Xử lý protein bằng siêu âm cho thực phẩm và sản phẩm bổ sung dinh dưỡng

Xử lý bằng siêu âm là một công nghệ xử lý mạnh mẽ giúp cải thiện các đặc tính chức năng, khả năng phân tán, độ hòa tan và độ ổn định của protein dùng trong thực phẩm và sản phẩm bổ sung dinh dưỡng. Từ protein thực vật như yến mạch, đậu Hà Lan, đậu nành, gai dầu và gạo đến protein sữa và các công thức phối trộn, siêu âm cường độ cao giúp nhà sản xuất tối ưu hóa các hệ protein để cải thiện đặc tính trong quá trình xử lý và hiệu quả của sản phẩm.

Trong xử lý protein, siêu âm có vai trò vượt xa việc hỗ trợ trộn. Xử lý siêu âm được kiểm soát đúng cách có thể giảm kích thước hạt, cải thiện khả năng hydrat hóa và phân tán, tăng tỷ phần protein hòa tan và cải thiện độ ổn định của huyền phù. Những tác động này đặc biệt phù hợp với đồ uống pha sẵn, protein cô đặc, thực phẩm tăng cường dinh dưỡng và các công thức sản phẩm bổ sung dạng bột. Trong một nghiên cứu công bố năm 2025 (Höhme-Matthes và cộng sự) về xử lý protein yến mạch bằng siêu âm, xử lý siêu âm đã làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc hòa tan và giảm tính bất ổn định của huyền phù khi mật độ năng lượng tăng.

Vì sao xử lý protein bằng siêu âm có vai trò quan trọng

Các nhà sản xuất thực phẩm và sản phẩm bổ sung thường gặp những thách thức như khả năng thấm ướt kém, hydrat hóa không hoàn toàn, lắng cặn, độ nhớt cao, huyền phù không ổn định và các đặc tính chức năng không đồng nhất. Những vấn đề này càng trở nên quan trọng hơn trong các công thức giàu protein, có nguồn gốc thực vật và có nhãn sạch.
Siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra hiện tượng xâm thực âm học trong chất lỏng. Sự sụp đổ của các bọt khí cực nhỏ tạo ra lực cắt cục bộ, dòng chảy rối và sự trộn ở cấp độ vi mô. Trong các hệ protein, những tác động này có thể phá vỡ các khối kết tụ, giảm kích thước hạt, cải thiện quá trình truyền khối và thay đổi cấu trúc vật lý của huyền phù giàu protein. Kết quả là hệ protein dễ xử lý hơn và thường thể hiện các đặc tính tốt hơn trong thành phẩm.

Siêu âm cải thiện quá trình xử lý protein trong ngành thực phẩm như thế nào

• Cải thiện khả năng phân tán và hydrat hóa
  Bột protein thường hydrat hóa không đồng đều và tạo thành các khối kết tụ. Xử lý siêu âm giúp phá vỡ các khối kết tụ hạt và thúc đẩy quá trình thấm ướt đồng đều hơn, nhờ đó có thể rút ngắn thời gian hydrat hóa và cải thiện việc xử lý ở các công đoạn tiếp theo.
• Giảm kích thước hạt
  Kích thước hạt nhỏ hơn thường đi kèm với cảm giác mịn hơn trong miệng, đặc tính huyền phù được cải thiện và khả năng nước tiếp cận bề mặt protein tốt hơn. Bài báo về protein yến mạch kết luận cụ thể rằng siêu âm hữu ích trong việc giảm kích thước hạt khi xử lý protein thực vật ở quy mô công nghiệp.
• Độ hòa tan của protein cao hơn
  Xử lý siêu âm có thể tăng tỷ phần protein hòa tan và cải thiện độ hòa tan biểu kiến trong các hệ khó xử lý. Trong nghiên cứu về protein yến mạch, các tác giả báo cáo rằng xử lý siêu âm làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc hòa tan, với độ hòa tan đã cao hơn khoảng ba lần ở mật độ năng lượng 200 J/mL.
• Tăng độ ổn định của huyền phù
  Bằng cách cải thiện khả năng phân tán và giảm tỷ phần hạt chưa hòa tan, siêu âm giúp giảm lắng cặn và phân tách pha. Bài báo được tải lên báo cáo rằng xử lý siêu âm đã làm giảm tính bất ổn định của huyền phù protein yến mạch cô đặc và việc xử lý liên tục trong buồng dòng chảy đã cải thiện đáng kể độ ổn định của huyền phù ở cùng mật độ năng lượng.

