Homogenizacja wysokociśnieniowa (High Pressure Homogenization – HPH) należy do rodzaju nietermicznych metod obróbki żywności. Najważniejszym parametrem w urządzeniu jest zadane ciśnienie, które w porównaniu do zwykłych homogenizatorów może być od 10 do 20 razy wyższe i osiągnąć wartość nawet 400 MPa.

Ze względu na wysokość wykorzystywanego ciśnienia wyróżnia się dodatkowo UHPH (Ultra High Pressure Homogenization), kiedy to wartość ciśnienia zaczyna się od 250-300 MPa. Jednakże bez względu na podział zasada działania technologii jest taka sama. Polega na przeciskaniu płynu przez zawór z bardzo wąską, regulowaną szczeliną, co generuje wysokie ciśnienie (100-400 MPa) i skokowy wzrost przepływu (do 200-250 m/s). W zaworze występują wówczas różne zjawiska, jak kawitacja, turbulencje, wysokie naprężenia ścinające, fale uderzeniowe, wywołujące fizyczne zmiany w cząsteczkach płynu.

Zalety technologii HPH

Głównym efektem zastosowania procesu HPH jest uzyskanie roztworu o wąskim zakresie bardzo małych wielkości cząstek. W przypadku mleka krowiego, jak i sojowego udało się zmniejszyć wielkość kuleczek tłuszczu do średnicy < 0,36 µm (93% całej zawartości tłuszczu), a w przypadku emulsji typu olej w wodzie – do średnicy około 135 nm. Dlatego też technologia HPH pozwala poprawić stabilność produktu lub otrzymać stabilne emulsje.

Drugi efekt procesu to redukcja liczby drobnoustrojów. Badania mikroskopowe wykazały, że HPH niszczy mikroorganizmy mechanicznie (rozrywając komórki) i nie wpływa na ich metabolizm. Ze względu na duży potencjał następuje rozwijanie tej technologii jako metody nietermicznego utrwalania żywności, jednak należy pamiętać, że HPH tylko w małym stopniu likwiduje przetrwalnikowe formy drobnoustrojów, dlatego utrwalane produkty powinny być przechowywane w warunkach chłodniczych. Trzecim ważnym efektem obróbki za pomocą HPH jest inaktywacja znajdujących się w żywności enzymów, które niekorzystnie wpływają na stabilność i cechy sensoryczne.

Kierunki zastosowań

Wszystkie skutki przepychania produktu przez wąską szczelinę powodują, że technologia HPH może być użyteczna w przemyśle spożywczym do obróbki każdego pompowalnego płynu lub zawiesiny. Obecnie na całym świecie trwają próby przemysłowe wykorzystania HPH na mleku zwierzęcym i roślinnym, sokach z owoców i warzyw, zupach typu krem, sosach, napojach alkoholowych oraz puree. HPH stosuje się także do produkcji stabilnych nano/submikronowych emulsji, typu olej w wodzie, jak również w dziedzinie
inżynierii strukturalnej żywności do roztworów białek serwatkowych, kazeinowych i innych substancji, np. trudno rozpuszczalnych w wodzie. Rezultaty międzynarodowych projektów pozwalają stwierdzić, że produkty przetwórstwa mlecznego, jak sery, jogurty czy lody wyprodukowane z mleka poddanego obróbce HPH wyróżniają się lepszą jakością i cechami sensorycznymi. Zalety technologii HPH powodują, że oprócz przemysłu spożywczego znajduje ona zastosowanie również w przemysłach farmaceutycznym, kosmetycznym i chemicznym.

