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
przedziale 150-200 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 50-60 o C określa się jako ekstruzję na zimno. Przykładowymi produktami otrzymywanymi tą technologią mogą być makarony. Proces ekstruzji przebiegający w temperaturze 60-120 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 150-200 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:
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 420-840 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].
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
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,
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), 316 320. 2. Chinnaswamy R., Hanna M.A.: Optimum extrusion-cooking conditions for maximum expansion of corn starch. J. Food Sci. 1988, 53 (3), 834-840. 3. Chinnaswamy R., Hanna M.A.: Relationship between amylose content and extrusionexpansion properties of corn starches. Cereal Chem. 1988, 65(2), 138-143. 4. 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, 283-289. 5. Dziezak J.D.: Single and twin-screw extruders in food processing. F. Technol. 1989, 164-174. 6. Harper J.M.: Extrusion processing of food. F. Technol. 1978, 67-72. 7. 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, 204 207. 11. 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, 185-194. 12. Lai L.S. i Kokini J.L.: Physicochemical changes and rheological properties of starch during extrusion (a review). Biotechnol. Prog. 1991, 7, 251-266. 13. 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, 163-168. 14. 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, 754-761. 15. Lusas E.W., Rooney L.W. (red). Snack Food Processing. CRC Press 2001, ss.639.
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, 424-429. 17. Sandeep B. i Milford A.H.: Modification of microstructure of starch extruded with selected lipids. Starch/Stärke 1997, 49 (1), 12-20. 18. Senouci A. i Smith A.C.: The extrusion cooking of potato starch material. Starch/Stärke 1986, 38(3), 78-82. 19. Thymi S., Krokida M.K., Pappa A., Maroulis Z.B.: Structural properties of extruded corn starch. J. Food Eng. 68, 205, 519-526. 20. Von Millauer C. i Wiedmann W.M.: Einsatz von Extrudern in der Stärke-Industrie. Starch/Stärke 1984, 36(7), 228-231. 21. Zasypkin D.V. i Lee T-Ch.: Extrusion of soybean and wheat flour as affected by moisture content. J Food Sci. 63 (6), 1998, 1058-1061.