Термопластическая экструзия растительного сырья

Влияние конструктивных особенностей экструдеров различных типов

Для оценки качества продуктов типа готовых завтраков и легких закусок используют такие характеристики, как жесткость, хрупкость, пористость, толщина стенок пор, распределение их по размерам, индекс расширения экструдатов, их насыпную массу и растворимость, запах, вкуси многие другие параметры. Однако при оценке потребительских свойств продуктов количество параметров, характеризующих качество продуктов, может быть сокращено до пяти. Это такие параметры экструдатов, как жесткость, хрупкость, вкус, их индекс расширения и насыпная масса. Последние два обычно используются при разработке новых рецептур базовых эеструзионных продуктов. Именно по этим двум параметрам проводится оптимизация процесса получения продуктов типа готовых завтраков и легких закусок, т. е. эти параметры являются ключевыми характеристиками качества целого ряда продуктов, получаемых на основе крахмалосодержащего сырья.

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).