Ví dụ: Xử lý protein yến mạch bằng thiết bị siêu âm Hielscher

Một nghiên cứu năm 2025 về xử lý protein yến mạch cô đặc đã mô tả đặc tính của quá trình xử lý siêu âm theo mẻ và trong buồng dòng chảy bằng thiết bị Hielscher. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Hielscher UIP1500hdT và Hielscher UP200St trong các thí nghiệm. Họ nhận thấy rằng xử lý siêu âm làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc được hòa tan, đồng thời giảm tính không ổn định của huyền phù khi mật độ năng lượng tăng. Họ cũng nhận thấy rằng xử lý siêu âm trong buồng dòng chảy cho phép đạt năng suất xử lý cao hơn và phù hợp với ứng dụng công nghiệp hơn so với thiết kế xử lý theo mẻ thông thường.
Nghiên cứu còn kết luận rằng siêu âm là một công cụ hữu ích trong các ứng dụng xử lý protein thực vật cô đặc ở quy mô công nghiệp. Nghiên cứu nhấn mạnh khả năng giảm kích thước hạt hiệu quả hơn, độ ổn định huyền phù tốt hơn và tầm quan trọng của xử lý siêu âm liên tục trong các cấu hình buồng dòng chảy đối với hiệu suất quy trình và việc mở rộng quy mô.

Ví dụ: Cải thiện tính chất chức năng của protein đậu Hà Lan bằng xử lý siêu âm

Xử lý siêu âm mang lại một số lợi ích rõ rệt cho các hệ protein đậu Hà Lan: phương pháp này cải thiện khả năng phân tán và độ hòa tan bằng cách phá vỡ các tập hợp hạt và giảm kích thước hạt, qua đó có thể nâng cao hiệu quả chức năng trong thực phẩm mà không làm suy giảm khả năng tiêu hóa hoặc khả năng tiếp cận sinh học của protein. Trong các công thức chứa chất xơ, siêu âm cũng có thể thúc đẩy sự hình thành mạng lưới protein–chất xơ có lợi và, tùy thuộc vào loại chất xơ, làm tăng độ nhớt và khả năng tạo cấu trúc. Trong các sản phẩm lên men thay thế sữa chua làm từ protein đậu Hà Lan, siêu âm còn cải thiện chất lượng sản phẩm bằng cách giảm các hợp chất chính gây mùi không mong muốn như hexanal và 2-pentylfuran, đồng thời tăng các hợp chất tạo hương giống sữa chua được mong muốn như diacetyl và acetoin. Nhờ đó, siêu âm trở thành một công cụ đầy triển vọng để cải thiện cả tính chất chức năng lẫn chất lượng cảm quan theo hướng nhãn sạch.
(xem Kalla-Berthold et al., 2023; Matysek et al., 2024)

Ảnh FE-SEM (độ phóng đại 400x và 2000x, thanh tỷ lệ: 10 µm) của các mẫu protein đậu Hà Lan chưa xử lý (UT) và
đã xử lý bằng siêu âm (T) (PP).
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Kalla-Berthold et al., 2023

Ví dụ: Ưu điểm của protein gai dầu được xử lý bằng siêu âm

Chiết xuất protein gai dầu bằng siêu âm mang lại một số lợi ích đáng chú ý, đặc biệt trong việc tận dụng phế liệu hạt gai dầu đã khử béo để tạo ra các thành phần có giá trị cao hơn. Trong nghiên cứu được tải lên, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm đã cải thiện khả năng thu hồi protein tổng thể và độ tinh khiết so với chiết xuất thông thường; quy trình kết hợp tốt nhất đạt tỷ lệ thu hồi protein khoảng 62% và độ tinh khiết khoảng 76% khi kết hợp với bước tiền xử lý bằng áp suất cao (HPP). Phương pháp này cũng tăng cường chiết xuất axit amin trong các chế phẩm protein phân lập, cho thấy hiệu suất thu hồi chất dinh dưỡng tốt hơn, đồng thời tránh gây hư hại lớn có thể quan sát được đối với hình thái các băng protein trên SDS-PAGE. Nhìn chung, các phát hiện ủng hộ siêu âm như một phương pháp chiết xuất thân thiện với môi trường hơn và hiệu quả hơn, có thể giảm cường độ xử lý và giúp chuyển các phụ phẩm gai dầu thành những thành phần protein hữu ích cho thực phẩm và sản phẩm dinh dưỡng hỗ trợ sức khỏe.
(xem Cabral et al. 2023)

