Основными компонентами растительного сырья являются крахмал и белки. Изменение совокупности их свойств лежит в основе процесса экструзии.
Кроме основных компонентов (крахмала, белка, воды) в растительном сырье содержатся в небольшом количестве жиры, клетчатка, минеральные вещества, моно — и дисахариды. Превращения этих элементов в процессе экструдирования не являются определяющими в изменениях физико-химических свойств основных компонентов.
Продукты, полученные путем термопластической экструзии, характеризуются высокой пищевой ценностью, т. к. в процессе экструзии инактивируются антипитательные вещества, уничтожаются микроорганизмы, в то время как реакции уменьшения активности витаминов минимизируются.
В процессе экструзионной обработки крахмалосодержащего сырья наибольшие изменения происходят с его углеводным комплексом, идет интенсивная декстринизация и желатинизация крахмала с образованием крахмального геля, декстринов и сахаров.
Крахмал. Физико-химические свойства крахмала определяют прежде всего его полисахаридный состав, тип гликозидных связей, размер молекул, а также прочность и компактность. В противоположность большинству других биополимеров молекулы полисахаридов, входящие в состав крахмала, по химической структуре неодинаковы, хотя и состоят из одинаковых структурных единиц. Оба полисахарида крахмала в значительной степени отличаются нее только структурой, но и молекулярной массой.
Крахмал, составляющий 75% от массы сухих экструдируемых систем, в процессе термопластической экструзии при воздействии влаги, температуры, механических напряжений подвергается сложным превращениям, что приводит к изменению его физико-химических свойств.
Установлено, что при физико-химическом воздействии на зерна крахмала возможно изменение их структуры в любом направлении. При механическом же воздействии на крахмал наиболее вероятен разрыв зерен в радикальном направлении.
Крахмал, подобно белкам, обладает гидрофильными свойствами. Однако в холодной воде крахмальные зерна лишь набухают, но не растворяются. Процесс набухания крахмала носит эндотермический характер. Интенсивность набухания возрастает с повышением температуры. Под действием тепловой энергии разрушается структура крахмальных зерен, они увеличиваются в размерах и при определенной температуре разрушаются. Крахмальная суспензия превращается в вязкий коллоидный раствор – крахмальный клейстер. Температура клейстеризации неодинакова для различных зерновых культур (55-80 С). При дальнейшем повышении температуры вязкость крахмального клейстера снижается; при снижении температуры до комнатной клейстер превращается в упругий гель с трехмерной структурой.
В средах пониженной влажности с повышением температуры крахмал переходит в вязко-текучее (клейстеризованное) состояние, образуя так называемый расплав, охлаждение которого также приводит к образованию трехмерной сетки геля. Существенную роль при экструдировании крахмалов играет содержание в них амилозы и амилопектина. Поведение этих двух компонентов крахмала при термопластической экструзии существенно различно.
Во время обработки крахмала, при высоких температурах от 180 до 200 С начинается разложение крахмала с выделение газообразных продуктов, включая диоксид и оксид углерода, а также следы летучих кислот и альдегидов. Приблизительно 5% крахмала превращается в газообразные продукты.
В растительном сырье в менее значительном количестве представлен другой полисахарид – клетчатка. Обработка клетчатки в экструдере также изменяет её физико-химические свойства и физиологические качества – заметно возрастает содержание диетической клетчатки. Последнее обстоятельство очень важно с позиции физиологической роли экструдированных продуктов в питании.
Известно, что пищевые волокна выводят из организма некоторые метаболиты пищи и загрязняющие вещества, регулируют физиологические процессы в органах пищеварения, обеспечивают профилактику многих заболеваний человека (сахарного диабета, атеросклероза и др.). Продукты с повышенным содержанием пищевых волокон рекомендуются для профилактического употребления при недостатке витаминов и биологически активных компонентов пищи, при физических и интеллектуальных напряжениях в период выздоровления, при беременности лактации, с целью коррекции веса.
Белки. Под действием различных физических и химическихфакторов белки подвергаются изменениям, которые обозначаются общим термином денатурация. Денатурация представляет собой внутримолекулярное явление, характеризующееся, скорее всего, физической перегруппировкой внутренних связей. Происходит нарушение упорядоченности внутреннего строения молекулы, количественно характеризуемое изменением физико-химических свойств белков (растворимости, вязкости растворов, устойчивости к действию ферментов и др.). Считается, что денатурация связана с нарушением вторичной, третичной, четвертичной структур нативного белка с сохранением его первичной структуры.
При экструзионной обработке растительного сырья на белки одновременно действует целый комплекс факторов, вызывающих денатурацию: нагревание, механические напряжения сдвига, сжатия, а также различные химические денатурирующие реагенты.
При денатурации белок из гидрофильного состояния переходит в гидрофобное. Наблюдается изменение оптической активности белков, увеличение реактивности химических групп, ранее экранированных внутри глобулы. Глобулярные белки зернового сырья, устойчивые к действию протеолитических ферментов, после денатурации легче образуют фермент-субстратный комплекс.
Следует отметить, что компактно свернутые пептидные цепи нативного белка не разворачиваются до тех пор, пока в пространство между ними не попадает вода. Поэтому сухие белки более устойчивы к тепловой денатурации, чем белки в растворе.
Некоторые химические соединения оказывают на белки защитное действие. Так, денатурация тормозится концентрированными растворами глюкозы и других сахаров, что связано видимо, с их адсорбцией на глобулах белков и образованием крупных гидрофильных комплексов.
Липиды. Экструдируемое сырье должно содержать небольшое количество жиров, не более 5%. Наличие жиров падение давления внутри экструдера, что может привести к полному прекращению экспандирования (расширения струи выходящего из фильеры продукта). В то же время при этом инактивируются липазы, оказывающие отрицательное влияние на продукт в процессе хранения.
Витамины. Витамины в большинстве случаев являются термонестабильными веществами. На степень их сохранности (или разрушения) оказывают влияния такие факторы, как температура и продолжительность обработки, природа исходного сырья, его влажность, давление, частота вращения шнеков, диаметр отверстий матрицы экструдера. Установлено, что повышение влажности сырья улучшает сохрняемость витаминов, так как способствует снижению температуры обработки и сокращению её продолжительности. Размер отверстий матрицы и температура обработки, как показала экструзия обрушенного и цельного зерна в тритикале, также влияют на количество витаминов в экструдированном продукте.(5)