Ультразвукова обробка білків для харчових продуктів і харчових добавок

Ультразвукова обробка – це потужна технологія процесу для покращення функціональності, диспергованості, розчинності та стабільності білків, що використовуються у харчових продуктах і харчових добавках. Від рослинних білків, таких як овес, горох, соя, конопля та рис, до молочних білків і комбінованих рецептур, високоефективний ультразвук допомагає виробникам оптимізувати білкові системи для кращої поведінки під час обробки та покращеної ефективності продукту.

У обробці білків ультразвук – це більше, ніж просто допоміжний засіб для змішування. Правильно контрольована ультразвукова обробка може зменшити розмір частинок, покращити гідратацію та дисперсію, збільшити частку розчиненого білка та покращити стабільність суспензій. Ці ефекти особливо актуальні для готових до вживання напоїв, білкових концентратів, збагачених продуктів і порошкових рецептур добавок. У опублікованому у 2025 році дослідженні (Höhme-Matthes et al.), що вивчало ультразвукову обробку овсяного білка, ультразвукова обробка збільшила кількість розчиненого овсяного білкового концентрату та зменшила нестабільність суспензії зі збільшенням енергетичної щільності.

Чому ультразвукова обробка білків важлива

Виробники харчових продуктів і добавок часто стикаються з такими проблемами, як погане змочування, неповна гідратація, седиментація, висока в’язкість, нестабільні суспензії та невідповідна функціональність. Ці проблеми стають ще важливішими у рецептурах з високим вмістом білка, рослинних та чистих етикетках.
Високоінтенсивний низькочастотний ультразвук генерує акустичну кавітацію в рідинах. Імплозія мікроскопічних бульбашок створює локальні зсувні сили, турбулентність і мікромікшування. У білкових системах ці ефекти можуть руйнувати агломерати, зменшувати розмір частинок, покращувати масоперенесення та змінювати фізичну організацію білково-багатих суспензій. Результатом є білкова система, яку легше обробляти і яка часто демонструє кращі показники у готовому продукті.

Як ультразвукова обробка покращує обробку білків у харчовій промисловості

• Покращена дисперсія та гідратація
  Білкові порошки часто гідратуються нерівномірно та утворюють агломерати. Ультразвукова обробка допомагає деагломерувати частинки та сприяє більш однорідному змочуванню, що може скоротити час гідратації та покращити подальше поводження.
• Зменшення розміру частинок
  Зменшений розмір частинок часто пов’язаний з більш гладким відчуттям у роті, покращеною поведінкою суспензії та кращим доступом води до поверхонь білків. У статті про овсяний білок конкретно зазначається, що ультразвук корисний для промислової обробки рослинних білків з точки зору зменшення розміру частинок.
• Вища розчинність білків
  Ультразвукова обробка може збільшити частку розчинених білків та покращити apparent solubility (видиму розчинність) у складних системах. У дослідженні овсяного білка автори повідомляють, що ультразвукова обробка збільшила кількість розчиненого овсяного білкового концентрату, причому розчинність вже була приблизно втричі вищою при енергетичній щільності 200 J/mL.
• Посилена стабільність суспензії
  Покращуючи дисперсію та зменшуючи частки нерозчинених частинок, ультразвук допомагає зменшити седиментацію та фазове розшарування. У завантаженій статті повідомляється, що ультразвукова обробка зменшила нестабільність суспензій овсяного білкового концентрату, а обробка у проточній комірці безперервної дії сильно покращила стабільність суспензії при тій самій енергетичній щільності.

Приклад: обробка овсяного білка за допомогою ультразвукових апаратів Hielscher

У дослідженні 2025 року щодо переробки концентрату вівсяного білка було охарактеризовано як партійну, так і проточну ультразвукову обробку за допомогою обладнання Hielscher. Дослідники використовували Hielscher UIP1500hdT та Hielscher UP200St у своїх експериментах. Вони виявили, що ультразвукова обробка збільшувала кількість розчиненого концентрату вівсяного білка, водночас зменшуючи нестабільність суспензії зі зростанням енергетичної щільності. Вони також виявили, що проточна ультразвукова обробка забезпечувала вищу продуктивність і пропонувала промислову релевантність порівняно зі звичайною партійною конструкцією.
Дослідження також робить висновок, що ультразвук є корисним інструментом у промислових масштабах для процесів переробки рослинних білкових концентратів. Воно підкреслює покращене зменшення розміру частинок, кращу стабільність суспензії та важливість безперервної ультразвукової обробки в проточних комірках для ефективності процесу та масштабування.

