Xử lý protein bằng sóng siêu âm trong thực phẩm và thực phẩm bổ sung

Siêu âm là một công nghệ xử lý hiệu quả giúp cải thiện chức năng, khả năng phân tán, độ hòa tan và độ ổn định của protein được sử dụng trong thực phẩm và thực phẩm bổ sung dinh dưỡng. Từ các loại protein thực vật như yến mạch, đậu Hà Lan, đậu nành, cây gai dầu và gạo cho đến protein từ sữa và các công thức hỗn hợp, sóng siêu âm cường độ cao giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa hệ thống protein nhằm mang lại tính chất xử lý tốt hơn và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

Trong quá trình chế biến protein, sóng siêu âm không chỉ đơn thuần là một công cụ hỗ trợ trộn. Việc sử dụng sóng siêu âm được kiểm soát hợp lý có thể làm giảm kích thước hạt, cải thiện quá trình ngậm nước và phân tán, tăng tỷ lệ protein hòa tan, đồng thời nâng cao độ ổn định của hỗn hợp. Những tác động này đặc biệt quan trọng đối với các loại đồ uống sẵn sàng để uống, các chế phẩm protein cô đặc, thực phẩm bổ sung dinh dưỡng và các công thức thực phẩm bổ sung dạng bột. Trong một nghiên cứu được công bố năm 2025 (Höhme-Matthes et al.) về xử lý protein yến mạch bằng sóng siêu âm, quá trình siêu âm đã làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc hòa tan và giảm sự bất ổn định của huyền phù khi mật độ năng lượng tăng lên.

Tại sao công nghệ xử lý protein bằng sóng siêu âm lại quan trọng

Các nhà sản xuất thực phẩm và thực phẩm bổ sung thường phải đối mặt với những thách thức như khả năng thấm ướt kém, quá trình ngâm nước không hoàn toàn, hiện tượng lắng cặn, độ nhớt cao, hỗn hợp lơ lửng không ổn định và chức năng không đồng đều. Những vấn đề này càng trở nên quan trọng hơn trong các công thức có hàm lượng protein cao, nguồn gốc thực vật và nhãn sạch.
Sóng siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh trong chất lỏng. Sự vỡ tung của các bọt khí siêu nhỏ tạo ra lực cắt cục bộ, hiện tượng nhiễu loạn và quá trình trộn vi mô. Trong các hệ thống protein, những tác động này có thể phá vỡ các cụm kết tụ, giảm kích thước hạt, cải thiện quá trình truyền khối và thay đổi cấu trúc vật lý của các hỗn hợp giàu protein. Kết quả là hệ thống protein trở nên dễ xử lý hơn và thường mang lại hiệu quả tốt hơn trong sản phẩm thành phẩm.

Cách siêu âm cải thiện quá trình chế biến protein trong ngành công nghiệp thực phẩm

• Khả năng phân tán và hydrat hóa được cải thiện
  Bột protein thường hấp thụ nước không đều và tạo thành các cụm kết tụ. Quá trình siêu âm giúp phá vỡ các cụm kết tụ và thúc đẩy quá trình thấm ướt đồng đều hơn, từ đó có thể rút ngắn thời gian hấp thụ nước và cải thiện quá trình xử lý ở các công đoạn tiếp theo.
• giảm kích thước hạt
  Việc giảm kích thước hạt thường đi kèm với cảm giác mềm mịn hơn khi thưởng thức, cải thiện tính chất phân tán và tăng khả năng tiếp xúc của nước với bề mặt protein. Bài báo về protein yến mạch đặc biệt kết luận rằng siêu âm là phương pháp hữu ích trong chế biến protein thực vật quy mô công nghiệp nhằm giảm kích thước hạt.
• Độ hòa tan protein cao hơn
  Quá trình siêu âm có thể làm tăng tỷ lệ protein hòa tan và cải thiện độ hòa tan biểu kiến trong các hệ thống khó xử lý. Trong nghiên cứu về protein yến mạch, các tác giả cho biết quá trình siêu âm đã làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc hòa tan, với độ hòa tan đã cao gấp khoảng ba lần ở mật độ năng lượng 200 J/mL.
• Tăng cường độ ổn định của hệ thống treo
  Bằng cách cải thiện độ phân tán và giảm tỷ lệ các hạt chưa hòa tan, sóng siêu âm giúp giảm hiện tượng lắng cặn và tách pha. Bài báo được đăng tải cho biết rằng việc xử lý bằng sóng siêu âm đã làm giảm tính không ổn định của các hỗn hợp huyền phù chứa tinh chất protein yến mạch, đồng thời việc xử lý liên tục trong buồng dòng chảy đã cải thiện đáng kể độ ổn định của huyền phù ở cùng mức mật độ năng lượng.