Ví dụ: Chiết xuất protein thủy phân từ cám gạo bằng siêu âm

Chiết xuất protein gạo thủy phân bằng siêu âm mang lại những ưu điểm rõ rệt về tính chất chức năng vì siêu âm cải thiện sự giải phóng protein từ cám gạo bằng cách phá vỡ cấu trúc tế bào và tăng cường truyền khối, giúp chiết xuất hiệu quả hơn các phương pháp thông thường. Trong nghiên cứu, quá trình chiết xuất đã được tối ưu hóa thành công ở tỷ lệ rắn/lỏng 0,43, biên độ 48,25% và thời gian 29,89 phút; quá trình thủy phân bằng enzym có hỗ trợ siêu âm cũng hỗ trợ tạo ra các sản phẩm thủy phân có hoạt tính sinh học mạnh, bao gồm hoạt tính ức chế ACE cao và tiềm năng chống oxy hóa. Các tác giả kết luận rằng siêu âm là một kỹ thuật hiệu quả không chỉ để chiết xuất protein mà còn để đẩy nhanh quá trình thủy phân bằng enzym, giúp chuyển cám gạo thành các thành phần protein có hoạt tính sinh học với giá trị cao hơn.
(xem Hayta et al., 2020)

Lợi ích cho các nhà sản xuất thực phẩm và thực phẩm bổ sung

• Chất lượng sản phẩm tốt hơn
  Xử lý bằng siêu âm có thể giúp các sản phẩm protein dạng lỏng có kết cấu và cảm giác trong miệng mượt mà hơn, cải thiện độ đồng nhất của huyền phù và hỗn hợp trộn sẵn, giảm hiện tượng lắng cặn nhìn thấy được trong đồ uống protein và giúp các đặc tính chức năng ổn định hơn giữa các mẻ.
• Xử lý hiệu quả hơn
  Siêu âm có thể tăng cường quá trình xử lý bằng cách đẩy nhanh sự phân tán và hydrat hóa, đồng thời cho phép xử lý liên tục trên đường ống. Nghiên cứu về protein yến mạch báo cáo rằng thiết kế buồng dòng chảy cho phép đạt mật độ cao hơn ngay cả khi năng suất xử lý theo khối lượng cao, nhờ đó có thể mang lại hiệu quả cao hơn và tính phù hợp với ứng dụng công nghiệp lớn hơn so với thiết kế xử lý theo mẻ thông thường.
• Linh hoạt hơn trong xây dựng công thức
  Xử lý bằng siêu âm hữu ích cho các công thức protein thực vật khó xử lý, đồ uống uống liền (RTD) có hàm lượng protein cao, hỗn hợp nền cho sản phẩm bổ sung dinh dưỡng và các công đoạn trước khi đồng hóa, thủy phân hoặc sấy. Bài báo ghi nhận tính phù hợp đối với đồ uống có nguồn gốc thực vật, hỗn hợp sệt và các bước thủy phân tiếp theo.
• Tiềm năng mở rộng quy mô tốt hơn
  Các thông số xử lý bằng siêu âm được xác định rõ như biên độ, cường độ, mật độ năng lượng, thời gian lưu và áp suất ngược hỗ trợ chuyển giao quy trình từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang sản xuất ở quy mô thí điểm và công nghiệp. Nghiên cứu được tải lên đặc biệt nhấn mạnh các thông số này khi thiết kế quy trình xử lý liên tục có khả năng mở rộng quy mô.

Vì sao sử dụng máy siêu âm Hielscher mang lại lợi ích

Máy siêu âm Hielscher là lựa chọn hấp dẫn cho việc xử lý protein vì cho phép xử lý bằng siêu âm có kiểm soát và có khả năng tái lập. Đối với nhà sản xuất, lợi thế thực sự không chỉ là tạo ra hiện tượng xâm thực mà còn là tạo ra hiện tượng này trong các điều kiện được xác định rõ và có thể mở rộng quy mô.