Приклад: Покращена функціональність горохового білка завдяки ультразвуковій обробці

Ультразвукова обробка пропонує кілька чітких переваг для систем горохового білка: вона покращує диспергованість і розчинність, руйнуючи агрегати та зменшуючи розмір частинок, що може посилити функціональні характеристики у харчових продуктах, не пошкоджуючи перетравлюваність або біодоступність білка. У формуляціях, що містять волокна, ультразвук також може сприяти утворенню корисних білково-волоконних мереж і, залежно від типу волокна, збільшувати в’язкість і здатність до формування текстури. У ферментованих альтернативах йогурту на основі горохового білка ультразвук додатково покращив якість продукту, зменшуючи ключові сполуки небажаних присмаків, такі як гексаналь і 2-пентилфуран, одночасно збільшуючи бажані ароматичні сполуки, подібні до йогуртових, такі як діацетил і ацетоїн, що робить його перспективним інструментом «чистої етикетки» як для функціональності, так і для сенсорного покращення.
(див. Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Зображення FE-SEM (збільшення 400x та 2000x, масштабна лінійка: 10 µm) незоброблених (UT) та
зразків горохового білка (PP), оброблених ультразвуком (T).
Дослідження та зображення: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Приклад: Переваги ультразвукової обробки конопляного білка

Ультразвукова екстракція конопляного білка пропонує кілька помітних переваг, особливо для підвищення цінності знежирених відходів насіння конопель у більш цінні інгредієнти. У завантаженому дослідженні ультразвукова екстракція покращила загальне вилучення та чистоту білка порівняно з традиційною екстракцією, причому найкращий комбінований процес досягав приблизно 62% вилучення білка та приблизно 76% чистоти при поєднанні з попередньою обробкою HPP. Вона також покращила екстракцію амінокислот у всіх ізолятах, що свідчить про кращу харчову продуктивність, уникаючи при цьому помітних пошкоджень патернів білкових смуг на SDS-PAGE. Загалом, результати підтверджують, що ультразвук є більш екологічним та ефективним підходом до 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: Ультразвукова екстракція гідролізату білка з рисових висівок

Ультразвукова екстракція гідролізату рисового білка пропонує чіткі функціональні переваги, оскільки ультразвук покращує вивільнення білка з рисових висівок, руйнуючи клітинні структури та посилюючи масоперенесення, що робить екстракцію більш ефективною, ніж традиційні підходи. У дослідженні екстракцію успішно оптимізували при твердому/рідкому співвідношенні 0,43, амплітуді 48,25% та тривалості 29,89 хвилин, а ультразвукова ферментативна гідролізація також сприяла отриманню гідролізатів із сильною біоактивністю, включаючи високу інгібуючу активність щодо АПФ та антиоксидантний потенціал. Автори роблять висновок, що ультразвук є ефективним методом не лише для екстракції білка, а й для прискорення ферментативної гідролізації, допомагаючи перетворювати рисові висівки на більш цінні біоактивні білкові інгредієнти.
(див. Hayta et al., 2020)

