EKSTRUZJA JAKO METODA PRODUKCJI WYROBÓW EKSPANDOWANYCH

Transkrypt

1 EKSTRUZJA JAKO METODA PRODUKCJI WYROBÓW EKSPANDOWANYCH Pęksa Anna, Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu Ekstruzja stosowana na szeroką skalę technologia produkcji żywności uważana jest za standardową metodę do przemysłowego wytwarzania ekspandowanych wyrobów przekąskowych (ang. direct expanded snacks), znanych i lubianych przez konsumentów w wielu krajach świata. Definiowana jako proces mechaniczno-termiczny, w którym w stosunkowo krótkim czasie surowiec (węglowodanowy, białkowy) zostaje poddany działaniu temperatury, sił mechanicznych oraz zmieniającego się ciśnienia i przekształcony z postaci mąki lub kaszki w plastyczną masę, a następnie na skutek gwałtownego obniżenia ciśnienia i odparowania wody kształtuje się produkt o charakterystycznej teksturze i kształcie [5, 6, 15]. Początki ekstruzji sięgają końca XVIII wieku, kiedy to w roku 1797 brytyjski inżynier Joseph Bramach zastosował prototyp ekstrudera tłokowego do produkcji rurek ołowianych. Wraz ze skonstruowaniem pierwszych ekstruderów ślimakowych w latach 40-tych XX wieku, została ekstruzja zaadaptowana do produkcji żywności w krajach Europy Zachodniej, głównie Wielkiej Brytanii i Francji oraz w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej. Znaczny postęp w dziedzinie nauk technicznych, jaki nastąpił w Europie Zachodniej i Południowej oraz w USA w drugiej połowie wieku XX, umożliwił skonstruowanie ekstruderów dwuślimakowych i dalszy intensywny rozwój tej technologii, nieustający aż dnia dzisiejszego [5]. Początki stosowania ekstruzji w produkcji przemysłowej w Polsce datuje się na lata 80-te XX wieku. Budowa i działanie ekstrudera Ekstruder jest to nieruchomy metalowy cylinder zaopatrzony w system przeponowego ogrzewania lub chłodzenia, wewnątrz którego obraca się ślimak-kluczowy element urządzenia. Ślimak, obracając się miesza, ścieśnia i przesuwa do przodu materiał, który w pierwszej strefie przybiera postać zwartej, homogennej masy. W drugiej strefie przeobraża się pod wpływem zwiększającej się temperatury i ciśnienia przyjmując postać plastycznej, lepkiej masy. W końcowej strefie ekstrudera, określanej jako strefa gotowania, masa upłynnia się. Przechodząc przez dyszę do obszaru o ciśnieniu atmosferycznym ekspanduje w wyniku gwałtownego rozprężenia i odparowania wody, a stygnący produkt uzyskuje trwałą, suchą i porowatą strukturę oraz chrupką teksturę. Tak przebiegający proces określany jest jako ekstruzja typu HTST (High Temperature Short Time), którego temperatura waha się w

2 przedziale o C, ciśnienie od kilku do kilkudziesięciu MPa, a czas przebywania materiału w tych ekstremalnych warunkach sięga kilkudziesięciu sekund do kilku minut [5, 6, 15]. Nowoczesne rozwiązania techniczne ekstruzji przewidują zastosowanie nie jednego, ale dwóch ślimaków obracających się w jednym cylindrze. Ekstrudery dwuślimakowe różnią się konfiguracją ślimaków, kierunkiem ich obrotu oraz odległością pomiędzy nimi. W zależności od temperatury, w której przebiega ekstruzja można zdefiniować trzy jej rodzaje. Ekstruzję, w której materiał jest mieszany, a następnie formowany w temperaturze o C określa się jako ekstruzję na zimno. Przykładowymi produktami otrzymywanymi tą technologią mogą być makarony. Proces ekstruzji przebiegający w temperaturze o C określa się jako niskotemperaturowy. Znajduje on zastosowanie między innymi w produkcji peletów półproduktów do wytwarzania chrupkich wyrobów przekąskowych ekspandujących w procesie smażenia w oleju lub pieczenia. Trzecim rodzajem ekstruzji jest proces przebiegający w temperaturze o C, szeroko stosowany w produkcji teksturowanych białek roślinnych czy też ekspandowanych wyrobów przekąskowych. Wpływ różnych czynników na cechy charakterystyczne i jakość wyrobów ekspanowanych w procesie ekstruzji Ekspandowane w procesie ekstruzji wyroby przekąskowe opisywane w literaturze światowej pod nazwą angielską extruded snacks są to produkty żywnościowe niewielkich rozmiarów o rozmaitych kształtach i smakach. Ze względu na chrupką konsystencję określane mianem chrupek powinny charakteryzować się wyrównanym kształtem i wielkością, chrupką, nie twardą i nie gumiastą konsystencją, jednolitą porowatością, suchym i szklistym przełomem oraz przyjemnym, delikatnym smakiem i zapachem bez posmaku spalenia czy zjełczenia. Warunkiem uzyskania chrupek prawidłowo wyekspandowanych, o korzystnych cechach fizykochemicznych i organoleptycznych jest całkowite skleikowanie zawartej w surowcach skrobi oraz prawidłowo przebiegający proces retrogradacji skrobi. Wszystkie czynniki utrudniające proces kleikowania i restrukturyzacji skrobi mogą przyczynić się do pogorszenia jakości tych wyrobów [18, 15]. Wśród czynników wpływających na cechy charakterystyczne chrupek ekstrudowanych do najważniejszych należą: budowa ekstrudera, w tym kształt ślimaka oraz kształt i rozmiar dyszy, parametry procesu ekstruzji oraz właściwości zastosowanych surowców i ich wzajemne proporcje (receptura). W procesie ekstruzji wyraźnie zaznacza się współdziałanie wszystkich parametrów we wpływie na cechy produktu gotowego. Decydujące oddziaływanie na cechy chrupek mają:

