Наиболее распространенное направление совершенствования технологии экструзионных продуктов связано с обогащением рецептурного состава физиологически необходимыми нутриентами пищи.

Новые воздушные зерновые продукты с обогащенным аминокислотным, минеральным и витаминным составом получены за счет добавления к кукурузной крупке 5-20% сырья пшеничных зародышей. При хороших органолептических показателях в продукте повышено содержание лизина и серосодержащих аминокислот, железа и цинка (5).

Представления о механизме формирования экструдатов различной структуры, полученных термопластической экструзией, открывают широкие регулирования их функциональных свойств. Эти возможности определяются в основном гетерофазной природой экструдатов, когда их функциональные свойства зависят от свойств не только непрерывной, но и дисперсной фаз.

Рис.10. Зависимость индекса расширения экструдатов изолята белков бобов сои от содержания в них картофельного крахмала (экструзию проводили в условиях «взрывного» испарения воды с использованием структурирующей фильеры диаметром 3 мм)

Исследования индекса расширения экструдатов пористой макростуктуры, полученных на основе смесей биополимеров различной структуры, показывают, что существенное влияние на его величину, помимо взрывного испарения воды, оказывает состав экструдируемой смеси. Как видно из рис. 10, индекс расширения экструдатов, полученных на основе смесей биополимеров, всегда больше индекса расширения экструдатов, полученных на основе индивидуальных компонентов экструдируемой смеси. Такое поведение, при прочих равных условиях, обусловлено увеличение вклада эластических свойств дисперсных частиц гетерофазного расплава биополимеров.

Аналогичные результаты были получены при исследовании экструлатов рисовой крупки с казеинатом натрия. В отличие от последних, индекс расширения экструдатов, полученных на основе рисовой крупки с сухим обезжиренным молоком и концентратом сывороточных белков, падает при увеличении их содержания в экструдируемой смеси. Различия в поведении индекса расширения экструдатов могут быть обусловлены двумя причинами: во-первых, отличием в соотношении вязкостей фаз и, во-вторых, отличием в эластических свойствах дисперсной фазы.

Анализ работ, посвященных изучению функциональных свойств экструдатов, полученных на основе смесей изолята белков сои с различными полисахаридами и желатиной, показывает, что эти свойства зависят от природы и содержания последних в экструдируемой смеси. Так, например в зависимости от состава экструдируемой смеси и природы её отдельных компонентов общее содержание воды в подвергнутых гидротермической обработке экструдатах может быть как больше, так и меньше содержания воды в вареной мышечной ткани коровы, свиньи, трески. Эти результаты дают возможность подобрать состав экструдируемой смеси таким образом, чтобы общее содержание воды в экструдатах и мышечной ткани было одинаковым. Аналогичный вывод получен при анализе характера распределения воды в мышечной ткани и экструдерах, а также их водо — и жиросвязывающей способности (1).

В работе (3) Касьянова Н. И. были проведены исследования по обработке смесей для рецептур экструдированных продуктов на зерновой, мясной и рыбоовощной основах, было отдано предпочтение оборудованию английской фирмы APV Baker.

Была разработана схема производства подушечек с начинкой:

— смешивание основного сырья с добавками;

— приготовление жидких компонентов;

— изготовление продуктов методом экструзии;

— глазирование;

— фасование;

— упаковывание.

Табл. 3. Рецептурный состав «Подушечки с начинкой»

Экструзионной обработке можно подвергать не только многокомпонентное сырье, но и моносырье, например, сорго, соевые бобы, из которых затем можно получать растительное «молоко» и другие продукты.

Также в работе Касьянова Н. И. была рассмотрена оригинальная технология производства рыборастительных крипсов. Рецептурный состав этой продукции включает, %: измельченное зерно сорго 65, картофельное пюре 10, сухое соевое молоко 3, морковь 5, лук 3, сушеный фарш прудовых рыб 8, соль и СО2 – экстракты горького черного перца, душистого перца и лаврового листа.

Рыборастительные крипсы получали при параметрах: частота вращения шнеков 4 с, диаметр фильеры 4мм, начальная температура экструзии 160 С, влажность смеси 18-20%.

Соотношение белков, жиров и углеводов в крипсах было близким к оптимальному; минеральный состав: кальций-магний 1:1,06, кальций-фосфор 1:2,35, содержание эссенциальных жирных кислот 5,5% (3).

В работе 5 предложены способы производства снеков с высоким содержанием белка из крахмала тапиоки, мяса рыбы и частично обезжиренной муки арахиса.

Рыбный фарш (в исследованиях использовали свежую мелкую канальную рыбу) герметизируется в пластиковых морозильных мешках и хранится при — 18 С, а перед использованием размораживается при 7С в течении 12 часов. Крахмал тапиоки и рыбный фарш смешивается в массовом соотношении 60:40. Содержание влаги в смеси доводится до 40% (влажная основа) добавлением воды при перемешивании ленточным смесителем в течении 30 мин. Далее смесь упаковывается в полиэтиленовые пакеты и хранится при – 18 С до использования. Перед использованием смесь размораживается при 7 С в течение 12 часов.

