Экструдирование смесей пшеницы и выжимок моркови повышенной влажности в технологии продуктов, готовых к употреблению

Одним из факторов возникновения и роста неинфекционных заболеваний является несбалансированное питание, в том числе отсутствие в рационе достаточного количества пищевых волокон. Дефицит пищевых волокон в рационе может вызвать раковые заболевания, ожирение, сахарный диабет, увеличивает риск сердечнососудистых заболеваний и гипертонии, также снижается ассоциированное потребление антиоксидантов, витаминов, минералов, фитоэстрогенов [1, 2]. Под влиянием пищевых волокон улучшается микрофлора кишечника, усиливается синтез витаминов В1, В2, В6, РР и фолиевой кислоты кишечными бактериями [3]. Одними из основных естественных источников пищевых волокон являются овощи и плоды, которые также в своем составе содержат флавоноиды, антиоксиданты, витамины [4, 5]. Продукты переработки плодоовощного сырья являются перспективными ингредиентами для комплексного обогащения биологическими активными веществами продуктов питания с низкой пищевой ценностью, например, готовые к употреблению, производимые как правило из рафинированного сырья с высоким содержанием углеводов. Это могут быть снэки, необогащенные готовые завтраки. Такие продукты преимущественно вырабатываются с использованием процесса варочной экструзии, обладающего рядом технологических и экономических преимуществ [6]. Мягкие условия экструзии обеспечивают повышение пищевой ценности перерабатываемых материалов, в процессе экструдирования происходит разрушение антипитательных факторов, клейстеризация крахмала, повышение переваримости белка и растворимости пищевых волокон, снижение окисления липидов [7]. Ряд исследователей проводили работы по использованию продуктов переработки плодов и овощей при разработке экструдированных продуктов питания. Так, при экструдировании смесей пшеничной муки, кукурузного и картофельного крахмала, сухого молока и порошков банана, яблока, клубники или мандарина, вносимых в рецепту в количестве 11% были получены образцы продуктов с высокой органолептической оценкой [8]. Запатентован способ получения разноцветных экструдированных изделий, включающий экструдирование смесей, в состав которых могут входить мука и крупы различных зерновых культур, а также до 15% плодоовощных компонентов в виде порошков фруктов, ягод, овощей и зелени, полученных различными видами сушки: сублимационной, инфракрасной, конвекционной [9].

Перспективным при обогащении продуктов питания плодоовощными компонентами является применение не нативного или высушенного сырья, а вторичных сырьевых ресурсов – продуктов его переработки, например, выжимок от производства соков, так как это способствует развитию комплексных, безотходных и ресурсосберегающих технологий [10, 11], и позволяет использовать относительно дешевые ингредиенты с высокой пищевой ценностью.

Разработана экструзионная технология переработки крошки из черствого и деформированного хлеба с 3–5% добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката [12] при температуре экструдирования составляет 160–180 ºС, 12–15% влажности перерабатываемой смеси и скорости вращения шнека 4,95–6,28 с-1. Также проведено исследование по использованию подсушенной до 10% влажности мезги моркови и тыквы при разработки поликомпонентных экструдированных продуктов с варьированием содержания в рецептуре исходной смеси порошков выжимок от 5 до 15% [13].

Тем не менее, использование предварительной сушки плодоовощного сырья и продуктов его переработки предполагает значительные трудо-и энергозатраты, что существенно увеличивает стоимость данных ингредиентов и влияет на себестоимость готовой продукции. Более перспективным технологическим решением является производство готовых экструзионных продуктов при переработке смесей зерновых с высоковлажным вторичными плодоовощным сырьем без использования предварительной подсушки. Лимитирующим фактором для получения качественного продукта при этом может быть влажность экструдируемой смеси – режимный параметр, снижающий вязкость расплава при экструзии с соответствующим влиянием на температуру, давление экструдирования и свойства получаемых экструдатов. Известен способ модернизации экструдера, в котором к выходной матрице присоединена система вакуумирования, включающая вакуум-камеру, вакуумным насос и выгрузной камерой с шлюзовым затвором [14]. Такое техническое решение позволяет использовать давление в вакуумной камере в качестве дополнительного управляющего фактора и воздействовать на интенсивность формирования пористой структуры экструдатов и индекс их расширения при переработке в том числе влажных смесей без потери качества.

Альтернативным способом влияния на режимы экструдирования при переработке влажного сырья может быть отбор пара непосредственно из камеры экструдера до выхода жгута через отверстия фильеры, что не требует подключения системы вакуумирования.

Целью работы являлось исследование процесса экструдирования с отбором и без отбора пара смесей зерновых с влажными вторичными сырьевыми ресурсами переработки плодоовощного сырья на примере зерна пшеницы и выжимок моркови для создания научного задела при разработке технологии производства поликомпо-нентных, готовых к употреблению продуктов.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись смеси измельченного зерна пшеницы и добавляемых в количестве 5–30% выжимок моркови, полученных в результате отжима сока на соковыжималке центрифужного типа при факторе разделения 2000g. Влажность выжимок после отжима сока составляла 84%. Помол зерна пшеницы с содержанием крахмала 57% и влажностью 11,7% характеризовался 80% проходом через сито ø 1,0 мм.