• Các thông số xử lý bằng siêu âm được kiểm soát
  Các hệ thống Hielscher được sử dụng trong nghiên cứu cho phép các nhà nghiên cứu làm việc với biên độ, cường độ và mật độ năng lượng được xác định rõ ở cả chế độ theo mẻ và chế độ buồng dòng chảy. Điều này hỗ trợ phát triển quy trình một cách có hệ thống và mở rộng quy mô.
• Khả năng xử lý theo mẻ và trong buồng dòng chảy
  Nhà sản xuất có thể đánh giá việc xử lý bằng siêu âm theo mẻ, sau đó chuyển sang xử lý liên tục trên đường ống. Bài báo được tải lên cho thấy xử lý bằng siêu âm liên tục trong buồng dòng chảy có thể vượt trội hơn xử lý theo mẻ về độ ổn định của huyền phù và tính phù hợp với ứng dụng công nghiệp.
• Thiết kế quy trình cho năng suất xử lý công nghiệp
  Nghiên cứu cho thấy áp suất ngược, thời gian lưu và lưu lượng khối lượng là những biến số quan trọng trong xử lý bằng siêu âm liên tục. Điều này có ý nghĩa đối với nhà sản xuất vì giúp xử lý bằng siêu âm trở thành một công cụ kỹ thuật quá trình thực thụ thay vì chỉ là một kỹ thuật trong phòng thí nghiệm.
• Hỗ trợ các hệ protein khó xử lý
  Bài báo nhấn mạnh rằng việc điều chỉnh các đặc tính sản phẩm như kích thước hạt, độ ổn định của huyền phù, độ hòa tan và độ nhớt có tầm quan trọng lớn đối với huyền phù có nguồn gốc thực vật. Bài báo cũng lưu ý rằng máy siêu âm chiếm ít diện tích lắp đặt, có thể xử lý nồng độ chất rắn cao và mang lại sự kết hợp độc đáo giữa các tác động vật lý và hóa học.

 
Các ứng dụng điển hình
Xử lý protein bằng siêu âm phù hợp với

• đồ uống protein thực vật từ yến mạch, đậu Hà Lan, đậu nành, gạo, đậu tằm hoặc hỗn hợp các nguyên liệu này;
• đồ uống từ sữa và không từ sữa được bổ sung protein;
• sản phẩm bổ sung dinh dưỡng dạng huyền phù và dạng lỏng dùng theo liều nhỏ;
• hệ phân tán protein trước khi đồng hóa hoặc nhũ hóa;
• và hỗn hợp trộn sẵn để sấy phun hoặc tiếp tục biến đổi đặc tính chức năng.

Siêu âm – công nghệ xử lý protein có khả năng mở rộng quy mô

Xử lý bằng siêu âm giúp các nhà sản xuất thực phẩm và sản phẩm bổ sung cải thiện tính chất chức năng của protein trong những trường hợp mà chỉ riêng phương pháp trộn thông thường thường đạt đến giới hạn. Bằng cách tăng cường sự phân tán, giảm kích thước hạt, tăng tỷ phần protein hòa tan và ổn định huyền phù, siêu âm có thể mang lại những lợi ích đo lường được về chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình. Nghiên cứu được tải lên củng cố nhận định này đối với protein yến mạch cô đặc và cho thấy xử lý siêu âm liên tục trong buồng dòng chảy đặc biệt hứa hẹn cho chế biến công nghiệp.
Máy siêu âm Hielscher cung cấp một lộ trình thiết thực từ đánh giá tính khả thi trong phòng thí nghiệm đến triển khai trong công nghiệp. Việc sử dụng các thiết bị này trong những công trình đã công bố về chế biến protein, bao gồm nghiên cứu về protein yến mạch được tải lên, cho thấy cách phát triển xử lý siêu âm thành một công đoạn sản xuất có kiểm soát và có thể mở rộng quy mô cho các nhà sản xuất thực phẩm và sản phẩm bổ sung dinh dưỡng.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với chất lượng và tiêu chuẩn thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.