В Испании разработана технология производства муки для детского питания, получаемая экструдированием смеси рисовой и соевой муки (70:30) с влажностью 18%. Скорость подачи смеси в двухшнековый экструдер составляет 20,8 кг/ч, частота вращения шнека – 100 мин, диаметр выходных отверстий – 5мм. Наилучшее качество продукта достигается при температурах в 1-4-й зонах экструдера 30-80-80-160 и 30-80-100-120 С. Пробы муки после экструдирования не содержат активного ингибитора трипсина.

Фирмой «Nestle» предлагался способ производства термообработанных и экструдированных рисовых гранул, восстанавливаемых в холодной и теплой воде. В состав гранулированного продукта входит рисовая мука со степенью клейстеризации 50…95% (предпочтительно 75…85%), 5…30% воды, 3…9% жиров и 0,1…3,0% полипропиленгликольальгината. Дополнительно в состав продукта включают 0,1…1,0% эмульгатора или эмульсионной смеси. Степень полимеризации полипропиленгликольальгината соответствует вязкости 0,01…0,10 Па*с, предпочтительно 0,01…0,05 Па*с, при температуре 20…30С в 0,5…1,5% растворе. Смесь рисовой муки, воды, жиров и полипропиленгликольальгината подвергают тепловой обработке в варочном экструдере при температуре 70…150 С с целью частичной клейстеризации крахмала, получая гранулированный экструдат, который затем подсушивают с целью доведения содержания влаги в нем до 5…7%.

В Японии разработана лапша, содержащая 20…50% пюре тофу (соевый творог), отличающаяся улучшенной текстурой и хорошими вкусовыми свойствами. Средний диаметр частиц пюре 35 мкм. Экструдат нарезают в виде элементов длиной 25 см и подвергают сушке в течение 12 мин при 105С, после чего продукт охлаждают до 20С, получая 5 кг спагетти с содержанием влаги 8%.

Французской фирмой «Clextral» предложен способ непрерывного производства закусочного пищевого продукта в виде шариков с увеличиваемым объемом из натурального крахмалосодержащего сырья. Содержание влаги в готовом продукте составляет 9…14%. Сырье предварительно кондиционируют путем добавления воды или водяного пара с целью доведения содержания влаги до 15…40%; непрерывно подают материал в экструдер, где он подвергается тепловой обработке до достижения температуры 70…150С. На выходе масса дегазируется и охлаждается до 50…95С. Экструдированный жгут, ориентированный в вертикальном направлении, вводится в камеру разделения, нарезается на полосы с целью изготовления из них шариков (5).

В работе Бурцева А. В. (2) усовершенствована технология производства экструдированных продуктов на основе растительного и животного сырья. Разработаны рецептурные композиции экструдатов, сбалансированные по аминокислотному составу, имеющие высокую пищевую ценность.

Исходными данными для выполнения первого этапа моделирования явилась совокупность ингридиентов, выбранных автором в качестве наиболее соответствующих требованиям экструзионной технологии в целом, а также аминокислотный состав эталонного белка. Для расчета рецептур использовали программный пакет расчета рецептур пищевых продуктов GENERIC 2.1., разработанную канд. техн. Наук А. А. Запорожским и В. А. Запорожским. В качестве определяющего выбрали белковый модуль этой программы, как наиболее важный для моделирования высокобелковых экструдированных продуктов. В резуальтате моделирования аминокислотного состава получили четыре базовые рецептурные композиции, приведенные в таблице 4. Выбор рецептур производили из пятидесяти вариантов, распределенных по значению обобщенного показателя функции желательности Харрингтона. В дальнейшем состав этих рецептур отрабатывали на экструзионной установке.

Табл. 4. Рецептурный состав по белковым ингредиентам базовых композиций, полученных при моделировании белкового модуля

Табл. 5. Общий химический состав рецептурных смесей до экструдирования

Табл.6. Химический состав экструдатов после проведения процесса экструзии.

В таблице 7 приведен компонентный состав рецептурных композиций, обработкой которых в лабораторной экструзионной установке были получены исследуемые образцы экструдированных продуктов.

Табл.7. Компонентный состав рецептурных композиций

Использование в модельных рецептурах СО2-экстракты представляли собой растворы в растительном масле, соотношение масла и экстракта 5:1.

Комплексную оценку экструдированных образцов проводили по следующим показателям: общий химический состав, характеризуемый массовыми долями влаги, белков, липидов, и углеводов, аминокислотный состав белков, относительная биологическая ценность, показатели безопасности, органолептическая оценка.