Переваги для виробників харчових продуктів та добавок

• Краща якість продукту
  Ультразвукова обробка може забезпечити більш гладку текстуру та відчуття в роті у рідких білкових продуктах, покращену однорідність у суспензіях та преміксах, менш помітну седиментацію в білкових напоях і більш стабільну функціональну ефективність від партії до партії.
• Більш ефективна обробка
  Ультразвук може інтенсифікувати обробку, прискорюючи диспергування та гідратацію, а також забезпечуючи безперервну обробку в потоці. Дослідження протеїну вівса повідомляє, що конструкція проточної комірки дозволяє досягати вищих концентрацій попри високу масову пропускну здатність і тому може забезпечувати вищу ефективність та більшу промислову релевантність, ніж звичайна конструкція для партійної обробки.
• Більша гнучкість формулювання
  Ультразвукова обробка корисна для складних рецептур рослинних білків, готових до вживання (RTD) напоїв з високим вмістом білка, основ для добавок і процесів перед гомогенізацією, гідролізом або сушінням. У статті зазначено релевантність для рослинних напоїв, шламів і наступних етапів гідролізу.
• Кращий потенціал масштабування
  Визначені параметри ультразвукової обробки, такі як амплітуда, інтенсивність, енергетична щільність, час перебування та протитиск, сприяють перенесенню процесу з лабораторних умов на пілотне та промислове виробництво. Завантажене дослідження приділяє особливу увагу цим параметрам для проєктування масштабованого безперервного процесу.

Чому використання ультразвукових обробників Hielscher приносить переваги

Ультразвукові обробники Hielscher є привабливими для обробки білків, оскільки вони забезпечують контрольовану та відтворювану ультразвукову обробку. Для виробників справжня перевага полягає не просто в генерації кавітації, а в її генерації за визначених і масштабованих умов.

• Контрольовані параметри ультразвукової обробки
  Системи Hielscher, використані в дослідженні, дозволили дослідникам працювати з визначеними амплітудами, інтенсивностями та енергетичними щільностями як у партійному, так і в режимі проточної комірки. Це сприяє систематичній розробці процесу та масштабуванню.
• Можливість партійної та проточної обробки
  Виробники можуть оцінювати ультразвукову обробку в партійному режимі, а потім переходити до безперервної обробки в потоці. Завантажена стаття показує, що безперервна ультразвукова обробка в проточній комірці може перевищувати партійну обробку за стабільністю суспензії та промисловою релевантністю.
• Проєктування процесу для промислової пропускної здатності
  Дослідження показує, що протитиск, час перебування та масова витрата є важливими змінними при безперервній ультразвуковій обробці. Це важливо для виробників, оскільки перетворює ультразвукову обробку на справжній інструмент промислової інженерії, а не лише лабораторну техніку.
• Підтримка складних білкових систем
  У статті наголошується, що налаштування властивостей продукту, таких як розмір частинок, стабільність суспензії, розчинність та в’язкість, має велике значення для рослинних суспензій. Також зазначено, що ультразвукові обробники потребують малої площі, можуть обробляти високі концентрації твердих речовин і пропонують унікальне поєднання фізичних і хімічних ефектів.

 
Типові застосування
Ультразвукова обробка білків є релевантною для

• рослинних білкових напоїв на основі вівса, гороху, сої, рису, бобів фаба або їхніх сумішей;
• молочних і немолочних напоїв, збагачених білком;
• суспензій харчових добавок і рідких шотів;
• білкових дисперсій перед гомогенізацією або емульгуванням;
• і преміксів для розпилювального сушіння або подальшої функціоналізації.

Ультразвук як масштабована технологія обробки білків

Ультразвукова обробка допомагає виробникам харчових продуктів і добавок покращити функціональність білків у випадках, коли звичайне змішування часто досягає своїх меж. Інтенсифікуючи диспергування, зменшуючи розмір частинок, збільшуючи частку розчиненого білка та стабілізуючи суспензії, ультразвук може забезпечити вимірювані переваги у якості продукту та ефективності процесу. Завантажене дослідження підтверджує цю позицію для концентратів вівсяного білка та вказує на те, що безперервна ультразвукова обробка в проточній комірці є особливо перспективною для промислового виробництва.
Ультразвукові обробники Hielscher забезпечують практичний шлях від лабораторної доцільності до промислового впровадження. Їх використання у опублікованих роботах з обробки білків, включаючи завантажене дослідження вівсяного білка, демонструє, як ультразвукове оброблення може бути розроблено у контрольований та масштабований виробничий етап для виробників харчових продуктів і добавок.

Наведена нижче таблиця дає вам уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових обробників:

Розробка, виробництво та консалтинг – Якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові обробники Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові обробники у промислові об’єкти. Жорсткі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими обробниками Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим обробникам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Література / Посилання

• 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.