Ví dụ: Chế biến protein yến mạch bằng máy siêu âm Hielscher

Một nghiên cứu năm 2025 về quy trình chế biến bột protein yến mạch đã đánh giá cả phương pháp xử lý bằng sóng siêu âm theo mẻ và theo dòng chảy sử dụng thiết bị của Hielscher. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy Hielscher UIP1500hdT và Hielscher UP200St trong các thí nghiệm của mình. Họ phát hiện ra rằng siêu âm làm tăng lượng protein yến mạch cô đặc hòa tan đồng thời giảm sự không ổn định của hỗn hợp khi mật độ năng lượng tăng lên. Họ cũng nhận thấy rằng siêu âm dòng chảy cho phép năng suất cao hơn và mang lại ý nghĩa công nghiệp so với thiết kế theo mẻ thông thường.
Nghiên cứu này còn kết luận rằng siêu âm là một công cụ hữu ích trong các ứng dụng quy trình sản xuất quy mô công nghiệp đối với các chế phẩm protein thực vật. Nghiên cứu nhấn mạnh đến việc giảm kích thước hạt hiệu quả hơn, độ ổn định của hỗn hợp lơ lửng được cải thiện, cũng như tầm quan trọng của việc siêu âm liên tục trong cấu hình buồng dòng chảy đối với hiệu quả quy trình và việc mở rộng quy mô sản xuất.

Ví dụ: Tăng cường chức năng của protein đậu Hà Lan nhờ xử lý bằng sóng siêu âm

Công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm mang lại một số lợi ích rõ rệt cho các hệ thống protein đậu Hà Lan: nó cải thiện khả năng phân tán và hòa tan bằng cách phá vỡ các cụm kết tụ và giảm kích thước hạt, từ đó có thể tăng cường hiệu suất chức năng trong thực phẩm mà không làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa hoặc khả năng hấp thu sinh học của protein. Trong các công thức chứa chất xơ, sóng siêu âm cũng có thể thúc đẩy sự hình thành mạng lưới protein–chất xơ hữu ích và, tùy thuộc vào loại chất xơ, giúp tăng độ nhớt và khả năng tạo kết cấu. Trong các sản phẩm thay thế sữa chua từ protein đậu Hà Lan lên men, siêu âm còn cải thiện chất lượng sản phẩm hơn nữa bằng cách giảm các hợp chất gây mùi vị khó chịu như hexanal và 2-pentylfuran, đồng thời tăng các hợp chất tạo mùi thơm giống sữa chua như diacetyl và acetoin, khiến nó trở thành một công cụ nhãn sạch đầy hứa hẹn cho cả chức năng và cải thiện cảm quan.
(xem Kalla-Berthold và cộng sự, 2023; Matysek và cộng sự, 2024)

Hình ảnh FE-SEM (độ phóng đại 400x và 2000x, thước đo tỷ lệ: 10 µm) của mẫu chưa xử lý (UT) và
các mẫu protein đậu (PP) đã qua xử lý bằng sóng siêu âm (T).
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Kalla-Berthold và cộng sự, 2023