Экспериментальные данные, полученные при изучении химического состава опытно-промышленных образцов экструдированных продуктов с повышенным содержанием протеинов приведены в таблице 8.

Табл. 8. Пищевая и энергетическая ценность экструдированных продуктов с повышенным содержанием протеинов.

Усвояемость экструдированных продуктов с повышенным содержанием протеинов составила 96,5%, что близко к эталонному значению, намного превосходящую усвояемость аналогичных экструдированных продуктов, например зерновых «Сухих завтраков» (2).

Обработка растительного сырья термопластической экструзией обеспечивает большой объем и разнообразие производимой продукции и высокий экономический эффект, обусловленный прежде всего тем, что один экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства продуктов. Его использование позволяет сделать процесс непрерывным, легко контролируемым, универсальным по видам перерабатываемого сырья и готовых продуктов.

Экструзионная обработка растительного сырья – универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, позволяющий получать легкоусвояемые стерилизованные продукты с улучшенными вкусовыми свойствами.

Экструзия – идеальный технологический процесс для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими веществами. Возможность регулирования состава продуктов в сторону увеличения содержания белков, витаминов или минеральных веществ играет важную роль в профилактике многих заболевания человека.

Малый вес при большом объеме обуславливает два основных недостатка экструдатов: для их хранения требуются значительные площади, их транспортировка требует значительных расходов.

The post Совершенствование технологии экструдатов first appeared on 3Д БУМ.

В современной практике экструзионных технологий наиболее широкое применение нашли экструдеры двух типов – одно — и двушнековые, которые имеют различные технические особенности, спецефические рабочие параметры режима переработки сырья и т. д. В работе канд. технических наук Мироновой Н. Г. были рассмотрены конструктивные особенности рабочих органов экструдера будут в существенной мере определять степень механического воздействия на компоненты исходных материалов во время экструзии.

Целью исследований было определить степень преобразований, которые происходят в углеводном компоненте сырья при обработке в экструдерах различных конструкций. Для этого кукурузную крупу, которая традиционно используется при производстве сухих завтраков и различных закусочных продуктов, обрабатывали в двушнековом экструдере марки MPF-50 фирмы APV Baker, в одношнековых экструдерах марки A1-КХ-2П производства Днепропетровского машиностроительного завода и в экструдере типа S-45 производства Польши. Последние машины отличаются между собой профилем винтовой линии шнека, частотой вращения ( в экструдере S-45 частота вращения шнека в 2 раза больше, чем в А1-КХ-2П), а также температурой обработки (в S-45 – до 100 С, в А1-КХ-2П – до 150 С).

Количество крахмала определяли по методу Эверса, количество декстринов – по методу М. П. Поповой, Е. Ф. Шаненко, количество сахаров – йодометрическим методом. Образцы для микроскопирования замораживали и лиофолизировали, на высушенной пробе делали скол и напыляли углерод. Образец в 10 полях зрения на электронном микроскопе JEOL ISM-T 200 (Япония).

В результате проведения исследований было определено, что наиболее велики потери крахмала при обработке в двушнековом экструдере (рис. 6) и составляют 23,4%. При обработке в одношнековых экструдерах количество крахмала уменьшается на 19,8% в S-45 и на 11,6% в А1-КХ-2П. Это может свидетельствовать о том, что экструзия в двушнековом аппарате сопровождается более глубокой термической и механической деструкцией крахмальных полисахаридов.

Рис. 6. Изменение количества крахмала и декстринов при обработке кукурузной крупы в различных экструдерах (I – массовая доля крахмала; II – массовая доля декстринов): 1 – кукуруза, 2 – продукт, полученный на экструдере А1-КХ-2П; 3 – продукт, полученный на экструдере S – 45; 4 – продукт, полученный на экструдере MPF-50.

Анализ количества продуктов гидролиза – декстринов (рис. 6) и сахаров (табл. 2) также показывает, что степень гидролиза полисахаридов в различных экструдатах неодинакова. Наименьшее количество декстринов накапливается в крупе, которую обрабатывали на одношнековом экструдере А1-КХ-2П, а наибольшее – при обработке в экструдере S-45. Содержание декстринов в продукте после экструзии в двушнековой машине MPF-50 оказалось меньшим по сравнению с образцом, который обрабатывали на экструдере S-45, однако на фоне больших потерь крахмала это не может объясняться низким уровнем деструкции крахмальных полимеров.

Табл. 2. Изменение количества сахаров при обработке кукурузной крупы в различных экструдерах.

Количество сахаров в продукте после экструзии не может быть абсолютным показателем глубины гидролиза, т. к. эта величина – результат одновременного протекания процесса гидролиза крахмала, сопровождающегося накоплением сахаров, и процесса, характеризующегося потерями сахаров вследствие их взаимодествия с другими компонентами сырья с образованием различных комплексов (например, меланоидинов).

