Ультразвукова обробка білка для харчових продуктів та харчових добавок

Ультразвукова обробка - це потужна технологія для поліпшення функціональності, дисперсності, розчинності та стабільності білків, що використовуються в продуктах харчування та харчових добавках. Від рослинних білків, таких як овес, горох, соя, конопля і рис, до молочних білків і змішаних сумішей, високоінтенсивний ультразвук допомагає виробникам оптимізувати білкові системи для кращої обробки і поліпшення характеристик продукту.

При обробці білків ультразвук - це більше, ніж просто засіб для змішування. Належним чином контрольована ультразвукова обробка може зменшити розмір частинок, покращити гідратацію та дисперсію, збільшити частку розчиненого білка та покращити стабільність суспензії. Ці ефекти особливо актуальні для готових до вживання напоїв, білкових концентратів, збагачених продуктів харчування та порошкоподібних добавок. У опублікованому дослідженні 2025 року (Höhme-Matthes et al.), що досліджує ультразвукову обробку вівсяного білка, ультразвукове дослідження збільшило розчинену кількість концентрату вівсяного білка та зменшило нестабільність суспензії, оскільки щільність енергії збільшилася.

Чому ультразвукова обробка білка має значення

Виробники харчових продуктів і добавок часто стикаються з такими проблемами, як погане змочування, неповна гідратація, осадження, висока в'язкість, нестабільні суспензії та непослідовна функціональність. Ці проблеми стають ще більш важливими при виробництві високобілкових, рослинних продуктів та продуктів з чистою етикеткою.
Високоінтенсивний низькочастотний ультразвук генерує акустичну кавітацію в рідинах. Вибух мікроскопічних бульбашок створює локалізовані сили зсуву, турбулентність і мікроперемішування. У білкових системах ці ефекти можуть руйнувати агломерати, зменшувати розмір частинок, покращувати масоперенос і змінювати фізичну організацію багатих на білок суспензій. В результаті білкова система легше піддається обробці і часто має кращі характеристики в готовому продукті.

Як ультразвукова обробка покращує переробку білків у харчовій промисловості

• Покращена дисперсія та гідратація
  Білкові порошки часто гідратуються нерівномірно і утворюють агломерати. Ультразвукова обробка допомагає деагломерації частинок і сприяє більш рівномірному змочуванню, що може скоротити час гідратації і поліпшити подальшу обробку.
• зменшення розміру частинок
  Зменшення розміру частинок часто асоціюється з більш гладким смаком у роті, покращеною поведінкою суспензії та кращим доступом води до білкових поверхонь. У статті про вівсяний білок зроблено висновок, що ультразвук є корисним для промислової переробки рослинного білка з точки зору зменшення розміру частинок.
• Підвищена розчинність білків
  Ультразвукова обробка може збільшити розчинену фракцію білків і поліпшити видиму розчинність у складних системах. У дослідженні вівсяного білка автори повідомляють, що ультразвукове дослідження збільшило розчинену кількість концентрату вівсяного білка, причому розчинність вже приблизно втричі вища при щільності енергії 200 Дж / мл.
• Покращена стабільність підвіски
  Покращуючи дисперсію та зменшуючи нерозчинені фракції частинок, ультразвук допомагає зменшити седиментацію та фазове розділення. У завантаженому документі повідомляється, що ультразвукове дослідження зменшило нестабільність суспензій концентрату вівсяного білка і що безперервна обробка потоку клітин покращила стабільність суспензії при тій же щільності енергії.

Приклад: Переробка вівсяного білка за допомогою ультразвукових апаратів Хільшера

Дослідження 2025 року щодо обробки концентрату вівсяного білка характеризувало як пакетне, так і потокове ультразвукове дослідження з використанням обладнання Hielscher. Дослідники використовували Hielscher UIP1500hdT та Hielscher UP200St у своїх експериментах. Вони виявили, що ультразвукове дослідження збільшило розчинену кількість концентрату вівсяного білка, одночасно зменшуючи нестабільність суспензії зі збільшенням щільності енергії. Вони також виявили, що ультразвукова обробка потокових клітин дозволила підвищити пропускну здатність і запропонувала промислову актуальність порівняно із загальним дизайном партії.
У дослідженні також зроблено висновок, що ультразвук є корисним інструментом у промислових технологічних процесах для концентратів рослинних білків. Це підкреслює покращене зменшення розміру частинок, кращу стабільність суспензії та важливість безперервної ультразвукової обробки в конфігураціях проточних клітин для підвищення ефективності процесу та масштабування.