3 temperatura i ciśnienie panujące podczas procesu oraz czas przebywania materiału w ekstruderze. Kształtowanie się temperatury i ciśnienia podczas ekstruzji jest wynikiem współdziałania parametrów związanych z budową ekstrudera i jego działaniem, jak wielkość i kształt dyszy, prędkość obrotu ślimaka czy tempo dozowania surowca oraz parametrów wynikających z cech zastosowanych surowców 1, 6]. Przykładowo, zwiększenie prędkości obrotów ślimaka może przyczynić się wytworzenia korzystnej, jednorodnej porowatości chrupek z dużym dodatkiem błonnika. Wśród cech surowca, mających największy wpływ na właściwości ekstrudowanych chrupek można wyróżnić: granulację, wilgotność materiału, zawartość i jakość skrobi, zawartość i jakość białka oraz rodzaj i ilość zastosowanych dodatków, w tym głównie błonnika, cukru, tłuszczu czy soli oraz substancji emulgujących. Odpowiednią postacią surowca w produkcji ekstrudowanych chrupek jest kaszka o granulacji w przedziale µm. Niezwykle istotnym parametrem technologicznym procesu ekstruzji jest wilgotność materiału, która w ekstruzji wysokotemperaturowej powinna mieścić się w przedziale 12-14%. Niedostateczna wilgotność surowca może być zwiększona w trakcie procesu ekstruzji np. poprzez wprowadzenie gorącej pary wodnej do pierwszej strefy ekstrudera. Odpowiednia wilgotność surowca decyduje o prawidłowym zagrzaniu materiału i jego upłynnieniu, umożliwia skleikowanie skrobi i denaturację białek oraz wpływa na kształtowanie się wszystkich cech chrupek. Wilgotność podawanego materiału ma na przykład wpływ na stopień ekspansji ekstrudatu. Wraz ze zmniejszaniem się wilgotności materiału w przedziale 22-14%, stopień ekspansji produktu gotowego może zwiększyć się prawie dwukrotnie [4]. Przemiany podstawowych składników surowca mające wpływ na jakość chrupek Głównym surowcem w produkcji ekstrudowanych chrupek, mającym wpływ na ich teksturę i strukturę jest skrobia. W procesie ekstruzji ulega ona szeregu przemianom. Należą do nich: kleikowanie, topnienie, depolimeryzacja do dekstryn i oligosacharydów, tworzenie z białkiem stabilnych kompleksów, co prowadzi do powstania sieci białkowo-skrobiowej stabilizowanej wiązaniami wodorowymi i kowalencyjnymi i utrwalenia charakterystycznej struktury i tekstury chrupek [12, 15]. Skleikowana i stopiona w procesie ekstruzji skrobia reasocjuje i tworzy krystaliczne agregaty (szczególnie frakcja amylozy) ulegając procesowi określanemu jako retrogradacja. Sprzyja on tworzeniu się nowej uporządkowanej struktury skrobi i przyczynia się do zmniejszenia strawności produktów oraz kształtowania się lekkiej, chrupkiej tekstury chrupek (z dużym udziałem amylopektyny) [15, 19].

