Adam Ekielski, Zbigniew Majewski, Tomasz elaziski Katedra Organizacji i Inynierii Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Transkrypt

1 Adam Ekielski, Zbigniew Majewski, Tomasz elaziski Katedra Organizacji i Inynierii Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wpływ jednostkowego natenia przepływu surowca na wskaniki jakociowe ekstrudatu z mieszanek pszenno-kukurydzianych Streszczenie: Celem podjtych bada było okrelenie, w jakim stopniu zmiana natenia jednostkowego przepływu surowca oraz skład mczki poddawanej ekstruzji maj wpływ na mierzone wartoci wielkoci okrelajcych stopie ekspansji produktu, parametry wytrzymałociowe oraz stopie elatynizacji skrobi. Zakres pracy obejmował pomiary: gstoci ekstrudatu, stopnia ekspansji oraz granicznego naprenia cinajcego otrzymywanych produktów, jednostkowego zuycia energii elektrycznej i rozpuszczalnoci. Materiałem wejciowym do bada była ruta kukurydziano-pszenna. Badania przeprowadzono dla dwóch wilgotnoci materiału wejciowego w 1 =15% i w 2 =25%. Zaobserwowano statystycznie istotn zaleno pomidzy zawartoci pszenicy, a właciwociami mechanicznymi otrzymywanego ekstrudatu. Dotyczyło to szczególnie wyników otrzymanych przy wilgotnoci surowca wynoszcej 15%. Słowa kluczowe: Ekstruder, gsto ekstrudatu, ekstrudat Wprowadzenie Ze wzgldu na swoj funkcjonalno, uniwersalno, wysok wydajno i sprawno energetyczn, ekstruzja wysokotemperaturowa jest szeroko stosowana w nowoczesnym przemyle spoywczym. Dobrze znane zastosowania to: płatki niadaniowe, kaszki dla dzieci, ywno dla zwierzt domowych. Wszystkie te zastosowania maj miejsce przy niskiej lub redniej zawartoci wody w surowcu (10-30%), wynikiem czego otrzymywany jest produkt, który na skutek szybkiego odparowania ulega ekspansji podczas opuszczania głowicy. 93

2 Od wielu lat na rynku obecne s ekstrudowane produkty wytwarzane w prostych ekstruderach jednolimakowych, w których otrzymywany produkt charakteryzuje si wysokim współczynnikiem ekspansji (pufffed celears) [Mocicki, 2003]. Wraz ze wzrostem udziału na rynku produktów wytwarzanych za pomoc tej technologii i nastpujc w zwizku z tym konkurencj pomidzy wyrobami pojawiły si produkty wytwarzane z mieszanek zbó. Wytwarzanie ich pozwala wzbogaci rynek o nowe wyroby. W literaturze [Gomez, Aquilera, 1984, Owusu-Ansah i inni 1984] mona znale informacje dotyczce ekstrudatu wytwarzanego z jednorodnego surowca i mieszanek. Jednak ekstruzja mieszanek zboowych przeprowadzana w ekstruderach autogennych jest do rzadko spotykana. Dlatego w prezentowanych badaniach podjto prób wytworzenia ekstrudatu mieszanek dwóch rodzajów surowców [mietana i wsp., 1997]. Cel i zakres pracy Celem podjtych bada było okrelenie w jakim stopniu zmiana natenia jednostkowego przepływu surowca oraz skład mczki poddawanej ekstruzji maj wpływ na mierzone wartoci wielkoci okrelajcych stopie ekspansji produktu, parametry wytrzymałociowe oraz stopie elatynizacji. Zakres pracy obejmował pomiary: gstoci ekstrudatu, stopnia ekspansji objtociowej VEI, granicznego naprenia cinajcego otrzymywanych produktów, jednostkowego zuycia energii elektrycznej E oraz rozpuszczalnoci jako miary elatynizacji skrobi. Metodyka Obiektem bada był proces ekstruzji ruty kukurydzianopszennej uzyskanej po przesianiu przez sito o rednicy otworów 2mm. Badania przeprowadzono dla dwóch wilgotnoci materiału wejciowego w 1 =15% i w 2 =25% oraz 6 próbek pomiarowych o rónej zawartoci pszenicy 0, 20, 40, 60, 80, 100%, dla kadej zakładanej wilgotnoci. 94