При экструзии процессы, когда происходит потеря сахаров, преобладают над процессами их образования, поскольку количество сахаров после обработки, как правило, уменьшается. Потеря сахаров в образцах кукурузной крупы, обработанной в различных экструдерах, неодинакова. Меньше всего их теряется при обработке в экструдере А1-КХ-2П (табл. 2), больше всего – в эструдере S-45.

Таким образом, обработка растительного сырья в экструдерах различных конструкций неодинаково влияет на степень биохимических преобразований углеводного компонента. Обработка кукурузной крупы в одношнековом экструдере А1-КХ-2П, который характеризуется наибольшим усилием сдвига, вызывает наименьшие изменения в химическом составе углеводного компонента по с равнению с другими, т. е. Оказывает наименьшее механическое и термическое влияние.

Исследование микроструктуры зерна кукурузы и экструдатов, полученных при обработке на экструдерах различных конструкций, применяли как дополнительный метод, который дает возможность визуально оценить глубину преобразований основных компонентов во время экструзии. Результаты исследования микроструктуры показали, что эндосперм зерна кукурузы представляет собой монолитную структуру крахмальных зерен в форме многогранников, покрытых слоем «прикрепленного белка» и погруженных в белковую матрицу «промежуточного белка».

Обработка кукурузы в экструдере А1-КХ-2П привела к значительному разрушению плотной структуры эндосперма: нарушилась белковая матрица, зерна крахмала утратили нативное строение, набухли и клейстеризовались, некоторые из них слиплись в конгломераты, включающие частички разрушенного белка.

Обработка на одношнековом S-45 и двушнековом экструдерах способствует более существенным нарушениям целостности микроструктуры эндосперма кукурузы и приводит к образованию совсем новой микроструктуры экструдатов.

Под влиянием механического действия рабочих органов экструдера S-45 (рис. 8) полностью разрушаются крахмальные зерна и белковая матрица, вместо них образуется сплошная масса. При этом напряжение сдвига столь значительно (за счет высокой частоты вращения шнека), что биополимеры, продвигаясь вдоль витков шнека, ориентируются в направлении потока с образованием волокнистой структуры.

Таким образом, для экструзионной обработки в одношнековом экструдере S-45 характерна большая степень механического воздействия на сырье, по сравнению с А1-КХ-2П, за счет высокойскорости сдвига, что проявляется в полном разрушении нативной микроструктуры эндосперма зерна кукурузы и образовании новой волоктистой структуры экструдата.

При обработке кукурузы на экструдере MPF-50 в продукте также наблюдается образование новой микроструктуры (рис. 9), но она имеет существенные отличия от той, которая формируется при обработке в одношнековом экструдере S-45. Это может обусловливаться особенностями конструкций одно — и двушнековых экструдеров.

Поскольку в одношнековых экструдерах сырье перемешивается при передвижении вдоль витков шнека, микроструктура экструдатов, полученных на машинах с высокой частотой вращения и усилиями сдвига, представляет ориентированные в одном направлении потоки массы.

Рис. 7 Рис. 8

Рис. 7. Микроструктура экструдата, полученного на экструдере А1-КХ-2П: а — увеличение в 1800 раз, б – увеличение в 6000 раз.

Рис. 8. Микроструктура экструдата, полученного на экструдере S-45: а – увеличение в 2000 раз, б – увеличение в 6000 раз.

Рис. 9. Микроструктура экструдата, полученного на экструдере MPF-50

Для двушнековых экструдеров характерно как продольное, так и поперечное перемешивание, в связи с чем экструдаты не имеют строго ориентированной микроструктуры и состоят из хлопьевидных частичек, между которыми равномерно распределены трещины, образовавшиеся при выпаривании влаги. Авторы сделали предположение, что внутри хлопьев макромолекулы биополимеров имеют определенную ориентацию, подобную той, что образуется при обработке на экструдере S-45, но направление её будет зависеть от того, какой вид перемешивания – продольный или поперечный – преобладал на момент образования структуры (т. е. на выходе из матрицы). Таким образом, исследования микроструктуры экструдатов также показывают, что обработка в экструдерах различных конструкций вызывает неодинаковую степень изменения в микроструктуре зерна, которая зависит от величины механического воздействия.

Экструзия а машине А1-КХ-2П вызывает неполное разрушение нативной микроструктуры зерна, поскольку степень механической обработки в аппарате данного типа наименьшая. Обработка в экструдере S-45 и MPF-50 полностью разрушает нативную микроструктуру зерна и вызывает образование новой, которая в первом случае строго ориетирована, а во втором, за счет одновременного продольного и поперечного перемешивания, приобретает вид хлопьев.

