Ultra-Shear: เทคโนโลยีเปลี่ยนเกมอุตสาหกรรมอาหาร
By: ผศ. สมัคร รักแม่
Asst. Prof. Samak Rakmae
Department of Food Engineering
School of Engineering
King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang
samak.ra@kmitl.ac.th
เทคโนโลยี Ultra-shear Technology (UST) เป็นนวัตกรรมที่ผสานการใช้แรงดันสูง แรงเฉือน และการควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำเข้าด้วยกัน เพื่อยกระดับการแปรรูปอาหารและเครื่องดื่มให้เหนือกว่าข้อจำกัดเดิม ไม่ว่าจะเป็นการใช้ความร้อนสูงที่อาจลดทอนรสชาติ กลิ่น สี และคุณค่าทางโภชนาการ หรือแม้แต่เทคโนโลยีแรงดันสูง (High-Pressure Processing; HPP) ที่แม้จะได้รับความนิยม แต่ยังมีข้อจำกัดในด้านการผลิตแบบต่อเนื่องและการรักษาคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์บางประเภท UST จึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อตอบโจทย์ผู้บริโภคยุคใหม่ที่ให้ความสำคัญกับสุขภาพ และมองหาอาหารและเครื่องดื่มที่มีคุณภาพ ปลอดสารเติมแต่ง และคงคุณค่าทางโภชนาการอย่างครบถ้วน
การพัฒนาเทคโนโลยีนี้เป็นผลมาจากความร่วมมือระหว่างทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Ohio State University (OSU) และบริษัท Pressure BioSciences Inc. (PBI) ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านระบบแรงดันสูงในอุตสาหกรรม โดยได้รับทุนสนับสนุนจาก USDA National Institute of Food and Agriculture (USDA–NIFA) ในช่วงปี พ.ศ. 2561-2567 เพื่อใช้ในการติดตั้งระบบระดับนำร่อง (pilot-scale) สำหรับการทดสอบและขยายขนาดการผลิต (scale-up) นอกจากนี้ โครงการยังมุ่งเน้นการสร้างเครือข่ายความร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรม เพื่อพัฒนาแนวทางการนำไปใช้งานจริง พร้อมทั้งกำหนดมาตรฐานเพื่อรองรับการใช้เทคโนโลยีนี้ในเชิงพาณิชย์ต่อไป
หลักการทำงานของ Ultra-shear Technology
กระบวนการนี้ใช้แรงดันสูงร่วมกับแรงเฉือน (shear force) เพื่อยกระดับคุณภาพและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ในรูปแบบของเหลว โดยสามารถดำเนินการได้ทั้งระบบต่อเนื่อง (continuous) และระบบไม่ต่อเนื่อง (batch) โดยมีหลักการทำงาน ดังนี้
1. ของเหลวจะถูกป้อนเข้าสู่ระบบและถูกเพิ่มแรงดันให้สูงถึงระดับ 200-400 MPa จากนั้นของเหลวจะถูกปล่อยผ่านวาล์วเฉือน (shear valve) ที่ออกแบบเป็นพิเศษ ส่งผลให้แรงดันลดลงอย่างรวดเร็ว โดยของเหลวจะไหลผ่านวาล์วด้วยความเร็วสูงมากและพลังงานจากแรงดันจะถูกแปลงเป็นแรงเฉือน พร้อมทั้งจะเกิดการไหลแบบปั่นป่วนอย่างรุนแรงจนทำให้เกิดคาวิเตชัน (cavitation) ขณะเดียวกันอนุภาคในของเหลวจะมีการชนกันด้วยความเร็วสูงและก่อให้เกิดความร้อน ซึ่งจะทำให้อนุภาคเกิดการเสียรูป แตกตัว และมีขนาดเล็กลง
2. ระหว่างที่ของเหลวไหลผ่านวาล์วเฉือน อุณหภูมิของของเหลวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วภายในระยะเวลาไม่ถึง 5 วินาที โดยทั่วไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นประมาณ 18–20°C ต่อแรงดันที่เพิ่มขึ้นทุก 100 เมกะพาสคาล (MPa) ซึ่งการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างเฉียบพลันนี้จะช่วยยับยั้งและทำลายจุลินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยที่ผลิตภัณฑ์จะสัมผัสกับความร้อนในระยะเวลาที่สั้นมาก ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบต่อคุณค่าทางโภชนาการ รสชาติ สี และกลิ่นของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยการควบคุมอุณหภูมิสุดท้ายของผลิตภัณฑ์สามารถทำได้ด้วยการปรับอุณหภูมิเริ่มต้นก่อนเข้าสู่กระบวนการ และสามารถออกแบบระบบท่อเพื่อควบคุมระยะเวลาของการคงอุณหภูมิ (holding time) ให้เหมาะสมกับลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์แต่ละประเภทได้
3. ขณะของเหลวไหลผ่านวาล์วเฉือน อนุภาคภายในของเหลวจะเกิดการแตกตัวและลดขนาดลงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการแปรรูปนม สามารถลดขนาดของอนุภาคไขมันจากเดิมเฉลี่ยประมาณ 3,511.76 นาโนเมตร ให้เหลือเพียง 291.45 นาโนเมตร ซึ่งส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีความเสถียรทางกายภาพสูงขึ้นและลดโอกาสการแยกชั้นของสารต่างๆ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถสร้างนาโนอิมัลชัน (nanoemulsions) ได้ ซึ่งมีขนาดอนุภาคระดับนาโนที่สม่ำเสมอ และช่วยเพิ่มอัตราการดูดซึมของสารอาหารหรือยาได้อย่างมีนัยสำคัญ
