ФІЗИЧНА МОДЕЛЬ ФОРМУВАННЯ СТАБІЛЬНОЇ ХАРЧОВОЇ МАТРИЦІ КОНОПЛЯНОЇ ЕМУЛЬСІЇ ЗА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КАВІТАЦІЙНОГО ВПЛИВУ
DOI:
https://doi.org/10.31548/humanhealth.1.2026.139Ключові слова:
конопляна емульсія, едестин, ультразвукова кавітація, фізична модель, морфологічна трансформація, кінетична стійкість, нанодисперсна фазаАнотація
Стабілізація нанодисперсних систем у рослинних емульсіях без додавання сторонніх агентів є складним фізико-хімічним завданням. Розуміння морфологічної трансформації компонентів конопляного ядра під впливом акустичних полів є ключем до створення термодинамічно стабільних харчових систем. У сучасній харчовій інженерії технологічні дисперсні середовища розглядаються як ієрархічно організовані системи, де стабільність має забезпечуватися за рахунок специфічних функцій власних компонентів сировини. Для конопляних емульсій критичним є розуміння потенціалу диспергування жирової фази та активації стабілізуючих властивостей білка едестину. Мета роботи полягає у теоретичному обґрунтуванні та розробці фізичної моделі морфологічної трансформації компонентів конопляної емульсії під дією акустичної кавітації для забезпечення її довготривалої кінетичної стійкості за рахунок використання внутрішніх ресурсів сировини. Розроблено фізичну модель, що описує динаміку руйнування жирових глобул під дією локальних градієнтів тиску та мікропотоків, що виникають при колапсі кавітаційних бульбашок. Описано морфологічний перехід системи від грубодисперсного до нанодисперсного стану. Процес супроводжується інтенсивним подрібненням жирових глобул та денатураційною активацією едестину, що призводить до розгортання його компактної глобулярної структури в амфіфільну форму. Навколо жирових крапель формується щільна в’язко-пружна білкова оболонка за рахунок адсорбції та утворення міжмолекулярних дисульфідних містків, що перешкоджає їх злиттю. Визначено умови кінетичної стійкості системи через формування структурованого адсорбційного шару білка едестину, який забезпечує стеричний та електростатичний бар'єр проти коалесценції. Вперше запропоновано фізичне обґрунтування стабілізації рослинних емульсій як результат морфологічної перебудови нанофаз під дією кавітації. Обґрунтовано умови агрегативної та кінетичної стійкості, що базуються на досягненні критичного термодинамічного порогу Vmax ≥ 20kBT та домінуванні енергії теплового броунівського руху над гравітаційними силами (kBT ≥ Eg)/ Розроблена модель підтверджує, що створення стабільних функціональних напоїв з конопель вимагає застосування сучасних фізичних методів обробки, зокрема ультразвукових кавітаційних технологій, для управління наноструктурними процесами та реалізації концепції «чиста етикетка».
Отримано 12.12.2025
Прийнято 09.02.2026
Посилання
Amine, C., Dreher, J., Helgason, T., & Tadros, T. (2014). Investigation of emulsifying properties and emulsion stability of plant and milk proteins using interfacial tension and interfacial elasticity. Food Hydrocolloids, 39, 180–186. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.01.001
Antunez-Medina, J. R., et al. (2025). Application of ultrasound in proteins. Processes, 13(6), 1646. https://doi.org/10.3390/pr13061646
Bermudez-Aguirre, D., & Niemira, B. A. (2022). Pasteurization of foods with ultrasound: The present and the future. Applied Sciences, 12(20), 10416. https://doi.org/10.3390/app122010416
Bernyk, I. M. (2013). Intensification of technological processes for food media processing. Vibratsii v tekhnitsi ta tekhnolohiiakh, (3), 109–115.
Bernyk, I. M. (2019). An innovative approach to obtaining high-quality raw milk. Tekhnika, enerhetyka, transport APK, (3), 46–55. https://doi.org/10.37128/2520-6168-2019-3-6
Bernyk, I., & Drachyk, I. (2025). Assessment and analysis of methods for obtaining plant-based milk analogues. Human and Nation’s Health, 3(3), 137–148. https://doi.org/10.31548/humanhealth.3.2025.137
Bernyk, I., & Drachyk, I. (2025). Theoretical aspects of the energy component of ultrasonic emulsion dispersion. Human and Nation’s Health, 3(4), 113–124. https://doi.org/10.31548/humanhealth.4.2025.113
Cao, Y., & Miao, L. (2023). Consumer perception of clean food labels. British Food Journal, 125(2), 433–448. https://doi.org/10.1108/BFJ-03-2021-0246
Chassaing, B., Cassadante, J., Nicolas, S., Millman, S., Hillani, R., Ji, J., Walker, M. E., & Gewirtz, A. T. (2022). Randomized controlled-feeding study of dietary emulsifier carboxymethylcellulose reveals detrimental impacts on the gut microbiota and metabolome. Gastroenterology, 162(3), 743–756. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2021.11.006
Damodaran, S., & Parkin, K. L. (2017). Fennema's Food Chemistry (5th ed.). CRC Press.