Полученные данные позволяют рекомендовать использование двухшнековых экструдеров или одношнековых с высокой частотой вращения шнека для производства продуктов диетического профилактического питания, так как они обеспечивают более глубокую деструкцию полимеров с образованием большого количества водорастворимых декстринов и сахаров, что повышает пищевую ценность экструдированных изделий (4).

The post Влияние конструктивных особенностей экструдеров различных типов first appeared on 3Д БУМ.

Рис. 5. Упрощенная схема экструзионной установки и процесса термопластической экструзии биополимеров.

При использовании одношнековых машин предварительно увлажненное и перемешанное сырье попадает в зону питания, где оно дополнительно перемешивается и сжимается с помощью шнека. В зоне питания осуществляется нагрев экструдируемого сырья до температуры 60-80 С. При такой температуре и содержании воды до 30% биополимеры пластифицируются и переходят из стеклообразного состояния в высокоэластическое.

В зоне плавления, в которой температура обычно поддерживается120-190 С, материал переходит в вязко-текучее состояние, образуя расплав биополимеров. В этих условиях происходит денатурация нативных белков и желатинизация крахмалов. При этом кристаллические области способных к кристаллизации биополимеров, например амилозы и амилопектина в составе крахмала, плавятся, а аморфные переходят из неупорядоченного высокоэластичного состояния в вязко-текучее. В зоне дозирования завершаются процессы перехода биополимеров в вязко-текучее состояние. Было показано, что уже в этой зоне начинается структурообразование расплавов, фиксируемое затем в получаемых экструдатах.

Наиболее интенсивно структурообразование расплавов биополимеров протекает под действием сил сдвига и растяжения в головке экструдера и фильере. Это обусловлено изменением реологических условий течения в этих зонах.

В зависимости от конструкции фильеры можно получать экструдаты всех трех типов структур: пористой, волокнистой и однородной макроструктуры. Последние две получают, используя охлаждаемые фильеры, в которых происходит постепенное охлаждение расплава биополимеров и понижения давления, что предотвращает «взрывное» испарение воды на выходе расплава биополимеров из фильеры. При получении экструдатов пористой макроструктуры, наоборот, используют короткие неохлаждаемые фильеры. При выходе расплава биополимеров через такую фильеру происходит резкий сброс давления, что приводит к «взрывному» испарению воды и образованию пористой макроструктуры.

Необходимыми условиями получения экструзионных продуктов питания являются: увлажнение и пластификация сырья, получение расплава биополимеров, денатурация белков и клейстеризация крахмалов, структурирование расплава под действием сил сдвига и растяжения, его охлаждение и формование. Следует отметить, что наиболее важным из перечисленных условий является получение расплава биополимеров, то есть переход биополимеров в условиях экструзии в вязко-текучее состояние. Способность биополимеров переходить в вязко-текучее состояние обеспечивает проведение самого процесса и отражено в названии процесса экструзии как термопластической.(1)

The post Основные представления о поведении биополимеров в процессе термопластической экструзии first appeared on 3Д БУМ.

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)

The post Трансформация основных компонентов экструдируемого сырья в процессе экструзии first appeared on 3Д БУМ.

Поглощенная экструдируемым материалом энергия сил сдвига и трения запасается в виде тепловой энергии, количество которой влияет на качественные показатели готового продукта. В технологии пищевых текстуратов представляет интерес влияние SME на взаимодействие экструдатов с водой при гидратации. В работе (6) А. Н. Остриковым была изучена зависимость водоудерживающей способности пшеничного текстурата от количества приложенной энергии. Установлено, что для получения пшеничного текстурата с максимальным значением водоудерживающей способности (540%) необходимо обеспечить приложение SME в количестве около 550 кДж/кг. Данную зависимость возможно объяснить следующим. Известно, что при термопластической экструзии происходит определенное упорядочивание макромолекул биополимеров белка и крахмала в экструдируемом расплаве. Интенсивность прикладываемых сдвиговых усилий (характеризуется уровнем SME) определяет характер структуры формирующегося экструдата, которая влияет на способность экструдата поглощать влагу. Следовательно, именно при установленном значении SME образуется такая внутренняя структура пшеничного текстурата, которая позволяет ему обладать наибольшей водоудерживающей способностью.

Рис. 4

Результаты исследований пшеничного текстурата (табл. 1).

The post Водоудерживающая способность экструдатов first appeared on 3Д БУМ.

В работе (5) рассматривается взаимосвязь состав-структура-свойства для экструдатов на основе смесей биополимеров с использованием методологии исследования композиционных материалов. С учетом двух основных режимов получения экструзионных материалов – при «взрывном» испарении воды и при его отсутствии, такая взаимосвязь выявляется как для пористых «взрывных», так и однородных или волокнистых «невзрывных» композиционных материалов, полученных на основе биополимеров с помощью высокотемпературной термопластической экструзии.