4. ขณะที่วาล์วเฉือนแบบปรับแรงเฉือนอัตโนมัติ (self-throttling shear valve) จะทำให้ของเหลวได้รับอัตราแรงเฉือนได้สูงถึง 107 s-1 และอาจสูงถึง 109 s-1 ซึ่งสูงกว่าเครื่องโฮโมจิไนเซอร์ทั่วไปมาก จึงช่วยลดปัญหาการอุดตันของวาล์ว รวมทั้งเพิ่มความสะดวกในการทำความสะอาดและการฆ่าเชื้ออุปกรณ์อย่างมีประสิทธิภาพ
Ultra-Shear Technology (UST) is a breakthrough innovation that combines high pressure, shear forces, and precise temperature control to elevate food and beverage processing beyond conventional limits. Traditional thermal methods often compromise flavor, aroma, color, and nutritional value, while high-pressure processing (HPP)—despite its widespread success—still faces challenges, particularly in continuous production and preserving certain product characteristics. UST was developed to bridge these gaps and meet the evolving expectations of health-conscious consumers who seek nutrient-rich, additive-free products without sacrificing quality.
This innovation was developed through a collaboration between two research teams from Ohio State University (OSU) and Pressure BioSciences Inc. (PBI), a company specializing in industrial high-pressure systems. Funded by the USDA National Institute of Food and Agriculture (USDA-NIFA) between 2018 and 2020, the project aimed to integrate the technology into pilot-scale systems for testing and scale-up. In addition, the initiative highlights the importance of building a collaborative network within the food industry to establish practical guidelines for industrial application and to help shape future standards for the commercial use of UST.
Principles of Ultra-shear Technology
UST combines high pressure with intense shear forces to improve the quality and safety of liquid products. It can be applied in both continuous and batch processing systems. Its underlying principle can be summarized as follows:
1. The liquid is fed into the system, where it is subjected to a high pressure of 200–400 MPa. It is then released through a specially designed shear valve that rapidly reduces the pressure. As the liquid accelerates at extremely high speeds through the valve, pressure energy is converted into shear forces, creating intense turbulent flow and cavitation. Simultaneously, high-velocity collisions between liquid particles generate localized heating, which disrupts and breaks them down into smaller sizes.
2. As the liquid passes through the shear valve, its temperature increases rapidly in less than 0.5 seconds. In principle, every 100 MPa of pressure corresponds to a temperature rise of approximately 18–20 °C. This sudden spike in temperature effectively inactivates microorganisms, while the extremely short exposure to heat minimizes adverse effects on nutritional value, color, and flavor. The final product temperature can be controlled by adjusting the initial inlet temperature prior to operation. In addition, the piping system can be configured to provide specific holding times tailored to the characteristics of different products.
3. As the liquid flows through the shear valve, its particles are further reduced to much smaller sizes. For instance, in milk processing, fat globules can be decreased from an average diameter of approximately 3,512 nanometers to just 291 nanometers, resulting in improved physical stability and a lower risk of phase separation. The technology can also be applied to produce nanoemulsions, which are characterized by uniformly sized nanoparticles that enhance the absorption efficiency of nutrients and pharmaceuticals.
4. The self-throttling shear valve subjects the liquid to shear rates ranging from 107 s-1 up to 109 s-1, which are significantly higher than those achieved by conventional homogenizers. This high-shear performance not only reduces the risk of valve clogging but also facilitates more efficient cleaning and sterilization of the equipment.