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

Phương pháp chiết xuất protein từ cây gai dầu bằng sóng siêu âm mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý, đặc biệt là trong việc tận dụng phế phẩm hạt gai dầu đã tách dầu để tạo ra các thành phần có giá trị cao hơn. Trong nghiên cứu được công bố, phương pháp chiết xuất hỗ trợ bằng sóng siêu âm đã cải thiện hiệu suất thu hồi protein và độ tinh khiết tổng thể so với phương pháp chiết xuất truyền thống; quy trình kết hợp tối ưu đạt hiệu suất thu hồi protein khoảng 62% và độ tinh khiết khoảng 76% khi kết hợp với quá trình tiền xử lý bằng áp suất cao (HPP). Phương pháp này cũng tăng cường quá trình chiết xuất axit amin trong các chất cô lập, cho thấy năng suất dinh dưỡng cao hơn, đồng thời tránh được những tổn thương rõ rệt đối với các dải protein trên SDS-PAGE. Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu ủng hộ việc sử dụng sóng siêu âm như một phương pháp chiết xuất thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn, có thể giảm cường độ xử lý và giúp biến các sản phẩm phụ từ cây gai dầu thành các thành phần protein hữu ích trong thực phẩm và dược phẩm.
(xem Cabral và cộng sự 2023)

Ví dụ: Chiết xuất bằng sóng siêu âm từ cám gạo để thu được hydrolysate protein

Phương pháp chiết xuất hydrolysat protein gạo bằng sóng siêu âm mang lại những lợi thế chức năng rõ rệt, bởi vì sóng siêu âm giúp tăng cường quá trình giải phóng protein từ cám gạo thông qua việc phá vỡ cấu trúc tế bào và thúc đẩy quá trình truyền khối, từ đó làm cho quá trình chiết xuất hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Trong nghiên cứu, quá trình chiết xuất đã được tối ưu hóa thành công với tỷ lệ rắn/lỏng là 0,43, biên độ 48,25% và thời gian 29,89 phút; đồng thời, quá trình thủy phân enzym hỗ trợ bằng sóng siêu âm cũng góp phần tạo ra các hydrolysate 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 enzym, giúp chuyển đổi cám gạo thành các thành phần protein hoạt tính sinh học có giá trị cao hơn.
(xem Hayta và cộng sự, 2020)

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

• Chất lượng sản phẩm tốt hơn
  Quá trình siêu âm có thể giúp tạo ra kết cấu mịn màng và cảm giác mượt mà hơn trong các sản phẩm protein dạng lỏng, cải thiện độ đồng nhất trong các hỗn hợp lơ lửng và hỗn hợp sẵn, giảm hiện tượng lắng cặn rõ rệt trong đồ uống protein, đồng thời đảm bảo hiệu suất chức năng ổn định hơn giữa các lô sản phẩm.
• Xử lý hiệu quả hơn
  Siêu âm có thể tăng cường hiệu quả xử lý bằng cách đẩy nhanh quá trình phân tán và ngâm nước, đồng thời cho phép xử lý liên tục ngay trong dây chuyền. Nghiên cứu về protein yến mạch cho biết thiết kế buồng dòng chảy cho phép đạt mật độ cao hơn dù có công suất xử lý khối lượng lớn, do đó mang lại hiệu quả cao hơn và có ý nghĩa ứng dụng công nghiệp lớn hơn so với thiết kế theo mẻ thông thường.
• Độ linh hoạt cao hơn trong việc xây dựng công thức
  Công nghệ siêu âm rất hữu ích trong việc xử lý các công thức protein thực vật phức tạp, đồ uống sẵn sàng để uống (RTD) có hàm lượng protein cao, các thành phần cơ bản của thực phẩm bổ sung, cũng như các công đoạn tiền xử lý trước khi đồng nhất hóa, thủy phân hoặc sấy khô. Bài báo nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ này đối với đồ uống có nguồn gốc thực vật, hỗn hợp dạng bùn và các bước thủy phân tiếp theo.
• Tiềm năng mở rộng quy mô tốt hơn
  Các thông số siêu âm đã được xác định, chẳng hạn như biên độ, cường độ, mật độ năng lượng, thời gian lưu và áp suất ngược, hỗ trợ việc chuyển giao quy trình từ giai đoạn thí nghiệm sang sản xuất thử nghiệm và sản xuất công nghiệp. Nghiên cứu được đăng tải này đặc biệt chú trọng vào các thông số này để thiết kế quy trình liên tục có thể mở rộng quy mô.

Tại sao việc sử dụng máy siêu âm Hielscher lại mang lại lợi ích

Các thiết bị siêu âm Hielscher rất được ưa chuộng trong lĩnh vực chế biến protein vì chúng cho phép thực hiện xử lý siêu âm một cách có kiểm soát và lặp lại được. Đối với các nhà sản xuất, lợi thế thực sự không chỉ nằm ở việc tạo ra hiện tượng xâm thực, mà còn ở việc tạo ra hiện tượng này trong các điều kiện được xác định rõ ràng và có thể mở rộng.