В работе было показано, что при термопластической экструзии целого ряда смесей полимеров уже в цилиндре экструдера формируется гетерофазный расплав. Структура такого расплава определяется кинетическими условиями смешения компонентов и их ограниченной термодинамической совместимостью. Под действием сил сдвига и растяжения, возникающих при течении расплава в цилиндре экструдера, его головке и фильере, дисперсные частицы деформируются, коалесцируют или дробятся. В результате, в зависимости от условий течения в расплаве могут формироваться волокнистые, слоистые, капельные и другие типы структур. Для гетерофазных композиционных материалов, полученных с помощью термопластической экструзии, можно выделить три основных фактора, определяющих связь свойств экструдатов с их структурой и составом. К таким факторам относится инверсия фаз и волонообразование, происходящие в определенных областях составов, а также свойства отдельных фаз.

Инверсия фаз характерна для дисперсных систем, в том числе и смесей полимеров, и происходит при изменении соотношения компонентов или других параметров системы. Это явление заключается в том, что дисперсионная среда становится дисперсной фазой, а дисперсная фаза – дисперсионной средой.

На зависимостях целого ряда свойств экструдатов, полученных на основе смесей биополимеров в условиях отсутствия «взрывного» испарения воды, от состава экструдатов наблюдаются три характерные области. Для иллюстрации на рис. 2 и 3 представлены индекс упругого расширения, плотность, растворимость и время максимального набухания экструдатов смесей изолята белков бобов сои (ИБС) с картофельным крахмалом (КР) а зависимости от состава экструдатов.

Рис. 2 Рис. 3

Рис. 2. Индекс упругого расширения (В) и плотность (q) экструдатов смесей ИБС/КР (Кривая а соответствует рассчитанным аддитивным значениям плотности).

Рис. 3. Растворимость (S) экструдотов смесей ИБС/КР при набухании в дистиллированной воде (20 С, 185 ч) и время (Т) достижения экструдатами максимального значения степени набухания в зависимости от содержания в них КР (растворимость определяли по уменьшению массы единицы массы исходного образца).

Первая область соответствует содержанию крахмала в экструдатах до 60%, вторая и третья соответственно 60-80 и 80-100%. В первой области значения перчисленных характеристик экструдатов близки к соответствующим значениям для экструдатов на основе только одного компонента – белка. В третьей области эти значения совпадают со значениями характеристик экструдатов на основе крахмала. Наконец, область 60-80% содержания крахмала в экструдатах является переходной. Свойства экструдатов в этой области резко изменяются.

На основании полученных данных можно полагать, что в области 60-80% крахмала в экструдатах происходит инверсия фаз. В пользу этого предположения свидетельствуют данные по набуханию экструдатов при гидротермической обработке (см. рис. 2 и 3). Так, экструдаты, в которых непрерывной фазой является белок, только ограниченно набухают, в то время как экструдаты с непрерывной фазой крахмала диспергируются.

В работе (1) было проанализировано поведение упругого расширения экструдатов в зависимости от их состава и сопоставлено с результатами, полученными при измерении плотности экструдатов.

Индекс расширения экструдатов определяется, в общем случае, упругим восстановлением материала на выходе из фильеры экструдера и вкладом воздушной фазы, возникающей в экструдатах при расширении материала паром в условиях падения внешнего давления, действующего на материал на выходе из фильеры, до атмосферного. В условиях охлаждения материала с помощью сопла «взрывное» парообразование было исключено, однако при упругом расширении экструдатов с содержанием крахмала выше 60% наблюдалось образование воздушной фазы в виде пузырьков воздуха. При этом в экструдатах с непрерывной белковой фазой воздушной фазы не наблюдается. Учитывая также способность фазы крахмала к значительному упругому расширению и крайне незначительное упругое расширение фазы белка (см. рис. 2), можно предположить, что в области содержания крахмала до 60% непрерывная фаза белка препятствует упругому восстановлению формы дисперсных частиц крахмала. Если это предположение верно, тогда в области содержания крахмала до 60% можно принять плотности фаз белка и крахмала постоянным. Плотность белковой фазы в этом случае должна совпадать с плотностью экструдата на основе только белка, а плотность экструдатов должна изменяться аддитивно с увеличением объемной доли крахмала в экструдатах.

В смесях полимеров область инверсии фаз, как правило, охватывает широкий диапазон составов, когда обе фазы являются непрерывными (матричные, «переплетающиеся» структуры). Возможность инверсии, то есть перехода дисперсной фазы в непрерывную, определяется составом смеси и соотношением вязко-упругих свойств расплавов индивидуальных компонентов, а также условиями смешения, которые, в свою очередь, оказывают влияние на вязкость и эластичность расплавов. Особенностью расплавов смесей полимеров является то, что инверсия фаз может происходить не только вблизи точки равных объемных долей компонентов, но и на значительном удалении от нее.