4 Do produkcji chrupek stosuje się skrobie różnego pochodzenia botanicznego wyizolowane z surowców roślinnych lub stanowiących ich integralną część. Najczęściej stosowane są skrobie: kukurydziana, ziemniaczana, ryżowa, pszenna czy z tapioki. Skrobie różnego pochodzenia różnią się budową gałeczek skrobiowych, zakresem temperatury kleikowania oraz składem chemicznym, w tym zawartością frakcji amylazy i amylopektyny. Z danych zawartych w tabeli 1 wynika, że zawartość amylozy w skrobiach: kukurydzianej woskowej, normalnej i wysokoamylozowej może wahać się w granicach odpowiednio od mniej niż 1 do około 70%, a amylopektyny od ponad 99 do około 30%. Natomiast w skrobi ziemniaczanej zawartość amylozy wynosi około 20%, a amylopektyny 80%. Temperatura kleikowania skrobi ziemniaczanej jest niższa niż skrobi kukurydzianej, niezależnie od jej rodzaju. Stosunek zawartości amylozy do amylopektyny jest określany w ocenie przydatności surowców skrobiowych do przetwarzania w procesie ekstruzji ze względu na zupełnie różne zachowanie się tych frakcji w procesie, a tym samym i oddziaływanie na właściwości ekstrudatów. Amyloza łatwo ulega retrogradacji i tworzy mocne, zwarte żele, przez co w ekstruzji wymaga zwiększenia temperatury i sił ścinających. Łatwo tworzy kompleksy z mono- i diglicerydami jak i innymi lipidami wpływając na przebieg kleikowania i restrukturyzacji skrobi, a tym samym na teksturę i inne cechy chrupek. Zwiększeniu ilości amylozy w ekstrudowanej masie towarzyszy mniejsza ekspansja, chrupka, ale dość twarda konsystencja chrupek oraz zwiększona gęstość wyrobów [3, 13]. Amylopektyna, w przeciwieństwie do amylozy, łatwo retrograduje, zwiększa lepkość i kleistość ekstrudowanego materiału, a uzyskane z dużym jej udziałem chrupki charakteryzuje chrupka, delikatna tekstura i duży stopień ekspansji. W ekstruzji wymaga zastosowania mniej drastycznych warunków, w tym niższej temperatury i sił ścinających, ponieważ łatwiej ulega zniszczeniu. Chrupki otrzymane z udziałem skrobi kukurydzianej ekspandują w niższej temperaturze i w większym stopniu, gdy zawartości amylozy i amylopektyny są do siebie zbliżone [2, 3, 20]. Kolejnym składnikiem chrupek mającym znaczący wpływ na ich właściwości jest białko. Podczas ekstruzji białka obecne w surowcu ulegają takim procesom, jak: denaturacja, rozerwanie na mniejsze fragmenty i uwolnienie reaktywnych frakcji białkowych oraz odsłonięcie hydrofobowych grup funkcyjnych aminokwasów. Uwolnione fragmenty białek ulegają agregacji oraz tworzą włókna białkowe w wyniku połączonych oddziaływań hydrofobowych i powstających wiązań disiarczkowych. Wysoka temperatura i ciśnienie podczas ekstruzji przyczyniają się do stapiania się białek i formowania ciągłej sieci białkowej

5 stabilizowanej wiązaniami poprzecznymi. Białka wchodzą podczas ekstruzji w interakcje z kleikującą skrobią w wyniku, których zmienia się temperatura i stopień skleikowania skrobi, tworzy się sieć białkowo-skrobiowa, oraz kształtują się: smak i zapach chrupek [1, 21]. O wpływie białek na przebieg procesu ekstruzji i właściwości ekspandujących wyrobów decydują: pochodzenie białek, ich ilość oraz stopień denaturacji. Białka natywne, stosowane w większym stężeniu, np. w postaci izolatów czy koncentratów mogą w negatywny sposób wpływać na cechy chrupek, zmniejszając stopień ich ekspansji oraz zwiększając gęstość i twardość wyrobów [15, 16]. Przemiany takich podstawowych składników w procesie ekstruzji, jak skrobia i białko mają decydujący wpływ na kształtowanie się cech chrupek, jednakże zastosowanie dodatków, takich jak np. błonnik, cukry czy tłuszcz oddziałujących na przebieg procesu ekstruzji, zmienia cechy produktu gotowego. W zależności od rodzaju błonnika jego oddziaływanie na jakość chrupek może być różne. Zastosowanie tego dodatku w produkcji wyrobów ekspandowanych zmniejsza stopień skleikowania skrobi, a tym samym i lepkość ekstrudowanej masy, zwiększa gęstość i porowatość produktu gotowego oraz jego twardość, zmniejsza stopień ekspansji, jak też wymaga zastosowania dużych sił ścinających w trakcie procesu ekstruzji [7, 15]. Dodatek cukru do wyrobów ekspandujących w wyniku ekstruzji powinien być precyzyjnie ustalony. Niewielki dodatek cukru wpływa modyfikująco na stopień ekspansji, gęstość, teksturę i strukturę chrupek oraz ich smak. Zbyt duży dodatek może utrudnić proces kleikowania skrobi wiążąc niezbędną do tego procesu wodę, jak i wpłynąć na ukształtowanie się zbyt ciemnej barwy chrupek. Jednoczesne zastosowanie w produkcji ekstrudowanych chrupek błonnika i cukru powoduje zazwyczaj znaczne zwiększenie ich twardości oraz nieregularną porowatość i grubsze ściany por [11, 15]. Tłuszcz zastosowany jako dodatek lub też będący składnikiem surowców tworzy nierozpuszczalne kompleksy z amylozą, zmniejsza stopień skleikowania skrobi i lepkość ekstrudowanej masy [14]. Działa w ekstruzji jak smar, zmniejszając ilość energii mechanicznej powstającej w trakcie procesu. W efekcie uzyskuje się chrupki o większej gęstości i twardsze oraz o mniejszym stopniu ekspansji [17, 15]. Do typowych produktów ekspandujących w wyniku ekstruzji należą różnego rodzaju przekąski, np. chrupki kukurydziane, ryżowe czy pszenne, zbożowe chrupki śniadaniowe, pieczywo lekkie. Proces ekstruzji jest również popularną metodą produkcji takich wyrobów, jak: żywność o podwyższonej strawności dla niemowląt, otręby o zwiększonej strawności,