Приклад: Функціональність білка гороху, покращена ультразвуковою обробкою

Ультразвукова обробка пропонує кілька очевидних переваг для горохових білкових систем: вона покращує дисперсність і розчинність, розбиваючи агрегати і зменшуючи розмір частинок, що може посилити функціональні характеристики в продуктах харчування, не пошкоджуючи засвоюваність білка або біодоступність. У волокнистих композиціях, що містять волокна, ультразвук може також сприяти утворенню корисної білково-волокнистої мережі та, залежно від типу волокна, збільшувати в'язкість та здатність до формування текстури. У ферментованих альтернативах йогурту з горохового білка ультразвук додатково покращив якість продукту, зменшивши ключові сполуки з несмаком, такі як гексанал і 2-пентилфуран, одночасно збільшуючи бажані йогуртоподібні ароматичні сполуки, такі як діацетил і ацетоїн, що робить його перспективним інструментом чистої етикетки як для функціональності, так і для сенсорного поліпшення.
(див. Kalla-Berthold та ін., 2023; Matysek та ін., 2024)

FE-SEM зображення (збільшення 400x та 2000x, масштабна лінійка: 10 мкм) необроблених (UT) та
зразки білка гороху, оброблені ультразвуком (Т).
Дослідження та зображення: ©Kalla-Berthold та ін., 2023

Приклад: Переваги білка конопель, обробленого ультразвуком

Ультразвуковий видобуток конопляного білка пропонує кілька помітних переваг, особливо для підвищення цінності знежирених відходів конопляного насіння у більш цінні інгредієнти. У завантаженому дослідженні екстракція за допомогою ультразвуку покращила загальне відновлення білка та чистоту порівняно зі звичайною екстракцією, причому найкращий комбінований процес досягає близько 62% відновлення білка та близько 76% чистоти в парі з попередньою обробкою ГЕС. Це також покращило екстракцію амінокислот з усіх ізолятів, що свідчить про кращий вихід поживних речовин, при цьому уникнувши значного видимого пошкодження білкових смуг на SDS-PAGE. В цілому, отримані результати підтверджують, що ультразвук є більш екологічним та ефективним методом екстракції, який може скоротити інтенсивність обробки та допомогти перетворити побічні продукти конопель на корисні харчові та нутрицевтичні білкові інгредієнти.
(див. Cabral et al. 2023)

Приклад: Ультразвуковий видобуток білкового гідролізату з рисових висівок

Ультразвуковий видобуток гідролізату рисового білка пропонує чіткі функціональні переваги, оскільки ультразвук покращує вивільнення білка з рисових висівок, порушуючи клітинні структури та посилюючи масообмін, що робить видобуток більш ефективним, ніж традиційні підходи. У дослідженні екстракція була успішно оптимізована при співвідношенні тверда речовина/рідина 0,43, амплітуді 48,25% і тривалості 29,89 хвилин, а ферментативний гідроліз за допомогою ультразвуку також сприяв утворенню гідролізатів з сильною біологічною активністю, включаючи високу АПФ-інгібуючу активність та антиоксидантний потенціал. Автори роблять висновок, що ультразвук є ефективним методом не тільки для екстракції білка, але і для прискорення ферментативного гідролізу, допомагаючи перетворити рисові висівки в більш цінні біологічно активні білкові інгредієнти.
(див. Hayta et al., 2020)

