Introducción
Las tecnologías de presurización cada vez se utilizan más en industria alimentaria por su capacidad para eliminar microorganismos con un bajo impacto en la calidad organoléptica. La Homogeneización a Presión Ultra Alta (UHPH) es una tecnología de procesado por presión aplicable a líquidos (mosto, vino) en la que se realiza un bombeo a presiones superiores a 200 MPa (usualmente 300 MPa) seguido de una posterior descompresión en una válvula especial a presión atmosférica o superior (Morata y Guamis, 2020) (Figura 1). El fluido de la bomba a la válvula circula a muy alta velocidad (Mach 3 ≈ 4000 km/h) por una tubería capilar. Cuando atraviesa la válvula se despresuriza sufriendo intensos esfuerzos cortantes e impactos, y produciéndose una efectiva y homogénea nanofragmentación de las partículas coloidales a 300-500 nm (Bañuelos et al., 2020, Vaquero et al., 2022).
El proceso supone una rápida elevación de la temperatura que puede ser acentuada con un intercambiador preválvula, siendo de aproximadamente 70-90 °C sin calentamiento (Bañuelos et al., 2020, Loira et al., 2018) y pudiéndose alcanzar 150-160 °C con calentamiento. En cualquier caso es un proceso muy rápido (inferior a 0,2 segundos) y con bajo impacto térmico en la calidad sensorial y nutricional (Loira et al., 2018). A la salida de la válvula, la temperatura se reduce significativamente por expansión y se puede aumentar este efecto mediante refrigeración por intercambio. Con temperaturas iniciales en el fluido de 20 °C es habitual tener una elevación en válvula a 80 °C y una reducción postválvula a 25 °C, dependiendo del tratamiento aplicado en el intercambiador de salida.
Efectos y características del procesado UHPH
Este proceso y la nanofragmentación que conlleva suponen la despolimerización a nanoescala de partículas coloidales existentes en el mosto, procedentes de los tejidos vegetales, así como de los microorganismos que pueda contener. La eliminación de microorganismos es altamente efectiva para células vegetativas de levaduras y bacterias, y, dependiendo de la temperatura en válvula, también de esporulados (Loira et al., 2018, Bañuelos et al., 2020). Se ha medido por difracción laser (Loira et al., 2018) y microscopía AFM (Vaquero et al., 2022) que el tamaño inicial de las partículas coloidales es de 1,5 µm en promedio y que después de un procesado UHPH se reduce a 400-500 nm. Este efecto supone la rotura e inactivación de microorganismos e incluso esporas dependiendo de la temperatura en válvula (Tabla 1). El escaso tiempo de residencia (<0,2 segundos) minimiza el daño térmico, no detectándose marcadores térmicos como el hidroximetilfurfural (HMF) (Bañuelos et al., 2020) y no siendo degradadas moléculas con impacto sensorial como terpenos (Bañuelos et al., 2020), antocianos (Vaquero et al., 2022), o tioles (Escott et al., 2024).
Extracción y liberación de moléculas con impacto sensorial
La UHPH produce distorsiones a nivel molecular en la pared y membrana de las células de tejidos vegetales y de sus estructuras subcelulares facilitando la extracción y liberación de antocianos (Vaquero et al., 2022, Morata et al., 2021, Morata et al., 2023), taninos (Vaquero et al., 2022), y aromas varietales (Bañuelos et al., 2020, Escott et al., 2024). Estos efectos se producen por diferentes mecanismos, como impacto, esfuerzos cortantes, turbulencia o cavitación que promueven la rotura, y globalmente suponen una aceleración de la maceración. Esto permite mejoras en la extracción de restos celulares significativas en el tiempo de procesado. Además, se observa que las partículas coloidales nanofragmentadas no muestran color comparados con los controles, probablemente por la liberación de estos componentes (Vaquero et al., 2022).