6 teksturowane białka roślinne, skrobie modyfikowane, preparaty kazeinowe, pokarm dla ryb i zwierząt domowych. Literatura 1. Batterman Azcona S.J., Lawton J.W., Hamaker B.R.: Effect of specific mechanical energy on protein bodies and α zeins in corn flour extrudates. Cereal Chem. 1999, 76 (2), Chinnaswamy R., Hanna M.A.: Optimum extrusion-cooking conditions for maximum expansion of corn starch. J. Food Sci. 1988, 53 (3), Chinnaswamy R., Hanna M.A.: Relationship between amylose content and extrusionexpansion properties of corn starches. Cereal Chem. 1988, 65(2), Ding Q-B., Ainsworth P., Tucker G., Marson H.: The effect of extrusion conditions on the physicochemical properties and sensory characteristics of rice-based expanded snacks. J. Food Eng. 2004, 66, Dziezak J.D.: Single and twin-screw extruders in food processing. F. Technol. 1989, Harper J.M.: Extrusion processing of food. F. Technol. 1978, Hsieh F., Mulvaney S.J., Huff H.E., Lue S., Brent J. Jr: Effect of dietary fiber and screw speed on some extrusion processing and product variables. Lebensm. Wiss. u. Technol. 1989, 22, Jin Z., Hsieh F., Huff H.E.: Effects of soy fiber, salt, sugar and screw speed on physical properties and microstructure of corn meal extrudate. J. Cereal Sci. 1995, 22, Lai L.S. i Kokini J.L.: Physicochemical changes and rheological properties of starch during extrusion (a review). Biotechnol. Prog. 1991, 7, Lin Y., Huff H.E., Parsons M.H., Iannotti E., Hsieh F.: Mechanical properties of extruded High Amylose starch for loose-fill packaging material. Lebensm. Wiss. u. Technol. 1995, 28, Lin S., Hsieh F., Huff H.: Effects of lipids and processing conditions on degree of starch gelatinization of extruded dry pet food. Lebensm. Wiss. u. Technol. 1997, 30, Lusas E.W., Rooney L.W. (red). Snack Food Processing. CRC Press 2001, ss.639.

7 16. Onwulata C.I., Konstance R.P., Smith P.W., Holsinger V.H.: Co- extrusion of dietary fiber and milk proteins in expanded corn products. Lebensm. Wiss. u.-technol. 2001, 34, Sandeep B. i Milford A.H.: Modification of microstructure of starch extruded with selected lipids. Starch/Stärke 1997, 49 (1), Senouci A. i Smith A.C.: The extrusion cooking of potato starch material. Starch/Stärke 1986, 38(3), Thymi S., Krokida M.K., Pappa A., Maroulis Z.B.: Structural properties of extruded corn starch. J. Food Eng. 68, 205, Von Millauer C. i Wiedmann W.M.: Einsatz von Extrudern in der Stärke-Industrie. Starch/Stärke 1984, 36(7), Zasypkin D.V. i Lee T-Ch.: Extrusion of soybean and wheat flour as affected by moisture content. J Food Sci. 63 (6), 1998,