Термопластическая экструзия растительного сырья

Механизм формирования структуры экструдатов

При экструзионной обработке крахмалосодержащего растительного сырья происходят изменения в составе и свойствах компонентов, определяющие органолептические, физико-химические, структурно-механические свойства готовых продуктов, их пищевую и биологическую ценность. Глубина их изменений определяется параметрами экструзии.

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)