El sistema de Homogeneización a Ultra Alta Presión, más conocido por sus siglas en inglés UHPH (Ultra High Pressure Homogenization), se trata de un equipo de homogeneización que trabaja a presiones más elevadas de las utilizadas en la homogeneización convencional, entre 300 y 400 MPa.
Este realiza un tratamiento no térmico, que produce cambios funcionales de interés en el producto, utilizando altas presiones que aunque no utiliza sistemas de tratamiento térmico, durante un corto periodo de tiempo se pueden alcanzar elevadas temperaturas, debidas a los fenómenos que se producen en la válvula del homogeneizador, de material cerámico y de geometría específica. Estos fenómenos permiten obtener productos (alimentarios, farmacéuticos y cosméticos) de esterilización comercial y de mayor estabilidad física.
Diferencia frente otros sistemas de homogeneización Este proceso se basa en la impulsión de un fluido a una presión elevada superior a 200 MPa para impactar en una válvula que aplica fuerzas mecánicas como cavitación, turbulencia y cizalla, mientras que otros sistemas de homogeneización como la convencional o de alta presión hidrostática (HPP), que aplican altas presiones sobre los productos , y no deben ser confundidas, ya que el UHPH trabaja en continuo y las presiones utilizadas en los homogeneizadores convencionales están alrededor de los 18-60 MPa. Además, la alimentación del fluido al equipo se produce a la inversa que en la homogeneización convencional.
Por otro lado, a diferencia de otros sistemas de homogeneización, así como los que se basan en altas presiones hidrostáticas, el UHPH permite obtener un producto de esterilidad comercial, inactivando parcial o totalmente enzimas dependiendo de las condiciones aplicadas, y no hay utilización de grandes cantidades de agua, requiriendo un consumo de energía inferior a los tratamientos basados en HPP y térmicos.
Existen tratamientos de ultrahomogeneización con la finalidad de conseguir ultraemulsiones, pero que no tienen el efecto de esterilización y estabilización que tiene el sistema patentado. Este tipo de tratamientos se aplican en laboratorios, y a diferencia del UHPH no tienen la válvula y los intercambiadores de calor, ya que son elementos bajo patente a nivel internacional.
Condiciones del equipo El primer efecto que se produce sobre el producto al entrar en el equipo, es una ligera subida de la temperatura mediante el primer intercambiador de calor, hasta llegar a la temperatura de entrada deseada, en inglés “inlet temperature” (Ti), para el tratamiento. Una vez alcanzada la Ti, el producto entra desde la parte superior del pistón de la válvula, descendiendo hasta el asiento de la válvula y encontrándose con un pequeño espacio por el que pasar o “gap”. La presión aplicada sobre el fluido y la dificultad de paso de este por el "gap", es lo que produce los fenómenos característicos del UHPH.
Además de estos fenómenos, también se produce un momento de impacto térmico en el que la temperatura del fluido puede llegar sobre los 140 °C durante tan solo 0,02 s. debido a las fuerzas de cizalla, turbulencias, cavitación y la transformación de la energía cinética en calor, por el incremento de presión y la fricción. Este breve aumento de temperatura, puede verse reducido si se implanta un correcto sistema de refrigeración tras el paso por la válvula. Sin embargo, el choque térmico no es limitante en la destrucción de microorganismos, ni para producir cambios organolépticos y nutricionales significativos.
Posteriormente, debido a la expansión en la salida de la válvula se produce un descenso brusco de la temperatura, que además, se ajusta con la incorporación de un intercambiador de calor.
El diseño de la geometría de la válvula es muy importante de cara a los cambios o impactos que sufrirá el producto, y por tanto, de las características del producto final. Además, será determinante a la hora de diseñar el equipo, para que el material de la propia válvula pueda soportar las condiciones de trabajo.
Por otro lado, se ha visto que en la zona de la válvula de homogeneización pueden crearse zonas con remolinos y de recirculación del flujo, debido a un fenómeno de separación del fluido en la parte anterior del “gap”.
Según el tipo de producto o el tratamiento deseado, hay una gran variedad de tratamientos UHPH a aplicar modificando los valores de presión y Ti, obteniendo diferentes resultados en las características físicas, de calidad o higiene, tal y como muestran diversos estudios.
Procesos Los procesos dados en la válvula de homogeneización, son los principales causantes de los efectos que se producirán sobre los alimentos, como pueden ser la reducción del tamaño de partícula o la inactivación de microorganismos y enzimas.
Este fenómeno se produce en la válvula y depende de la presión aplicada, del espacio entre la válvula y el asiento, y la geometría de esta. La relación entre la presión aplicada y el fenómeno de cavitación es proporcionalmente directo, y se ha visto que es la válvula de homogeneización la que causa burbujas que, al colapsar, crean fuertes ondas de impacto, responsables de la rotura de las partículas y por tanto del efecto homogeneizador.
Por otro lado, la velocidad del flujo puede llegar a aumentar hasta los 250 m/s, debido al reducido espacio a la entrada de la válvula, por lo que se crea un alto gradiente de velocidad en la dirección del flujo. Este fenómeno produce un flujo elongacional que puede darse también en productos viscosos, deformando las partículas. Además, se crean fuerzas de cizalla que son más intensas cuanto más se deforman las partículas, por lo que contribuye a la deformación y/o rotura de éstas.