Günan, K. T., & Ömeroğlu, P. Y. (2025). Evaluation of plant-based milks in vegan muffins: Functional, structural, rheological and nutritional characterization. Foods, 14(23), 3989. https://doi.org/10.3390/foods14233989
Huan, Y., et al. (2020). Ultrasound pretreatment increases the bioavailability of dietary proteins. Food Biophysics, 15, 409–415. https://doi.org/10.1007/s11483-020-09634-y
Huang, Y., Li, C., & McClements, D. J. (2025). Recent advances in plant-based emulsion gels: Preparation, characterization, applications, and future perspectives. Gels, 11(8), 641. https://doi.org/10.3390/gels11080641
Jie, Y., & Chen, F. (2022). Progress in the application of food-grade emulsions. Foods, 11(18), 2883. https://doi.org/10.3390/foods11182883
Jin, Y., & Adhikari, A. (2025). Recent developments and applications of food-based emulsifiers from plant and animal sources. Colloids and Interfaces, 9(5), 61. https://doi.org/10.3390/colloids9050061
Justino, H. F. M., et al. (2024). Exploring ultrasound-assisted technique for enhancing techno-functional properties of plant proteins. International Journal of Food Science and Technology, 59(1), 498–511. https://doi.org/10.1111/ijfs.16673
Kaczmarek, D., Pokora-Carzynska, M., Juszczak, L., Jamroz, E., & Kapusniak, J. (2025). Plant proteins as alternative natural emulsifiers in food emulsions. Foods, 14(24), 4291. https://doi.org/10.3390/foods14244291
Kim, T. I., Choi, H. W., & Hahn, J. (2025). Complementary roles of cellulose nanofiber and soy protein isolate for clean-label stabilization of plant-based emulsions. Journal of the Science of Food and Agriculture. 70385. https://doi.org/10.1002/jsfa.70385
Kovačević, J., Bechtold, T., & Pham, T. (2024). Plant-based proteins and their modification and processing for vegan cheese production. Macromol, 4(1), 23–41. https://doi.org/10.3390/macromol4010002
Liu, Y., Keefer, H. M., Watson, M., Best, A. R., & Drake, M. (2026). Clean label, complete, and sustainable: What do consumers know about protein products? Journal of Dairy Science, 109(2), 1143–1159. https://doi.org/10.3168/jds.2025-27311
Lopez, C., Weber, M., Rabesona, H., Pérez, J., Artzner, F., & Bizien, T. (2024). Emulsions stabilized by pea protein-rich ingredients as an alternative to dairy proteins for food sustainability: Unveiling the key role of pea endogenous lipids in the surface-induced crystallization of milk fat. Current Research in Food Science, 9, 100921. https://doi.org/10.1016/j.crfs.2024
Luhovskyi, O. F., & Bernyk, I. M. (2010). Ultrasonic cavitation apparatus for the implementation of environmentally safe technology for pectin extraction from secondary plant raw materials. Visnyk NTUU "KPI". Seriia Mashynobuduvannia, (58), 82–86.
Luhovskyi, O. F., Gryshko, I. A., Zilinskyi, A. I., Shulha, A. V., Movchaniuk, A. V., & Bernyk, I. M. (2022). Ultrasonic cavitation technologies: Disinfection and filtration. Kushnir Yu. V.
Luhovskyi, O. F., Shulha, A. V., Bernyk, I. M., Gryshko, I. A., Movchaniuk, A. V., & Zilinskyi, A. I. (2022). Ultrasonic technological processes: Spraying and extraction. Kushnir Yu. V.
Luhovskyi, O., Bernyk, I., Gryshko, I., Abdulina, D., & Zilinskyi, A. (2021). Mobile equipment for ultrasonic cavitation inactivation of microorganisms in the liquid environment. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 24, 272–281. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59509-8_24
Mahajan, P., Bera, M. B., & Prasad, K. (2023). Food physics insight: the structural design of foods. Journal of Food Science and Technology, 60(6), 1643–1655. https://doi.org/10.1007/s13197-022-05400-9
Malomo, S. A., He, R., & Aluko, R. E. (2014). Structural and Functional Properties of Hemp Seed Protein Products. Journal of Food Science, 79(8), C1512–C1521. https://doi.org/10.1111/1750-3841.