Wady technologii HPH

Płyny poddawane obróbce HPH charakteryzują się temperaturą wyższą niż na wejściu do urządzenia. Na zjawisko to składają się dwa efekty fizyczne. Pierwszym jest wzrost temperatury o 2-3oC na każde 100 MPa w wyniku kompresji cieczy przed zaworem. Drugi to wzrost temperatury o 14-18oC na każde 100 MPa w wyniku sił tarcia i częściowej konwersji energii mechanicznej na ciepło podczas przejścia cieczy przez zawór. Zazwyczaj sumaryczny odnotowywany narost temperatury wynosi 17-21oC na 100 MPa, jednak produkt spożywczy narażony jest na najwyższą osiąganą podczas procesu temperaturę maksymalnie przez sekundę. Potrzebne są tu mimo wszystko systemy chłodzące w postaci wymienników ciepła, aby zachować termicznie wrażliwe substancje. Dlatego chociażby z tego względu istotna jest temperatura wejściowa produktu.

Technologia HPH wykazuje relatywnie niską wydajność energetyczną. W zależności od rodzaju produktu i jego właściwości około 37-59% energii ogółem to energia mechaniczna spożytkowana na istotę procesu. Pozostała część, tj. 61-41% energii ogółem, jest tracona w postaci rozproszonego ciepła.

W zależności od geometrii zaworu, składu cieczy i zadanego ciśnienia niektóre cząsteczki mogą ulegać agregacji, czyli łączeniu się w większe skupiska. Odnotowano takie przypadki w płynach bogatych w białka. Zjawisko to próbuje się wykorzystać do projektowania struktury i właściwości białek i produktów je zawierających, choć zazwyczaj przeciwdziała się temu zjawisku, montując po głównym zaworze dodatkowy zawór generujący niskie ciśnienie, jak w zwykłych homogenizatorach, który rozbija powstałe aglomeraty.

Bezpieczeństwo mikrobiologiczne

Począwszy od lat dziewięćdziesiątych XX wieku na całym świecie – zarówno w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej – badano poziomy inaktywacji drobnoustrojów przez HPH o różnych parametrach ciśnienia na rozmaitych produktach żywnościowych.

Wyniki badań wykazały, że pomimo pewnych ograniczeń, po dokonaniu odpowiedniej optymalizacji homogenizacja wysokociśnieniowa może znajdować zastosowanie w nietermicznym utrwalaniu żywności (tabela 1). Większość eksperymentów daje zadowalające efekty inaktywacji przy zastosowaniu 200 MPa i kilku cykli lub 300 MPa i jednego lub kilku cykli. Porównując technologię HPH z najbardziej popularną i stosowaną w przemyśle spożywczym nietermiczną technologią wysokich ciśnień hydrostatycznych (HPP lub HHP),
na przykładzie obróbki mleka, można stwierdzić, że podobne poziomy inaktywacji drobnoustrojów można uzyskać, stosując 200 MPa, 5 cykli/300 MPa, 3 cykle, 25oC (HPH) lub 200 MPa, 2 min, 25oC (HPP). Wpływ na poziom inaktywacji drobnoustrojów w żywności poddawanej procesowi HPH mają 3 grupy czynników: 1) parametry urządzenia, 2) cechy morfologiczne mikroorganizmów, 3) fizykochemiczne właściwości produktu.

Najważniejsze parametry homogenizatora to: ciśnienie, liczba cykli (liczba przejść produktu przez produkt urządzenie w jednakowych warunkach procesu) oraz typ zaworu. Zwiększenie ciśnienia oraz liczby cykli homogenizacji w większości przypadków zwiększa efektywność inaktywacji. Ponadto zastosowanie kilku cykli przy niższym ciśnieniu pozwala uzyskać podobny, a nawet lepszy wynik niż jednego cyklu przy wyższym ciśnieniu. Każdy producent posiada własny opatentowany typ zaworu, zbudowany z ceramiki, stali nierdzewnej lub innych materiałów. Niezwykle istotne są cechy geometryczne igły i podstawy, do której jest zbliżana, jak również wysokość i kształt szczeliny, jaką tworzą igła z podstawą, a przez którą przechodzi produkt. W zależności od rozwiązania technicznego uzyskuje się inną intensywność zjawisk zachodzących podczas HPH, a tym samym inną efektywność inaktywacji drobnoustrojów.