Рисунок 1. Геометрический профиль шнековых органов и узел влагоиспарения

Figure 1. Extruder screw design and installation for steam venting

Матрица экструдера была оборудована фильерой с 2 отверстиями диаметром 3 мм. Производительность по сырью составляла 12 кг/час, скорость вращения шнеков 250 об/мин, скорость резки гранул 710 об/мин.

Проэкструдированные продукты оценивали по коэффициенту взрыва насыпной плотности. Коэффициент взрыва определяли как соотношение площадей поперечного сечения образцов экструдата и отверстия фильеры. Для нивелирования факторов формы и размера гранул насыпную плотность определяли для измельченных в идентичных условиях продуктов экструзии, помол которых характеризовался 100% проходом через сито 1 мм.

Результаты и обсуждение

Первым этапом исследования являлось изучение влияния содержания выжимок моркови в смеси с помолом пшеницы на процесс экстру-дирования. Готовили смеси для экструдирования с внесением овощного компонента в количестве 5, 10, 20 и 30%. В результате кондуктивного масо-обмена при смешивании влажность исходных смесей изменялась в зависимости от содержания выжимок. Уже при 5% содержании компонента моркови влагосодержание увеличилось до 15,4%. С увеличением количества выжимок в смеси до 10% и более влажность превысила значения, соответствующие штатным режимам экструзионного процесса.

Экструзия готовых смесей осуществлялась при постоянных значениях технологических параметров – скорости вращения шнеков, температуры посекционного нагрева камеры, производительности. Предварительный нагрев камеры экструдера осуществлялся до температуры 80 ºС в центральной зоне и до 170 ºС в двух последних зонах. В таблице 1 представлены режимные параметры экструдирования и технологические показатели полученных продуктов.

Таблица 1.

Режимные параметры и технологические показатели экструдированных продуктов с выжимками моркови

Table 1.

Extrusion regimes and properties of wheat extrudates with carrot bagasse

Содержание выжимок в смеси, % Carrot bagasse content in the mixture, %	0	5	10	20	30
Влажность смеси, % | Mixture’s moisture, %	16,0	15,4	19,2	26,2	33,5
Момент нагрузки, % | Torgue, %	42	42	38	22	16
Температура, ºС | Temperature, ºС	184	183	183	171	160
Давление, МПа| Die pressure, МРа	4,0	3,7	3,5	2,1	1,5
Влажность экструдата, % | Extrudate’s moisture, %	7,7	7,5	8,9	10,2	18,4
Коэфф. Взрыва | Expansion index	8,0	8,3	6,8	4,1	2,2
Насыпная плотность кг/м3| Bulk density, kg/m3	646	591	776	821	910

В качестве контроля использовали помол пшеницы, в процессе экструдирования которого в камеру экструдера дополнительно дозировали воду.

Увеличение содержания выжимок в смеси с 5 до 30%снижало температуру экструдирования в предматричной зоне экструдера с 183 до 1600 С, при этом происходило уменьшение момента нагрузки экструдера с 42 до 16% и, соответственно, снижение давления в предмартичной зоне с 3,7 до 1,5 МПа. При этом влажность получаемого продукта возрастала от 7,5 до 18,4%, коэффициент взрыва уменьшился с 8,3 до 2,2, а насыпная масса измельченных для стандартизации экструдатов увеличилась с 591 до 910 кг/м3. На рисунке 2 представлены фотографии экструдатов полученных с 5 и 30% содержанием выжимок моркови.

Рисунок 2. Экструдаты пшеницы с выжимками моркови: а) – 5% выжимок; b) – 30%выжимок

Figure2. Wheat extrudates with carrot bagasse: a) – with 5% of bagasse; b) – with 30% of bagasse

Наиболее приемлемыми с потребительской точки зрения были признаны экструдаты с 5% и 10% содержанием выжимок. Образцы с большим количеством выжимок в рецептуре характеризовались плотной, твердой и стекловидной структурой. Полученные результаты согласуются с известными данными влияния увеличения влагосодержания на снижение коэффициента взрыва, повышение насыпной плотности и твердости экструдатов [14].

Таким образом, утилизировать выжимки моркови при экструдировании в штатном режиме для получения продукта с хорошей органолептической оценкой без конструктивных изменений возможно только внося в рецептуру не более 10% вторичного сырьевого ресурса. Для преодоления этого лимитирующего значения был разработан способ дополнительного отбора пара в средней части камеры экструдера непосредственно в процессе варочной экструзии. Для контроля и регулирования влагоиспарения перерабатываемого сырья на отводном трубопроводе был установлен манометр с вентилем.