Las turbulencias creadas en la salida de la válvula, se incrementan cuando la presión es mayor, lo cual produce entre otros, fenómenos de recirculación o remolinos.
Historia Desde hace años los centros de investigación científica en tecnología alimentaria trabajan en técnicas que permitan obtener alimentos de mayor calidad, cumpliendo con los requisitos demandados por la industria en cuanto a seguridad alimentaria, estándares máximos de calidad, y productos procesados que permitan su conservación y distribución.
Los productos UHPH, al igual que procesos térmicos como el UHT, obtienen productos estériles y conservables a temperatura ambiente, eludiendo el excesivo daño físico o químico que producen anteriores procesados térmicos como el UHT o la pasteurización.
En aplicación a la industria alimentaria, el sistema UHPH permite obtener productos de esterilidad comercial, estables en el tiempo y sin pérdidas en su calidad organoléptica entre otros aspectos.
En 2010 la Universidad Autónoma de Barcelona fruto de las investigaciones del CERPTA solicitó una patente que fue Transferida a la empresa Ypsicon Advanced Technologies S.L y extendida y aprobada a la mayoría de países más importantes en la industria alimentaria y farmacéutica, como son Estados Unidos, China, Corea, Japón, Australia, India y México (patente global WO 2012010284 A2), y en la Unión Europea (EP 2 409 583 B1).
Ypsicon Advanced Technologies S.L ha desarrollado desde entonces en exclusiva esa patente, realizando un desarrollo de ingeniería que ha permitido que esos primeros prototipos de laboratorio y poco fiables se convirtieran en una opción Industrial. Eliminando los planteamientos originales hidráulicos del empleo de la alta presión, y rediseñando el planteamiento original hacia equipos más mecánicos y con nuevas válvulas y materiales que permitan su viabilidad y su escalabilidad.
Efectos sobre los alimentos A partir de los procesos producidos en la válvula, se pueden explicar los cambios producidos en los fluidos tratados por UHPH, que generalmente son leche, bebidas vegetales, zumos, vinos y mostos, y bebidas carbonatadas.
Entre los usos del UHPH más interesantes, además de la esterilidad y estabilidad del producto, se encuentran la preservación de aromas y sustancias nutritivas, y la posibilidad de crear nanoencapsulaciones que preserven y liberen continuamente aceites esenciales u otras sustancias de interés en alimentos enriquecidos.
Cambios físicos
Reducción del tamaño de partícula Igual que en otros sistemas de homogeneización, se produce una reducción del tamaño de partícula, aunque en este caso es más acentuado y puede llegar a reducirse hasta los 100-300 nm, mientras que en convencional se llega a tamaños de partícula de entre 100 y 300 μm.
Además, la disminución de tamaño de partícula también permite crear emulsiones más estables en el tiempo, por lo que se permite eliminar emulgentes y estabilizantes en la composición del alimento, tal y como se ha visto en recientes estudios en mayonesa.
Principales consecuencias en productos lácteos Rotura del glóbulo graso con una disminución de su superficie de membrana nativa disponible para estabilizarlos, por lo que este es más susceptible la oxidación de sus triglicéridos por la lipoproteinlipasa (LPL) propia de la leche, que puede actuar desde tan sólo cinco minutos después de la rotura del glóbulo. Aun así, esto no llega a ocurrir en tratamientos con UHPH, ya que esta enzima queda inactivada, evitando la necesidad de aplicar un leve tratamiento térmico antes o después de la homogeneización para desactivarla. Por otra parte, la estabilidad del glóbulo graso apenas se ve afectada, ya que la falta de membrana nativa se ve compensada por la adhesión de micelas y submicelas de caseína y de proteínas séricas sobre la superficie del glóbulo, por lo que se crea una nueva membrana estable y con una mayor interacción con los elementos, que proporcionará una mayor facilidad de formar de geles y de retener agua.
Finalmente, se produce también la rotura parcial de las micelas de caseína, aunque no llegan a degradarse, por lo que hay una mayor estabilidad debida al aumento de las interacciones intermoleculares.
Encapsulación El sistema permite la creación de nanoencapsulaciones, que permite la emulsificación de aceites esenciales con polímeros, siendo útil para utilizarlos como antioxidantes y/o agentes antimicrobianos, ya que actúan como inhibidores de crecimiento. Además, esta presentación de los aceites esenciales es la que muestra mejores resultados en cuanto a efectividad, comparado con el uso en envasado activo que resultaba problemático. Por otro lado, la nanoencapsulación de estos componentes evita los cambios organolépticos en el producto, ya que los aceites esenciales suelen ser muy fuertes si no se desodorizan.
Al permitir una liberación progresiva de los componentes, las propiedades antimicrobianas se ven incrementadas, se incrementa por tanto su biodisponibilidad y protege a los propios aceites de los agentes externos de oxidaciones u otros factores de degradación.
Estas propiedades permiten que haya numerosas posibilidades que no sólo son aplicables en la industria alimentaria, cuando se quieren aplicar agentes o componentes antimicrobianos a los productos, o bien para enriquecer nutricionalmente alimentos.
Enzimas En cuanto a enzimas, se ha visto que la inactivación de éstas es total o parcial, lo cual es beneficioso en algunos casos como en la leche, ya que con la inactivación de la LPL evitamos la autooxidación de los triglicéridos de los glóbulos grasos que se han roto.