Переваги для виробників харчових продуктів та дієтичних добавок

• Краща якість продукції
  Ультразвукова обробка може підтримувати більш гладку текстуру і смак у рідких білкових продуктах, поліпшену однорідність суспензій і преміксів, менш помітне осідання в білкових напоях і більш стабільну функціональну продуктивність у різних партіях.
• Більш ефективна обробка
  Ультразвук може інтенсифікувати обробку, прискорюючи диспергування та гідратацію, а також забезпечуючи безперервну обробку в потоці. Дослідження вівсяного білка показало, що конструкція проточної комірки забезпечує вищу щільність, незважаючи на високу пропускну здатність, і, отже, може підтримувати вищу ефективність і більшу промислову придатність, ніж звичайна конструкція з періодичним циклом.
• Більша гнучкість рецептур
  Ультразвукова обробка корисна для складних рецептур рослинних білків, напоїв з високим вмістом білка, добавок, а також для процесів, що передують гомогенізації, гідролізу або сушінню. У статті відзначається актуальність для напоїв на рослинній основі, суспензій та наступних етапів гідролізу.
• Кращий потенціал масштабування
  Визначені параметри ультразвукової обробки, такі як амплітуда, інтенсивність, щільність енергії, час перебування та протитиск, підтримують процес переходу від лабораторної роботи до пілотного та промислового виробництва. У завантаженому дослідженні особлива увага приділяється цим параметрам для проектування масштабованої безперервної обробки.

Чому використання ультразвукових апаратів Hielscher приносить переваги

Ультразвукові апарати Hielscher є привабливими для обробки білків, оскільки вони забезпечують контрольовану і відтворювану ультразвукову обробку. Для виробників реальною перевагою є не просто генерування кавітації, а генерування її за визначених і масштабованих умов.

• Контрольовані параметри ультразвукової обробки
  Системи Хільшера, використані в дослідженні, дозволили дослідникам працювати з визначеними амплітудами, інтенсивністю та густиною енергії як в режимі періодичної дії, так і в режимі проточної комірки. Це сприяє систематичному розвитку та масштабуванню процесу.
• Серійні та проточні кювети
  Виробники можуть оцінити ультразвукову обробку в партії, а потім перейти до безперервної вбудованої обробки. Завантажений документ показує, що безперервна ультразвукова обробка клітин може перевершити пакетну обробку в стабільності суспензії та промисловій актуальності.
• Проектування технологічного процесу для промислової продуктивності
  Дослідження показує, що протитиск, час перебування та масовий потік є важливими змінними в безперервній обробці ультразвуком. Це важливо для виробників, оскільки це робить ультразвукову обробку справжнім інструментом інженерії процесів, а не лише лабораторною технікою.
• Підтримка складних білкових систем
  У статті підкреслюється, що пристосування властивостей продукту, таких як розмір частинок, стабільність суспензії, розчинність і в'язкість, має велике значення для суспензій на рослинній основі. Також зазначається, що ультразвукові апарати займають невелику площу, можуть працювати з високими концентраціями твердих речовин і пропонують унікальне поєднання фізичних і хімічних ефектів.

 
Типові застосування
Ультразвукова обробка білка актуальна для

• рослинно-білкові напої на основі вівса, гороху, сої, рису, бобів фаби або їх сумішей;
• збагачені білком молочні та немолочні напої;
• суспензії харчових добавок та рідкі уколи;
• білкові дисперсії перед гомогенізацією або емульгуванням;
• та премікси для розпилювального сушіння або подальшої функціоналізації.

Ультразвук як масштабована технологія обробки білків

Ультразвукова обробка допомагає виробникам харчових продуктів та добавок покращити функціональність білків там, де звичайне змішування часто досягає своїх меж. Посилюючи дисперсію, зменшуючи розмір частинок, збільшуючи розчинені білкові фракції та стабілізуючи суспензії, ультразвук може забезпечити вимірні переваги в якості продукції та ефективності процесу. Завантажене дослідження підтримує цю позицію для концентратів вівсяного білка і вказує на те, що безперервна ультразвукова обробка клітин є особливо перспективною для промислової обробки.
Ультразвукові апарати Hielscher забезпечують практичний шлях від лабораторного обґрунтування до промислового впровадження. Їх використання в опублікованих роботах з обробки білків, включаючи завантажене дослідження вівсяного білка, показує, як ультразвукова обробка може бути перетворена на контрольований і масштабований виробничий етап для виробників продуктів харчування та харчових добавок.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Література / Список літератури