Значение экструзионной технологии в производстве пищевых продуктов

Введение                               публики Казахстан — разработка перспектив-

Одно из основных приоритетных нап-     ных технологий и оборудования для произ- равлений в пищевой промышленности Рес-     водства продуктов питания функционально- направленного и пролонгированного действия, а также улучшение качества продукции, расширение ассортимента и обеспечение эффективности ее производства.

В настоящее время находит широкое применение перспективный способ — экструзия. Экструзия – идеальный технологический процесс, позволяющий сохранить в пищевых продуктах максимум полезных свойств. При экструзионной обработке в изделиях практически полностью сохраняются витамины группы «В» и фолиевая кислота, растительные белки не изменяют своего строения и остается неизменным количество диетической клетчатки. В процессе экструдирования крахмал распадается на простые сахара, вредная микрофлора обеззараживается, в бобовых дезактивируются антипитательные вещества, а витамины и аминокислоты, содержащиеся в злаках, благодаря кратковременности процесса сохраняются практически полностью.

В зависимости от глубины происходящих изменений экструзионную обработку делят на три вида: холодную, теплую и горячую. Наибольшее распространение получила холодная экструзия, применяемая в основном для производства макаронных изделий. Вместе с тем, все более интенсивно развиваются технологии приготовления различных пищевых продуктов методами тепловой и горячей экструзии.

Объекты и методы исследования

Объектом исследований явились зерновые и бобовые культуры, а также для повышения биологической ценности круп были использованы морковный и тыквенный порошки. Процесс экструдирования протекает так: продукт захватывается шнеком, перемещается вдоль корпуса, проходит зоны сжатия, разогрева (за счет сил трения продукта о поверхность вращающегося шнека и корпуса, а также деформаций сдвига в самом продукте), гомогенизации, зону непосредственно экструзии и разгрузки. Продолжительность обработки составляет 1-2 мин. Давление и температура при этом возрастают и достигают соответственно 50 МПа и 180°С [1].

Обычно при работе экструдера в установившемся режиме требуемая температура массы перед матрицей поддерживается благодаря выделению тепла под действием трения лопастей шнека о нагнетаемую вязкую массу. При этом повышение влажности массы, снижение вязкости и увеличение пластичности приводят к снижению интенсивности трения шнека и, следовательно, к понижению температуры формуемой массы и давления экструзии. В связи с этим каждый из указанных температурных режимов экструзии характеризуется также определенными пределами значений влажности экструдируемой массы и давления экструзии (см. таблицу 1).

Таблица1 - Соотношение режимов экструзии и параметров экструдируемой массы.

Режим экструзии	Влажность массы, %	Давление, МПа
Холодная	Более 28	Менее 10
Теплая	24-30	9-12
Горячая	14-20	12-20

В производстве экструзионных продуктов используется широкий ассортимент зернового сырья (рисовая, пшеничная, кукурузная крупа и т. д.). По химическому составу крупы характеризуются как продукты, богатые крахмалом и белком. Содержание крахмала в некоторых крупах достигает 75 % и более, белка - 9-16 %. Крупы содержат немного жира, растворимых углеводов и минеральных веществ, в них также содержатся витамины группы В. Значительное содержание углеводов определяет их высокую энергетическую ценность.

Для примера можно рассмотреть произ- водство крупяных палочек; их выпускают в глазированном и неглазированном виде. В основе производства лежит метод экструзии, при котором тестообразная масса проходит через матрицы экструдера под высоким давлением и при высокой температуре. При этом продукт на выходе из аппарата раздувается из-за резкого перепада давления. Готовые изделия имеют пористую структуру и увеличиваются в объеме в 3-4 раза. Важным моментом является влажность крупы перед экструдером, этот показатель должен быть 20-25%. Крупа в результате трения превращается в вязкую тестообразную массу, которую прессуют в виде жгутов и нарезают на небольшие кусочки. Готовые кукурузные палочки подают через дозатор в установку для нанесения добавок. Это может быть ванилин, какао, кофе, корица. Соленый вариант может быть с сыром или чесноком. Чтобы нанести сахарную пудру (смешанную с ванилином или корицей), палочки сначала смачивают растительным маслом. Количество деформированных изделий и изделий нестандартного размера не должно превышать 10% [1].

