高圧処理のエネルギー効率の向上

高圧処理（HPP）は、食品の品質を維持しながら微生物学的な安全性を確保し、保存期間を延長する非加熱の食品保存方法です。ただし、閉じ込められた空気やガスによるエネルギー効率の低下は、持続可能な導入に向けた運用上の課題となっています。圧力伝達液および液状食品を超音波脱気すると、圧縮性が低下し、エネルギー損失が最小限に抑えられ、HPPプロセス全体の効率が向上します。

高圧処理（HPP）：エネルギー効率の課題

高圧処理（HPP）は、主要な非加熱食品保存技術の一つであり、液状および固形の食品に対して、微生物の不活化と品質保持を両立します。HPP技術は、食品の官能特性や栄養特性を損なうことなく、食品の安全性と保存期間の延長を実現し、加工を最小限に抑えた製品を好む消費者の傾向の高まりに応えます。しかし、HPPに必要なエネルギーは、特にプロセス内に閉じ込められた空気やガスによって生じる非効率のために、運用上の大きな課題となっています。これらの課題への対処は、持続可能な食品生産に向けてHPPの可能性を最大限に引き出す鍵となります。

概要：HPPとそのエネルギー面の課題

解決策：HPP用液体の超音波脱気

超音波脱気は、圧力伝達液と液状食品の両方から閉じ込められた空気やガスを除去することにより、高圧処理（HPP）のエネルギー効率を高める効率的な解決策を提供します。高出力超音波を適用すると、超音波キャビテーションが気泡の迅速な合体と放出を促進し、圧縮性を低下させ、圧縮時のエネルギー損失を最小限に抑えます。この最適化は、運用コストを削減するだけでなく、プロセスの安定性も高め、食品保存のためのHPPをより持続可能で効果的なものにします。
 

水の超音波脱気

HPPの仕組み

高圧処理（HPP）は、通常、柔軟性と防水性のある包装に入れた食品に、最大6,000 bar（600 MPa）の極めて高い圧力を加える処理です。このプロセスは、水を満たした高圧容器内で、次の単純な手順に沿って行われます：

1. 搬入： 包装済みの製品をプラスチック製のバスケットに入れ、高圧容器内へ搬送します。
2. 加圧：圧力伝達媒体となる水を容器に充填します。その後、システムを所定の圧力まで加圧し、通常は数分間その圧力を維持します。
3. 等方圧効果： 製品の大きさ、形状、組成にかかわらず、製品全体に圧力が均一かつ瞬時に加わります。この等方圧は、製品を押しつぶしたり変形させたりすることなく、食品由来の微生物や腐敗に関与する酵素を不活化します。
4. 減圧と搬出： 容器を減圧し、水を排出して、処理済みの製品を搬出します。製品は、そのまま食べるか、さらに加工できる状態になります。

高圧処理（HPP）
© Balakrishna et al., 2020

 
HPP法は、味、食感、栄養成分含有量を保持しながら、食品の安全性を確保します。しかし、このプロセスには多大なエネルギー投入が必要であり、その必要量は運用上の複数の非効率によって左右されます。

HPPにおける高エネルギー消費の課題

HPPの主な欠点の一つは、エネルギー消費量が多いことです。このプロセスが多大なエネルギーを必要とする理由は、次のとおりです：

• 水（圧力伝達液）の加圧： 等方圧を伝達するために使用する水を圧縮し、目標圧力を維持するには、多大なエネルギーが必要です。
• 圧力伝達液に閉じ込められた空気やガス： 水中の気泡は圧力伝達効率を低下させ、必要なエネルギーを増加させます。これらの気泡は加圧時に圧縮され、本来は食品の処理に利用できるエネルギーを吸収します。
• 包装された製品内のガス： 包装された食品内（例えば、缶詰や半固形製品内）に閉じ込められた空気やガスも、同様にエネルギー損失の原因となります。内部のガスポケットを圧縮するには追加のエネルギーが必要であり、圧力の均一性を妨げることがあります。
• 熱としてのエネルギー損失： HPPは非加熱プロセスとされていますが、水の圧縮や装置の摩擦によって、エネルギーの一部が熱として散逸します。これにより、運用コストと冷却の必要量が増加します。

閉じ込められた空気やガスがHPPのエネルギー需要に及ぼす影響

空気やガスの存在は、HPPの効率に大きな影響を及ぼします：

• 圧力伝達効率の低下： 空気やガスは液体よりも容易に圧縮されるため、容器内で同じ圧力を達成するには追加のエネルギーが必要です。
• 処理時間の延長： 閉じ込められた空気やガスは等方圧の安定化を遅らせ、サイクル時間を延長します。
• エネルギーの浪費： 圧縮されたガスポケットは減圧時にエネルギーを放出しますが、このエネルギーは回収できず、全体の効率低下につながります。

これらの影響は、もともと空気含有量が多い食品や、缶詰や真空包装品など、ヘッドスペースのガスを閉じ込める包装を用いた製品を処理する際に、特に顕著になります。

HPPのエネルギー面の課題に対処するための方策

HPPのエネルギー効率を改善する取り組みは、システム内の空気やガスの影響を低減することに重点を置いています：
前処理 – 超音波脱気：
超音波を適用して圧力伝達液や食品から溶存する空気やガスを除去することで、エネルギーの浪費を大幅に削減できます。超音波キャビテーションは気泡を効果的に破壊し、加圧前にガスを逃がします。
さらに、製品、特に缶詰や密封された製品は、真空下での超音波脱気後に固まる可能性があります。

時間経過に伴う溶存酸素の減少 （超音波処理装置UP400Stを振幅100 %、80 %、60 %、40%、20 %で使用）.
研究：©Rognerud et al., 2020.

持続可能なHPPの代替となる超音波処理

高性能超音波と穏やかな加熱を組み合わせるハイブリッドHPPシステム（サーモソニケーション）、または高性能超音波と加圧および穏やかな加熱を組み合わせるハイブリッドHPPシステム（マノサーモソニケーション）は、穏やかな条件下で、少ないエネルギー消費により、信頼性の高い均質化と低温殺菌を実現する有望な代替技術です。超音波による低温殺菌はインラインプロセスであるため、大量の製品でも高いコスト効率で処理できます。
液状食品のインライン低温殺菌に用いるHielscherの超音波処理装置について、詳しくご覧ください！

HPPは食品加工に広く使用されていますが、多大なエネルギーを必要とする性質に、閉じ込められた空気やガスによる非効率が重なり、重大な課題となっています。超音波脱気などの方策を組み込むことで、食品業界はHPPの持続可能性と費用対効果を高めることができます。
Hielscher Ultrasonicsは、HPPの最適化に向けたプロセスソリューションを提供する信頼できるパートナーであり、エネルギー効率とプロセスの信頼性を向上させる先進的な超音波技術を提供しています。さらに、Hielscherは、超音波を利用した相乗効果のある食品低温殺菌のための革新的なソリューションを提供し、高品質で安全な食品を確保します。