Проведено исследование процесса экс-трудирования смесей измельченной пшеницы с внесением 20, 25 и 30% выжимок моркови. Предварительный нагрев камеры экструдера осуществлялся до температуры 90 ºС в центральной зоне и до 200 ºС в двух последних зонах. В таблице 2 представлены режимные параметры процесса экструдирования высоковлажного сырья с отбором и без отбора пара, а также свойства полученных экструдатов.

Таблица 2.

Режимные параметры экструдирования смесей измельченного зерна пшеницы и морковных выжимок с дополнительным отбором пара

Table 2.

Extrusion regimes with steam venting and properties of the obtained wheat extrudates enriched with carrot bagasse

Содержание выжимок в смеси, % Carrot bagasse content in the mixture, %	20	20	25	25	25	30	30
Режим отбора пара Regime of steam venting	без отбора Off	с отбором On	без отбора Off	с отбором On	с отбором On	без отбора Off	с отбором On
Давление пара в устройстве отбора, Мпа Steam pressure in venting installation, МРа	0,50	0,30	0,50	0,25	0,15	0,50	0,02
Момент нагрузки, % Torgue, %	18	40	15	45	55	Режим неустойчивый Unstable regime	Режим неустойчивый Unstable regime
Температура, ºС Temperature, ºС	180	190	170	185	205
Давление, МПа| Die pressure, МРа	1,6	3,3	1,2	3,8	4,5
Влажность экструдата, % Extrudate’s moisture, %	13,1	7,1	15,3	8,5	4,1	Формования гранул не происходило Nogranules formation
Коэфф. взрыва Expansion index	4,0	8,5	2,8	7,8	8,2
Насыпная плотность кг/м3 Bulkdensity, kg/m3	810	634	905	675	647

Влажность смесей для экструдирования с 20, 25 и 30% выжимок моркови составляла 26,5, 28,9 и 34,5%, соответственно. При экстру- дировании высоковлажная смесь перемещалась вращающимися самоочищающимися транспортирующими шнеками в зону реверсивных элементов с одновременным разогревом под действием внешнего обогрева и диссипации механической энергии сил трения. В зоне реверсивных элементов температура и давление достигали максимальных значений. Далее сырье попадало в зону с технологическим отверстием и устройством для отвода пара. При переходе из области высоких баро-термических воздействий в зону декомпрессии, где объемная полость транспортирующих элементов, а также дегазационного отверстия и камеры-патрубка значительно превышают размеры полости в зоне реверсивных элементов, происходило падение давления и температуры с разрывом сплошного потока материала и увеличением поверхности испарения. Показателем отвода пара, регулируемого вентилем, являлось снижение давления в устройстве, в результате чего происходило снижение влаго-содержания материала в предматричной зоне. Далее расплав сырьевой массы со сниженной влажностью перемещался в предматричную зону камеры экструдера, а затем выпрессовывался через формующие отверстия матрицы с соответствую- щим резким падением давления и интенсивным испарением перегретой влаги сырья.

Данные эксперимента показывают, что при отборе пара из экструдируемой смеси с 20% выжимок происходит увеличение момента нагрузки с 18 до 40% за счет дополнительного отбора пара, при этом в предматричной зоне камеры экструдера происходит увеличение температуры и давления с 180 до 190 ºС и с 1,6 до 3,3 МПа, соответственно. При отборе пара с содержанием выжимок моркови 25% происходит увеличение момента нагрузки с 15 до 45% при снижении давления в устройстве отбора пара с 0,5 до 0,25 МПа и до 55% при соответствующем давлении 0,15 МПа. Следствием максимального отбора пара при давлении в устройстве 0,15 МПа являлся дефицит влаги в предматричной зоне экструдера, что вызывало подгорание материала и получение продукта, неприемлемого по органолептическим показателям. На рисунке 3 представлены фотографии образцов экструдатов, полученных из смесей с внесением 25% морковных выжимок.

Рисунок 3. Экструдаты пшеницы с 25% добавлением выжимок моркови: a) – без отбора пара; b) – при давлении пара в устройстве отбора 0,25МРа; c) – при давлении пара в устройстве отбора 0,15 МРа

Figure3. Wheat extrudates with 25% content of carrot bagasse: a) – without steam venting; b) – with pressure of steam venting 0,25 МРа; c) – with pressure of steam venting 0,15 МРа

Режимы экструдирования смеси с содержанием выжимок моркови 30% с отбором и без отбора пара были неустойчивы из-за неравномерной подачи предельно влажной исходной смеси шнековым дозатором экструзионной установки, и не позволили получить экструдат приемлемого качества.

Отбор пара как технологический прием повысил качество экструдатов. Для каждой смеси более чем в 2 раза возрастал коэффициент взрыва при отборе пара, на 21–25% снижалась насыпная плотность, которая для экструдатов находится в обратной зависимости с твердостью текстуры продукта.