Результаты и их обсуждение

В результате экструзии происходят существенные изменения и текстурирование не только на клеточном уровне, но и сложные химические, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления.

Основным компонентом зерновых завтраков является крахмал - высокомолекулярный полисахарид, состоящий из двух различающихся структурой, молекулярной массой, физико-химическими свойствами компонентов: амилозы и амилопектина.

Натуральный крахмал подвергается значительным изменениям, ведущим к молекулярной дезорганизации во время экструзии. Наиболее важным в структуре окончательного продукта является то, что крахмал теряет свою естественную кристалличность, подвергается молекулярной деградации и часто связывается липидами обрабатываемой смеси. На трансформацию крахмала экструзией значительно влияют следующие факторы: сдвиг, температура и влажность подаваемого состава. Полная желатинизация крахмала достигается при температуре более 120°С и влажности 10-20 %.

Освобожденные частично или полностью амилоза и амилопектин имеют совершенно разные характеристики при экструзии. Амилоза имеет меньшую, чем амилопектин, линейную структуру и подвержена механическому разрушению, находясь в потоке внутри экструдера. При 220°С значительно возрастает продольное расширение и резко снижается плотность. Расширенный, богатый амилозой крахмал имеет белый цвет, его текстура тонкая и равномерная.

Амилопектин расширяется, начиная с более низкой температуры (170°С для продукта), однако это расширение быстро снижается с увеличением температуры. Амилопектин не может сам выстраиваться вдоль потока в шнеке и в фильере из-за величины молекулы, в результате чего при низкой влажности получается большее механическое повреждение и уменьшаются размеры молекулы. Эти поврежденные крахмалы характеризуются как менее когезионные, чем желатинизированный неповрежденный крахмал. Следовательно, они меньше экспандируются, в основном, в продольном направлении, образуя продукты с более мягкими структурами, большей растворимостью и липнущие во время еды. Экструдаты высокой влажности отличаются большими размерами пор и утолщенными стенками ячеек.

Установлено, что ферментативная ата-куемость крахмалов под влиянием экструзионной обработки повышается. Это связано с инактивацией эндогенного амилазного ингибитора, уменьшением размера зерен и увеличением поверхности крахмала, частичным отделением от отрубей и белка.

Белок-компонент, чувствительный к теплу и сдвигу, может вступить в реакцию с различными составляющими продукта. Влажная температурная обработка и механическое воздействие вызывают структурное разворачивание белка с разрывами ионных, дисульфидных и водородных связей естественной третичной структуры. Денатурация белка приводит к увеличению количества пептидов и свободных аминокислот. Следствие этого процесса - повышение перевариваемости белка и частичное или полное разрушение антипитательных факторов, таких, как ингибиторы трипсина. При экструзионной обработке необезжиренной соевой муки большая часть этих веществ разрушается при температуре 140°С [2].

Одновременно со структурным разворачиванием белков происходит и их агрегация. Это подтверждается снижением растворимости белков, электрофоретическими исследованиями, текстуризацией белковой молекулы.

Темпертура экструзии также влияет на белковые компоненты экструдатов. Ее повышение приводит к увеличению водосвязывающей способности, к снижению жиропоглотительной способности, доли растворимых азотсодержащих веществ и белков, растворимых в воде и солевом растворе.

Степень разрушения альбуминов и глобулинов кукурузной крупки с повышением температуры снижается.

Зерновые – важные источники витаминов группы В. Между показателем разрушения большинства термочувствительных витаминов группы В (фолиевая кислота, В6, В12) и подачей энергии было установлено линейное соотношение.