Por otro lado se ha observado que en mostos con desfangados ligeros y altos contenidos de partículas coloidales, una vez procesados por UHPH, desarrollan mayores contenidos de ésteres aromáticos afrutados (Loira et al., 2018). Probablemente es debido a un mayor contenido de nitrógeno fácilmente asimilable, liberado de los coloides sólidos nanofragmentados, lo que puede servir para modular el perfil sensorial de variedades neutras. También se observa lo contrario en mostos muy desfangados, los contenidos de ésteres y alcoholes superiores son más reducidos, y se pueden separar claramente mediante análisis de componentes principales los fermentados de mostos UHPH de los controles (Escott et al., 2024). Este efecto es muy interesante y permite potenciar aromas varietales en variedades terpénicas o tiólicas. Con lo cual, dependiendo de la intensidad del desfangado, se pueden modular aromas fermentativos o varietales y la UHPH se convierte en una potente herramienta para mejorar el perfil sensorial de ambas tipologías de variedades.
Inactivación de enzimas oxidativas. UHPH como alternativa al SO2
La UHPH tiene la capacidad de inactivar enzimas polifenol oxidasas (PPO); se han medido pérdidas de viabilidad superiores al 90% (Loira et al., 2018). Esta inactivación probablemente se deba a una desnaturalización y desplegado de la estructura terciaria de la proteína. La desnaturalización de las PPO supone que los mostos se mantienen sin pardeamientos en ausencia de SO2 y en exposición al aire durante varios días (Bañuelos et al., 2020); este efecto se mantiene en los vinos después de la fermentación (Bañuelos et al., 2020). Además, probablemente junto a la mayor liberación de polifenoles, supone que los mostos UHPH presentan mayor actividad antioxidante (+5-50%. Véase Tabla 1).
La inactivación de enzimas oxidativas procedentes de la uva sana (PPO), sugiere probablemente el mismo efecto en uvas botritizadas afectadas por lacasa (pendiente de verificación), y convierte a la UHPH en una potente herramienta para minimizar, o quizás incluso, eliminar la utilización de sulfitos en el proceso enológico. El control de oxidaciones y pardeamientos demanda mayores dosis de SO2, especialmente en vinos blancos. Utilizando condiciones inertes y con una elevada inactivación de PPO mediante UHPH se pueden reducir de forma notable los contenidos de SO2 en los vinos.
Efecto en la aplicación de nuevas biotecnologías
La UHPH tiene una alta capacidad antimicrobiana y puede utilizarse para pasterizar (y dependiendo de la temperatura en válvula, esterilizar) mostos o vinos. Esto permite una mejor implantación de inóculos seleccionados de levaduras Saccharomyces, y el uso de biotecnologías especiales como las coinoculaciones levadura-bacteria o el uso de no-Saccharomyces (Morata y Guamis, 2020, Comuzzo et al., 2023). La capacidad antimicrobiana sumada al efecto de inactivación de enzimas oxidativas la convierte en una tecnología muy interesantes para sustituir al SO2, total o parcialmente.
En mostos pasterizados por UHPH se consiguen altas implantaciones de levaduras no-Saccharomyces de especies muy utilizadas actualmente como: Lachancea thermotolerans para mejorar la acidificación, pH y frescor; Torulaspora delbrueckii para incrementar el volumen en boca y hacer más complejo el perfil aromático; Metschnikowia pulcherrima para liberar glicósidos de terpenos; o Hanseniaspora vineae para aumentar estructura y aportar aromas florales. Además, en la actualidad, varias de estas especies se emplean en bioprotección para mejorar la estabilidad microbiológica y oxidativa de los vinos, y su efecto puede ser potenciado y complementario al de la UHPH.
Desestacionalización de mostos
Uno de los principales inconvenientes de la producción vitivinícola es que la materia prima se produce en un período de tiempo muy corto, 1-3 meses, y obliga a elaborar toda la producción en esa época. Por otra parte, algunas elaboraciones se beneficiarían de que se pudiera fermentar varias veces al año y en momentos más próximos a su consumo, para mantener el frescor y la juventud de los vinos. El uso de UHPH mantiene el mosto microbiológicamente estable y sin oxidaciones, con lo cual se podría almacenar en depósitos estériles hasta el momento adecuado, en condiciones óptimas para realizar la fermentación y producir el vino. Esto daría ventajas competitivas a los elaboradores y al mismo tiempo reduciría el número de fermentaciones en período de vendimia, descongestionando esta época.