3 Wilgotno próbek okrelono metod suszarkow. W badaniach zastosowano zmodyfikowany ekstruder jednolimakowy KZM 2 produkcji rosyjskiej o prdkoci obrotowej limaka n=200 obr./min, stopniu sprania s=1.5, stosunku L/D = 6.5 i powierzchni otworów głowicy S=150 mm 2. Badania przeprowadzono zmieniajc natenie masowe podawanego do ekstrudera materiału w zakresie Q <1; 3.5> kg/min. Zakres zmian przepływu materiału wynikał z przeprowadzonych wstpnych bada okrelajcych warunki brzegowe natenia przepływu. Doln granic przedziału była najnisza warto natenia przepływu dla okrelonych warunków pomiarów (geometria limaka, kształt otworów głowicy), przy której nie stwierdzono blokowania surowca w ekstruderze, górn granic przedziału stanowiło ograniczenie energetyczne wynikajce z moliwoci przecienia silnika napdzajcego ekstruder. Jednostkowe natenie przepływu Q j obliczano ze wzoru: Q kg Q j = 60 S 2 h mm W trakcie bada natenie przepływu mierzono wac uzyskane w okrelonym czasie próbki na wadze tensometrycznej. Ze wzgldu na bezwładno ciepln urzdzenia mierzono badane parametry po ustabilizowaniu si temperatury głowicy ekstrudera. Zuycie energii elektrycznej mierzono bocznikiem prdowym o klasie dokładnoci k=1.5 i woltomierzem o klasie dokładnoci k=2 połczonymi z urzdzeniem rejestrujcym uredniajcym o czstotliwoci próbkowania f=1hz. Na podstawie uzyskanych wartoci obliczano moc pobieran przez ekstruder. Temperatur głowicy ekstrudera mierzono w pobliu otworów wylotowych oporowymi przetwornikami temperatury Pt100. Gsto ekstrudatu mierzono stosujc zmodyfikowan metod wypornociow [Pan 1998, Ekielski, Osiak 2003]. Modyfikacja polegała na impregnowaniu w glicerynie zwaonej próbki oraz zastpieniu nasion rzepaku wod. Do obliczenia stopnia ekspansji objtociowej zastosowano metod VEI według Alvarez-Martineza [1988]. Wskaniki rozpuszczalnoci (WSI) były okrelone metod Anderssona [Andersson1969 a, b]. Dla 95

4 kadego punktu pomiarowego mierzono 5 próbek pomiarowych ze wzgldnym błdem granicznym równym =1% kady. Wyniki i dyskusja Ponisze wykresy przedstawiaj wpływ dodatku kukurydzy na niektóre mierzone wielkoci takie jak: stopie ekspansji, graniczne naprenia cinajce otrzymywanych produktów, rozpuszczalno produktu oraz jednostkowe zuycie energii elektrycznej. Na wykresach 1 4 przedstawiono wyniki bada dla wilgotnoci materiału 15% za na wykresach 5 8 dla wilgotnoci materiału 25 %. Badania przeprowadzono dla wartoci Q j wynoszcego Q j = 0,7 kg/h*mm 2. Zauwaono, e wraz ze wzrostem dodatku kukurydzy wzrastała ekspansja objtociowa (rys. 1), w wyniku czego malała wytrzymało mechaniczna w materiale. Mona to zauway na rys. 2. Zwikszona zawarto kukurydzy powodowała wzrost rozpuszczalnoci produktu (rys. 3), która osigała najwysz warto przy dodatku kukurydzy 100 %. Obserwowano take gwałtowny wzrost jednostkowego zuycia energii. Przy wilgotnoci produktu 25% malała warto współczynnika ekspansji, którego najwyszy poziom został zanotowany przy 100% dodatku kukurydzy (rys. 5). Przy tej wilgotnoci zaobserwowano take istotne obnienie energochłonnoci procesu. Ekspansja [-] 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 Rys. 1. Wpływ zawartoci kukurydzy na wsp. ekspansji objtociowej Fig. 1. Influence of maize content on a volumetric expansion coefficient [N/mm 2 ] Rys. 2. Wpływ zawartoci kukurydzy na stopie napre cinajcych Fig. 2. Influence of maize content on a degree of shear stresses 96

5 WSI [%] Rys. 3. Wpływ zawartoci kukurydzy na rozpuszczalno produktu Fig. 3. Influence of maize content on product solubility ekspansja [-] 6,5 6 5,5 5 4,5 4 Rys. 5. Wpływ zawartoci kukurydzy na współ. ekspansji objtociowej Fig. 5. Influence of maize content on a volumetric expansion coefficient 34 [KWh/t] Rys. 4. Wpływ zawartoci kukurydzy na jednostkowe zuycie energii Fig. 4. Influence of maize content on specific energy consumption [N/mm 2 ] Rys. 6. Wpływ zawartoci kukurydzy na warto naprenia cinajcego Fig. 6. Influence of maize content on a value of shear stresses 180 WSI[%] Rys. 7. Wpływ zawartoci kukurydzy [KWh/t] Rys. 8. Wpływ zawartoci kukurydzy 97