The post Факторы, определяющие структуру и свойства композиционных материалов на основе полимеров first appeared on 3Д БУМ.

В 2007 году (5) существует несколько концепций формирования микроструктуры экструдатов. По мнению О. В. Смита, при переходе биополимеров в вязко-текучее состояние, когда происходит денатурация белков и желатинизация крахмала, макромолекулы биополимеров разворачиваются и преимущественно ориентируются под действием сил сдвига в направлении течения расплава биополимеров. Ориентация цепей преимущественно протекает в зоне дозирования, предматричной зоне и непосредственно в матрице. То есть в основе структурообразования прежде всего лежит явление ориентации макромолекул под действием сил сдвига.

Аналогично мнение Р. Харпера – механизм формирования анизотропной структуры экструдатов следующий: при переходе сырья в вязко-текучее состояние происходит денатурация белка и клейстеризация крахмала, при этом молекулы под действием сил сдвига разворачиваются и ориентируются. При охлаждении расплава биополимеров происходит смешивание макромолекул и образование протяжных агрегатов.

В. Б. Толстогузовым было выдвинуто предположение, согласно которому в основе формирования микроволнистой структуры экструдатов лежит явление деформации дисперсных частиц при течении гетерофазного расплава смесей биополимеров.

В ходе экструдирования исходный крахмалосодержащий материал, подвергшийся термомеханической деструкции, переходит из дисперсного сыпучего состояния в упруго-вязкопластичную массу (гель), характерную для крахмальных клейстеров высоких концентраций и денатурированных белков. Эти превращения происходят при действии на сырье, с необходимым количеством влаги (до 40%), высоких температур (до 200 С) и давления (до 25 МПа).

Если продукт, уплотняясь, прогревается за счет сил трения частиц о поверхности вращающихся рабочих органов и деформаций сдвига, то такой режим работы – политропный. Образующаяся масса перемещается шнеком к матрице и при определенном давлении выпрессовывается через её отверстия.

Величина давления в значительной мере обусловлена сопротивлением отверстий матрицы и структурно-механическими свойствами обрабатываемой массы. После выхода продукта из отверстий матрицы в результате резкого перепада температуры и давления (между зонами высокого(6-25МПа) и атмосферного давления) происходит мгновенное (1,2х10 с) испарение влаги. Аккумулированная продуктом энергия высвобождается со скоростью, примерно равной скорости взрыва, что приводит к образованию пористой структуры и увеличению объема экструдата (расширению). При этом в результате «взрыва» продукта происходят глубокие преобразования его структуры: разрыв клеточных стенок, деструкция и гидролиз.

Доказано, что расширение продукта на выходе из отверстий матрицы непосредственно является следствием физических свойств воды. При таких термических условиях (температура в экструдере может изменяться в пределах 110-200 С) и под очень большим давлением вода существует только в жидком состоянии. Когда пластифицированный материал выходит из фильеры и достигает атмосферного давления, вода из состояния перегретой жидкости мгновенно превращается в пар, выделяя значительное количество энергии. Под действием давления пара в продукте образуются поры, а оставшиеся целыми крахмальные зерна разрываются. Резкое понижение температуры обеспечивает затвердевание крахмала и фиксирует альвеолярную структуру, образующуюся под действием водяного пара. В работе (5) было показано, что вклад пара при «взрывном» испарении воды линейно возрастает с увеличением содержания крахмала в экструдируемой смеси.

В процессе экструдирования при высоких давлениях и температурах создаются условия для так называемой «сухой клейстеризации», или желатинизиции, крахмала. Молекулы крахмала подвергаются максимальной деструкции в процессе выхода продукта из экструдера. Вода из состояния перегретой жидкости мгновенно превращается в пар, разрушая при этом молекулы амилозы и амилопектина до декстринов и сахаров. В результате гидротермической обработки в экструдатах резко снижается содержание крахмала с соответствующим увеличением содержания водорастворимых сахаров и декстринов, улучшается атакуемость крахмала глюкоамилозой, что обеспечивает высокую питательную ценность готовых продуктов.

Вспучивание полуфабриката происходит следующим образом. Желатинизация крахмала приводит к образованию крахмального геля, который попадая в горячую среду, размягчается, приобретая упруго-эластичные свойства, а влага, превращаясь внутри геля в пар, образует в нем мельчайшие пузырьки и поры. Происходит насыщение геля множеством пузырьков, т. е. вспучивание.

Установлено, что характер и интенсивность протекания процесса экструзии и глубину физико-химических изменений экструдата определяют основные технологические параметры: температура и давление экструдируемого материала перед матрицей; его влажность; продолжительность нахождения продукта в рабочей зоне экструдера; конструкция матрицы; частота вращения прессующего шнека; конструкция шнековой части экструдера.(5)

The post Механизм формирования структуры экструдатов first appeared on 3Д БУМ.