Procesado de lías y vinos envejecidos con lías
La UHPH permite también el procesado de lías o vinos con sus lías, produciendo una intensa fragmentación de las células de levadura y facilitando la cesión de contenido citosólico y constituyentes parietales. Se puede utilizar para el procesado de vinos blancos y tintos en envejecimiento sobre lías para favorecer o acelerar la liberación de polisacáridos y manoproteínas, para mejorar el volumen en boca de los vinos en envejecimiento biológico. Además, elimina el riesgo de que coexistan microorganismos vivos durante el proceso de envejecimiento sobre lías.
También se puede aplicar en la crianza en rima de vinos espumosos, además si se realiza la despresurización a 6 bares se puede mantener la carbonatación y la presión durante el procesado UHPH.
Esterilización de vinos previa al embotellado
Actualmente, la esterilización de los vinos previa al embotellado se hace mediante filtración por membranas de poro fijo, utilizándose membranas de 0,22 a 1 µm, dependiendo del tipo de vino. Muchos enólogos prefieren en algunos vinos de mayor calidad y especialmente en tintos que tienen mayor contenido coloidal utilizar membranas de poro más grande, 0,65 a 1 µm, o incluso no realizar estas filtraciones por el posible efecto en la pérdida de color o aroma. El uso de UHPH como sustitutivo a la filtración esterilizante presenta la ventaja de ser una técnica que no retiene ningún componente, y extraordinariamente delicada con antocianos y aromas.
El uso de UHPH permite, dependiendo de las condiciones de proceso, esterilizar o pasterizar, manteniendo la calidad sensorial de los vinos. Es fácilmente instalable en una línea previa al embotellado por su funcionamiento continuo. Tiene la ventaja adicional de desnaturalizar componentes proteicos como las enzimas responsables de la oxidación. Para vinos de gran carga coloidal como los tintos de gran extracción, mejora su estabilidad evitando sedimentaciones. En el caso de espumosos se puede despresurizar a 6 bares y asociar a embotellado isobarométrico.
Contexto legal y regulación
En la actualidad el uso de UHPH está aprobado por la OIV para aplicaciones de uso enológico, para controlar microorganismos y mejorar la extracción (RESOLUTION OIV-OENO 594B-2020), por lo que se pueden utilizar como prácticas enológicas aceptadas. Además, a nivel nacional la empresa Ypsicon (https://www.ypsicon.com/ ), derivada de una EBT de la UAB, está implicada en el desarrollo y optimización de equipos que aplican esta tecnología en el procesado del mosto, o en el tratamiento de los vinos.
Ypsicon ha desarrollado equipos de procesado para mostos y vinos de 60 a 150 L/h (Figura 2), y actualmente está fabricando el primer equipo para trabajar a escala industrial a 3000 L/h. La parte más limitante son las bombas para trabajar de forma estable a 300 MPa, pero en la actualidad existen equipos de hasta 10 000 L/h que asociando varias en paralelo podrían llevar la capacidad de procesado fácilmente hasta 50 000 L/h (https://www.ypsicon.com/ ).
Sostenibilidad e impacto ambiental
La UHPH es una tecnología que precisa bajos consumos de agua de limpieza para la higienización de los equipos debido a que el volumen de tuberías del equipo es pequeño. Además, no precisa como fluido auxiliar vapor, ya que se puede usar el calentamiento en válvula como medio de esterilización. Se puede utilizar simplemente agua caliente a 70 °C y el calentamiento adicional conseguirlo en válvula. Por otra parte, al ser un equipo compacto y de fluídica reducida, los requerimientos energéticos son limitados, el consumo principal es el del motor que mueve la bomba. Comparado con otras tecnologías térmicas y de presurización, el consumo energético es inferior.
Conclusiones
La UHPH es una tecnología muy potente para el procesado de líquidos en la industria alimentaria. En el sector enológico tiene ventajas muy interesantes para la sanitización y estabilización de mostos y vinos sin afectar a la calidad sensorial. Permite reducir el SO2 controlando microorganismos y oxidaciones. Mejora notablemente la implantación de inóculos seleccionados. Permite la desestacionalización de las fermentaciones. Y el desarrollo de nuevas técnicas de vinificación. Es, en resumen, una tecnología disruptiva que abre muchas posibilidades en la enología del siglo XXI.