Maruyama, S., Streletskaya, N. A., & Lim, J. (2021). Clean label: Why this ingredient but not that one? Food Quality and Preference, 87, 104062. https://doi.org/10.1016/j.foodqual.2020.104062
Mata, S., Maté, J. I., & Angós, I. (2025). Combined effects of carrageenan and konjac gums on the physicochemical properties of a plant-based smoked salmon analog. Foods, 14(21), 3793. https://doi.org/10.3390/foods14213793
McClements, D. J. (2015). Food emulsions: Principles, practices, and techniques (3rd ed.). CRC Press.
McClements, D. J., & Grossmann, L. (2021). The science of plant-based foods: Constructing next-generation meat, fish, milk, and egg analogs. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(4), 4049–4100. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12771
Mesa, J., Hinestroza-Córdoba, L. I., Barrera, C., Seguí, L., Betoret, E., & Betoret, N. (2020). High homogenization pressures to improve food quality, functionality and sustainability. Molecules, 25(14), 3305. https://doi.org/10.3390/molecules25143305
Mondal, J., Lakkaraju, R., Ghosh, P., & Ashokkumar, M. (2021). Acoustic cavitation-induced shear: a mini-review. Biophysics Reviews, 13(6), 1229–1243. https://doi.org/10.1007/s12551-021-00896-5
Naimi, S., Viennois, E., Gewirtz, A. T., & Chassaing, B. (2021). Direct impact of commonly used dietary emulsifiers on human gut microbiota. Microbiome, 9, 66. https://doi.org/10.1186/s40168-020-00996-6
Nazarenko, I., & Bernyk, I. (2021). Research of the processes of acoustic cavitation technology for processing dispersed media. In Dynamic processes in technological technical systems (pp. 94–109). https://doi.org/10.15587/978-617-7319-49-7.ch6
Pandit, A. V., Sarvothaman, V. P., & Ranade, V. V. (2021). Estimation of chemical and physical effects of cavitation by analysis of cavitating single bubble dynamics. Ultrasonics Sonochemistry, 77, 105677. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105677
Rawal, K., Annamalai, P. K., Bhandari, B., & Prakash, S. (2025). Engineering plant-based Pickering emulsions as highly stable dairy cream alternatives using a binary mixture of particle stabilisers. Food Hydrocolloids, 159, 110604. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110604
Sarkar, A., & Dickinson, E. (2020). Sustainable food-grade Pickering emulsions stabilized by plant-based particles. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 49, 69–81. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2020.04.004
Somayeh Taghian Dinani, S. T., Zhang, Y., Vardhanabhuti, B., & van der Goot, A. J. (2023). Enhancing textural properties in plant-based meat alternatives: The impact of hydrocolloids and salts on soy protein-based products. Current Research in Food Science, 7, 100571. https://doi.org/10.1016/j.crfs.2023.100571
Tang, C. H., Ten, Z., Wang, X. S., & Yang, X. Q. (2006). Physicochemical and functional properties of hemp (Cannabis sativa L.) protein isolate. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54(23), 8945–8950. https://doi.org/10.1021/jf0619176
Tian, Y., Sun, F., Wang, Z., Yuan, C., Wang, Z., Guo, Z., & Zhou, L. (2023). Research progress on plant-based protein Pickering particles: Stabilization mechanisms, preparation methods, and application prospects in the food industry. Food Chemistry: X, 21, 101066. https://doi.org/10.1016/j.fochx.2023.101066
Wang, X. S., Tang, C. H., Yang, X. Q., & Gao, W. R. (2008). Characterization, amino acid composition and in vitro digestibility of hemp (Cannabis sativa L.) proteins. Food Chemistry, 107(1), 11–18. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2007.06.064
Yang, H., Hua, C. C., & Huang, P. H. (2026). Effect of xanthan, guar, and carrageenan gums on the physicochemical properties of hypoallergenic pea protein-based dysphagia-friendly matrices. Foods, 15(2), 284. https://doi.org/10.3390/foods15020284.
Yiu, C. C.-Y., Liang, S. W., Mukhtar, K., Kim, W., Wang, Y., & Selomulya, C. (2023). Food emulsion gels from plant-based ingredients: Formulation, processing, and potential applications. Gels, 9(5), 366. https://doi.org/10.3390/gels9050366
Zhu, X., et al. (2024). Acoustic cavitation for agri-food applications. Ultrasonics Sonochemistry, 105, 106850. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.106850
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Здоров'я людини і нації
TЦя робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Усі матеріали розповсюджуються згідно з умовами міжнародної публічної ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International Public License, що дозволяє іншим поширювати статтю з визнанням авторства та першої публікації в цьому журналі.