2. Готовые завтраки;

3. Легкие кондитерские изделия (трубочки, подушечки, батончики);

4. Заменители хлебобулочных изделий (воздушные бездрожжевые хлебцы, галеты);

5. Закусочные изделия лечебно-профилактического и оздоровительного направления;

6. Отделочные и вспомогательные продукты для пищевого производства (наполнители, панировка);

7. Функциональные регуляторы для отраслей пищевой промышленности (стабилизаторы, загустители);

8. Заменители мясо — и рыбопродуктов (фаршевые наполнители, стейки);

9. Корма для животноводства и рыбоводства.

The post Ассортимент продукции термопластической экструзии first appeared on 3Д БУМ.

Как видно из рис. 1, в предлагаемой классификации выделяется макро — и микроструктура экструзионных продуктов. Под макроструктурой следует понимать такую структуру, которая может быть идентифицирована визуально. В отличии от макроструктуры, микроструктура экструзионных продуктов может быть изучена лишь с помощью различных инструментальных физико-химических методов исследования. Наиболее распространенными из них являются методы оптической и электоронной микроскопии. Характерный размер элементов микроструктуры лежит в диапазоне от 0,1 до 10мкм.

Готовые завтраки, закуски, регуляторы функциональных свойств фаршей (продукты экструзии соевой муки и изолята белков бобов сои) и другие представляют собой продукты пористой макроструктуры. Аналоги мясо — и рыбопродуктов, а также экструдаты, входящие в комбинированные продукты, имеют волокнистую макроструктуру. Макаронные изделия быстрой варки, полуфабрикаты для чипсов обладают однородной макроструктурой. Исследования структуры экструдатов, выполненные с помощью методов оптической и электронной микроскопии, показали, что направление ориентации элементов стенок пор и микроволокон в экструдатах соответсвенно пористой и волокнистой макроструктуры в среднем совпадает с направлением движения экструдируемой смеси в формующей фильере экструдера. Другими словами экструдаты пористой и волокнистой макроструктуры характеризуются анизотропной микроструктурой. В отличии от таких экструдатов преимущественная ориентация элементов структуры в экструдатах с однородной макроструктурой отсутствует, то есть такие продукты имеют изотропную микроструктуру.

Основными компонентами экструзионных продуктов являются белки и крахмалы. Причем, если эксрудаты с однородной или пористой макроструктурой, как правило, содержат до 80% крахмалов и 10-15% белков (за исключением регуляторов функциональных свойств фаршей), то экструзионные продукты с волокнистой макроструктурой содержат до 80% белков 10-15% крахмалов.

Таким образом, экструзионные продукты питания, содержащие преимущественно крахмал, могут иметь изотропную и анизотропную микроструктуры, а продукты, основным компонентом которых являются белки, характеризуются анизотропной микроструктурой (1).

The post Классификация экструзионных продуктов питания first appeared on 3Д БУМ.

Процесс термопластической экструзии широко используется в пищевой промышленности. Уникальной особенностью этого процесса является его универсальность как по перерабатываемому сырью, так и по конечным продуктам. С его помощью перерабатывают белки, полисахариды, смеси белков и смеси белков с полисахаридами, цельносмолотое зерно, вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности. В результате экструзионной переработки биополимеров получают готовые завтраки, закуски, аналоги мясо — и рыбопродуктов, макароны и каши быстрого приготовления. Производство широкого спектра продуктов базируется, во-первых, на мощной промышленной базе фирм, выпускающих экструдеры различных модификаций и производительности, и, во-вторых, на жестком контроле экструдируемого сырья, качества конечных продуктов и технологических параметров процесса. Задача получения экструзионных продуктов питания с заданными физико-химическими и потребительскими свойствами решается путем эмпирического подбора технологических параметров процесса и экструдируемого сырья. В лучшем случае, используется методы планирования многофакторного эксперимента. Вместе с тем, разработка новых типов продуктов, оптимизация процесса и совершенствование экструзионного оборудования требует более глубокого понимания процессов, происходящих при экструзионной переработке биополимеров и их смесей.(5)

Экструзионная обработка пищевого сырья представляет собой процесс превращения дисперсного материала (крахмалосодержащего сырья, белковых комплексов, липидов, полисахаридов и пищевых добавок) под действием температуры, сдвиговых усилий и перепадов давления в однородный по микроструктуре пластичный пищевой продукт. Преимущество технологии экструзии над другими способами обработки пищевого сырья заключается в возможности получения пищевых продуктов с заданными свойствами из различных видов сырья с минимальным потерями ценных термолабильных веществ, малой потребности в производственных площадях и единицах оборудования благодаря совмещению ряда процессов термопластичной обработки в одном устройстве-экструдере.(1)

The post Термопластическая экструзия растительного сырья first appeared on 3Д БУМ.