Agradecimientos
This research was funded by MINISTERIO DE CIENCIA E INNOVACIÓN, project ENOINNOVAPRESS—PID2021-124250OB-I00 Ministerio de Ciencia e Innovación and UHPH4wines— CPP2021-009030 MICINN NextGenEU. This work was partially supported by the State Program to Promote Scientific-Technical Research and its Transfer of the Spanish Ministry of Science and Innovation through the MALTA CONSOLIDER TEAM Research Network (RED2022-134388-T).
Referencias
Morata, A., Guamis, B.: “Use of UHPH to Obtain Juices With Better Nutritional Quality and Healthier Wines With Low Levels of SO2”. Front. Nutr. 2020, 7, 598286. http://dx.doi.org/10.3389/fnut.2020.598286
Gómez-López, V. M., Pataro, G., Tiwari, B., Gozzi, M., Meireles, M. Á. A., Wang, S., Guamis, B., Pan, Z., Ramaswamy, H., Sastry, S., Kuntz, F., Cullen, P. J., Vidyarthi, S. K., Ling, B., Quevedo, J. M., Strasser, A., Vignali, G., Veggi, P. C., Gervilla, R., Kotilainen, H. M., Pelacci, M., Viganó, J., Morata, A.: “Guidelines on reporting treatment conditions for emerging technologies in food processing”. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2021, 62, 5925-5949. https://doi.org/10.1080/10408398.2021.1895058
Comuzzo, P., del Fresno, J. M., Voce, S., Loira, I., Morata, A.: “Emerging biotechnologies and non-thermal technologies for winemaking in a context of global warming”. Front. Microbiol. 2023, 14, 1273940. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1273940
Bañuelos, M.A.; Loira, I.; Guamis, B.; Escott, C.; Del Fresno, J.M.; Codina-Torrella, I.; Quevedo, J.M.; Gervilla, R.; Rodríguez Chavarría, J.M.; de Lamo, S.; et al.: “White wine processing by UHPH without SO2. Elimination of microbial populations and effect in oxidative enzymes, colloidal stability and sensory quality”. Food Chem. 2020, 332, 127417. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.127417
Vaquero, C.; Escott, C.; Loira, I.; Guamis, B.; del Fresno, J.M.; Quevedo, J.M.; Gervilla, R.; de Lamo, S.; Ferrer-Gallego, R.; González, C.; et al.: “Cabernet sauvignon red must processing by UHPH to Produce Wine Without SO2: The colloidal structure, microbial and oxidation control, colour protection and sensory quality of the wine”. Food Bioprocess Technol. 2022, 15, 620–634. https://doi.org/10.1007/s11947-022-02766-8
Loira, I.; Morata, A.; Bañuelos, M.A.; Puig-Pujol, A.; Guamis, B.; González, C.; Suárez-Lepe, J.A.: “Use of ultra-high pressure homogenization processing in winemaking: Control of microbial populations in grape musts and effects in sensory quality”. Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2018, 50, 50–56. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.10.005
Morata, A.; Escott, C.; Loira, I.; López, C.; Palomero, F.; González, C.: “Emerging Non-Thermal Technologies for the Extraction of Grape Anthocyanins”. Antioxidants 2021, 10, 1863. https://doi.org/10.3390/antiox10121863
Escott, C., Vaquero, C., del Fresno, J. M., Topo, A., Comuzzo, P., Gonzalez C., Morata, A.: “Effect of processing Verdejo grape must by UHPH using non-Saccharomyces yeasts in the absence of SO2”. Sustainable Food Technol., 2024. https://doi.org/10.1039/D3FB00226H
Morata, A., del Fresno, J. M., Gavahian, M., Guamis, B., Palomero, F., López, C.: “Effect of HHP and UHPH High-Pressure Techniques on the Extraction and Stability of Grape and Other Fruit Anthocyanins”. Antioxidants, 2023, 12, 1746. https://doi.org/10.3390/antiox12091746