6 na rozpuszczalno produktu Fig. 7. Influence of maize content on product solubility na jednostkowe zuycie energii Fig. 8. Influence of maize content on specific energy consumption ,2 0,9 0,7 0,6 Zawarto 0,5 kukurydzy [%] 0,3 Q j [kg/h*mm 2 ] 0,3 0,5 0,6 0,7 0,9 1,2 Rys. 9. Wpływ zwartoci kukurydzy i jednostkowego natenia przepływu Q j na objtociowy współczynnik ekspansji VEI. Fig. 9. Influence of maize content and specific flow rate Q j on volumetric expansion coefficient VEI. Wraz ze wzrostem udziału kukurydzy w mieszance wzrastał współczynnik ekspansji VEI. Zmniejszenie jednostkowego natenia przepływu w przypadku zawartoci kukurydzy powyej 60% równie powodowało wzrost ekspansji. Wnioski Wykazano istotny wpływ jednostkowego natenia przepływu materiału na objtociowy współczynnik ekspansji, który osignł najwysz warto (VEI = 7,5) przy wartoci jednostkowego natenia przepływu Q j = 0,7 kg/h*mm 2 niezalenie od wilgotnoci i składu mieszanki. 98

7 Niskie wartoci parametru VEI otrzymane przy niskich wartociach Q j spowodowane były wadliwym formowaniem ekstrudatu wynikajcym ze zbyt niskiej szybkoci przemieszczania materiału w kanale formujcym matrycy (w stosunku do rednicy kanału), uniemoliwiajcej uzyskanie odpowiedniej ekspansji oraz lokalnym podniesieniem temperatury powyej 150 o C [Mercier i wsp., 1989] i stwierdzonym w tym przypadku obnieniem stopnia ekspansji. Dodatek mki kukurydzianej w mieszance w kadym przypadku powodował podniesienie wartoci VEI od 4,5 (uzyskanego przy 100% udziale pszenicy) do około 7 w przypadku ekstrudatu z 100% udziałem kukurydzy. Literatura Alvarez-Martinez, L., Kondury K. P. and Harper, J. M., A general model for expansion of extruded products. J. Food Sci. 53: Andersson R., Conway H.F., Pfeifer V.F, Griffin E.J. Jr, Roll and extrusion cooking of grain sorghum grits. Cereal Science Today, 14, Ekielski A., Osiak, Wpływ stopnia zuycia elementów ekstrudera jednolimakowego na wybrane parametry ekstruzji. Inynieria Rolnicza 7(49), Gomez M. H., Aquilera J. M., A physicochemical model for extrusion of corn starch. Journal of Food Science 49, 40-43, 63. Mercier C., Linko P., Harper J M., 1989; Extrusion Cooking; Eds., AACC, St. Paul, MN, pp Mocicki L., Ekstrudery jednolimakowe; Przegld Zboowo Młynarski, 5,

8 Owusu-Ansah J., Van De Voort F. R., Stanley D. W.,1984. Textural and microstructural changes in corn starch as functional of extrusion variables. Journal of Canadian Institute of Food Science and Technology, 17, Pan Z., Zhang S. and Jane J Effects of extrusion variables and chemicals on the properties starch-based binders and processing conditions. Cereal Chem mietana Z., Szpendowski J., Soral-mietana M., wigo J., Skrobia ziemniaczana ekstruzyjnie modyfikowana. Przemysł Spoywczy. 3, Influence of the specific row-material flow rates on the quality coefficients of the extrudate from wheat-maize mixtures Summary: It was the object of this work to determine the effect of changing the specific row-material flow rate and the composition of the flour subjected to extrusion on the measured quantities, which determined the degree of the product expansion, the strength parameters, and the degree of starch gelatinization. The scope of the work covered the measurements as follows: extrudate density, a degree of expansion, specific power consumption, and solubility. Test material was wheat-maize meal. Investigations were carried out for two values of humidity of test material w 1 =15% and w 2 =25%. A statistically significant relation between the wheat content and the mechanical properties of the obtained extrudate was observed. It was noticeable evident in case of the results obtained at 15% row-material humidity. Keywords: extruder, extrudate density, extrudate 100