• Các thông số siêu âm được kiểm soát
  Các hệ thống Hielscher được sử dụng trong nghiên cứu này đã cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh biên độ, cường độ và mật độ năng lượng theo các thông số đã định trước, cả trong chế độ xử lý theo mẻ lẫn chế độ buồng dòng chảy. Điều này hỗ trợ quá trình phát triển quy trình một cách có hệ thống và việc mở rộng quy mô.
• Khả năng xử lý theo lô và trong buồng dòng chảy
  Các nhà sản xuất có thể đánh giá công nghệ siêu âm theo phương pháp xử lý theo mẻ trước, sau đó chuyển sang quy trình xử lý liên tục trong dòng chảy. Bài báo được đăng tải cho thấy rằng công nghệ siêu âm liên tục trong buồng dòng chảy có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp xử lý theo mẻ về độ ổn định của hỗn hợp lơ lửng và tính ứng dụng trong công nghiệp.
• Thiết kế quy trình nhằm tối ưu hóa năng suất công nghiệp
  Nghiên cứu cho thấy áp suất ngược, thời gian lưu và lưu lượng khối là những biến số quan trọng trong quá trình siêu âm liên tục. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các nhà sản xuất vì nó biến xử lý bằng sóng siêu âm thành một công cụ kỹ thuật quy trình thực sự, chứ không chỉ là một kỹ thuật phòng thí nghiệm.
• Hỗ trợ cho các hệ thống protein phức tạp
  Bài báo nhấn mạnh rằng việc điều chỉnh các đặc tính của sản phẩm như kích thước hạt, độ ổn định của huyền phù, độ hòa tan và độ nhớt có ý nghĩa quan trọng đối với các huyền phù có nguồn gốc thực vật. Bài báo cũng chỉ ra rằng các thiết bị siêu âm cần có kích thước nhỏ gọn, có khả năng 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
Công nghệ xử lý protein bằng sóng siêu âm có ý nghĩa đối với

• các loại đồ uống giàu protein thực vật làm từ yến mạch, đậu Hà Lan, đậu nành, gạo, đậu faba hoặc hỗn hợp các loại;
• các loại đồ uống có nguồn gốc từ sữa và không có nguồn gốc từ sữa được bổ sung protein;
• dạng hỗn dịch và dạng uống lỏng của thực phẩm bổ sung dinh dưỡng;
• dung dịch protein trước khi đồng nhất hóa hoặc nhũ hóa;
• và các hỗn hợp sẵn dùng cho quá trình sấy phun hoặc các bước chức năng hóa tiếp theo.

Siêu âm như một công nghệ xử lý protein có khả năng mở rộng

Công nghệ siêu âm giúp các nhà sản xuất thực phẩm và thực phẩm bổ sung nâng cao tính năng của protein trong những trường hợp mà phương pháp trộn truyền thống thường gặp phải giới hạn. Bằng cách tăng cường quá trình phân tán, giảm kích thước hạt, tăng tỷ lệ protein hòa tan và ổn định hệ nhũ tương, siêu âm có thể mang lại những lợi ích rõ rệt về chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình. Nghiên cứu được đăng tải đã củng cố quan điểm này đối với các chế phẩm protein yến mạch và chỉ ra rằng công nghệ siêu âm dòng chảy liên tục đặc biệt hứa hẹn cho ứng dụng trong chế biến công nghiệp.
Các thiết bị siêu âm Hielscher mở ra một con đường thực tiễn từ giai đoạn thử nghiệm khả thi trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng công nghiệp. Việc áp dụng các thiết bị này trong các công trình nghiên cứu đã công bố về chế biến protein, bao gồm cả nghiên cứu về protein yến mạch đã được đăng tải, cho thấy cách thức xử lý bằng sóng siêu âm có thể được phát triển thành một công đoạn sản xuất có thể kiểm soát và mở rộng quy mô dành cho các nhà sản xuất thực phẩm và thực phẩm bổ sung dinh dưỡng.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

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

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Văn học / Tài liệu tham khảo