av hydrolysat med stark bioaktivitet, inklusive hög ACE-hämmande aktivitet och antioxidantpotential. Författarna drar slutsatsen att ultraljud är en effektiv teknik inte bara för proteinextraktion utan också för att påskynda enzymatisk hydrolys, vilket bidrar till att omvandla riskli till bioaktiva proteiningredienser med högre värde.
(jfr Hayta et al., 2020)

Fördelar för tillverkare av livsmedel och kosttillskott

• Bättre produktkvalitet
  Ultraljudsbehandling kan bidra till jämnare konsistens och munkänsla i flytande proteinprodukter, förbättrad homogenitet i suspensioner och förblandningar, mindre synlig sedimentering i proteindrycker och mer enhetliga funktionella egenskaper mellan satser.
• Effektivare bearbetning
  Ultraljud kan intensifiera bearbetningen genom att påskynda dispergering och hydrering och möjliggöra kontinuerlig inlinebehandling. Studien om havreprotein rapporterar att genomströmningscellens utformning möjliggör högre densiteter trots hög massgenomströmning och därför kan bidra till högre effektivitet och större industriell relevans än en vanlig satsvis utformning.
• Större flexibilitet vid formulering
  Ultraljudsbehandling är användbar för krävande växtproteinformuleringar, drickfärdiga drycker med hög proteinhalt, baser för kosttillskott och processer före homogenisering, hydrolys eller torkning. Artikeln framhåller relevansen för växtbaserade drycker, slurryer och efterföljande hydrolyssteg.
• Bättre uppskalningspotential
  Definierade parametrar för ultraljudsbehandling, såsom amplitud, intensitet, energitäthet, uppehållstid och mottryck, underlättar processöverföring från laboratoriearbete till pilotproduktion och industriell produktion. Den uppladdade studien lägger särskild vikt vid dessa parametrar vid utformning av skalbar kontinuerlig bearbetning.

Varför användningen av Hielschers ultraljudsapparater ger fördelar

Hielschers ultraljudsapparater är attraktiva för proteinbearbetning eftersom de möjliggör kontrollerad och reproducerbar ultraljudsbehandling. För tillverkarna ligger den verkliga fördelen inte bara i att generera kavitation, utan i att generera den under definierade och skalbara förhållanden.

• Kontrollerade parametrar för ultraljudsbehandling
  De Hielscher-system som användes i studien gjorde det möjligt för forskarna att arbeta med definierade amplituder, intensiteter och energitätheter både satsvis och i genomströmningscell. Detta stöder systematisk processutveckling och uppskalning.
• Möjlighet till satsvis behandling och behandling i genomströmningscell
  Tillverkare kan utvärdera ultraljudsbehandling satsvis och sedan gå vidare mot kontinuerlig inlinebearbetning. Den uppladdade artikeln visar att kontinuerlig ultraljudsbehandling i genomströmningscell kan överträffa satsvis behandling när det gäller suspensionsstabilitet och industriell relevans.
• Processutformning för industriell genomströmning
  Studien visar att mottryck, uppehållstid och massflöde är viktiga variabler vid kontinuerlig ultraljudsbehandling. Detta har betydelse för tillverkare eftersom det gör ultraljudsbehandling till ett verkligt processtekniskt verktyg snarare än enbart en laboratorieteknik.
• Stöd för svårhanterliga proteinsystem
  Artikeln betonar att det är av stor betydelse för växtbaserade suspensioner att anpassa produktegenskaper såsom partikelstorlek, suspensionsstabilitet, löslighet och viskositet. Den framhåller också att ultraljudsapparater kräver liten installationsyta, kan hantera höga halter av fasta ämnen och erbjuder en unik kombination av fysikaliska och kemiska effekter.

 
Typiska tillämpningar
Proteinbearbetning med ultraljud är relevant för

• växtproteindrycker baserade på havre, ärta, soja, ris, åkerböna eller blandningar;
• proteinberikade mjölkbaserade och mjölkfria drycker;
• kosttillskott i form av suspensioner och flytande shots;
• proteindispersioner före homogenisering eller emulgering;
• och förblandningar för spraytorkning eller vidare funktionalisering.

Ultraljud som skalbar teknik för proteinbearbetning

Ultraljudsbehandling hjälper livsmedels- och kosttillskottstillverkare att förbättra proteiners funktionella egenskaper där enbart konventionell blandning ofta når sina gränser. Genom att intensifiera dispergeringen, minska partikelstorleken, öka andelen löst protein och stabilisera suspensioner kan ultraljud ge mätbara fördelar för produktkvaliteten och processeffektiviteten. Den uppladdade studien stöder detta för havreproteinkoncentrat och visar att kontinuerlig ultraljudsbehandling i flödescell är särskilt lovande för industriell bearbetning.
Hielschers ultraljudsapparater erbjuder en praktisk väg från genomförbarhetsstudier i laboratoriet till industriell implementering. Deras användning i publicerade arbeten om proteinbearbetning, inklusive den uppladdade havreproteinstudien, visar hur ultraljudsbehandling kan utvecklas till ett kontrollerat och skalbart produktionssteg för tillverkare av livsmedel och kosttillskott.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör det möjligt att smidigt integrera våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar utan problem tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser

• 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.