Во время экструзии постоянно наблюдается 20~40%-ная потеря витамина С, вероятно, в результате повышенного окисления при высокой температуре. Содержание железа в смеси катализирует этот процесс. Каротиноиды довольно хорошо противостоят экструзии, но некоторые затем окисляются во время хранения. Перспективный способ улучшения витаминного состава - напыление витаминов на экструдаты [2].

На первом этапе экструзии под влиянием нагревания в присутствии воды крахмал теряет свою нативную молекулярную структуру, которая поддерживается в основном водородными связями. В этот период пищевые волокна увеличивают механическую энергию, что способствует большей молекулярной дезорганизации крахмала и уменьшению размеров молекул амилопектина. Возрастание количества молекул с меньшей молекулярной массой подтверждается увеличением растворимости экструдатов при введении пищевых волокон почти в 2 раза. Такие крахмалы характеризуются меньшими коге-зионностью и экспандированием, преимущественно, в радиальном направлении, образуя продукты с более мелкими порами и структурами.

На втором этапе экструзии из-за сильного механического воздействия разрушаются не только крахмальные зерна, но и матрица пищевых волокон, в результате чего освобождается часть макрофибрилл целю-лозы. Они выстраиваются вдоль ламинарного потока в шнеке и фильере экструдера и сближаются с молекулами крахмала. Полисахариды пищевых волокон, имея большое количество активных центров, при повышенной температуре соединяются перекрестными связями с молекулами крахмала, образуя новые агрегатные структуры и вызывая изменение физико-химических свойств биополимерной массы.

Таким образом, пищевые волокна нельзя рассматривать как инертный материал. Они участвуют в молекулярной конформации сырья и структурообразовании экструдатов.

Конструктивные особенности экструдеров и различные качественные характеристики используемого сырья позволяют в широких пределах комбинировать параметры процесса, что создает условия для целенаправленного изменения структуры и свойств готовых изделий — экструдатов.

Ассортимент пищевой продукции, вырабатываемой экструзионной технологией, включает более 400 наименований. Только в США производится и продается продуктов типа готовых завтраков на сумму свыше 2 млрд. долларов, причем их выпуск увеличивается ежегодно на 3%. Потребление зерновых завтраков в США в 2005 г составляло около 5,6 кг на душу населения.

В настоящее время в Японии экструзия используется, в основном, в кормопроизводстве, где ежегодно изготавливают корма на сумму 700 млн. долларов США и 80 % из них - с помощью экструдеров. Остаются популярными в Японии гранулированные и текстурированные пищевые продукты из растительных белков, их годовое производство составляет 17 тыс. т, большинство из них мясозаменители и наполнители. Душевое потребление пищеконцентратной продукции в развитых странах Европы (Германия, Великобритания, Швейцария) составляет примерно от 3 до 7 кг в год, в Казахстане - в среднем 1,4 кг. По оценочным данным за 2004 г. внутреннее потребление сухих завтраков – свыше 100 тыс. т./год, причем около 30 % из них импортируется [3].

Менее 10% жителей Казахстана включают в свой рацион данные продукты (в Астане и Алматы этот показатель несколько выше, но эта разница незначительна). В общем потреблении зерновых завтраков доля экструдированных — около 10 %. Сейчас основными покупателями экструдированных продуктов, полученных с помощью теплой и горячей экструзии, являются граждане в возрасте 10-15 лет, в несколько меньшей степени — 16-34 лет.

Выводы

• 1.    Внедрение новых способов углубленной переработки зерна может дать весьма значительный эффект. Благодаря сравнительно небольшим дополнительным затратам энергии, некоторому усложнению технологического процесса обработки исходного сырья и установке новых машин и оборудования может быть сэкономлено до 10–15% зерна.

• 2.    Из приведенных данных следует, что экструзия – достаточно прогрессивный способ получения качественных продуктов питания. Ее основные преимущества заключаются в гибкости технологических схем, высокой производительности и малых

габаритах экструдеров, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции. Однако, эта технология не нашла еще широкого развития и требует целого ряда комплексных мер для успешного освоения потребительского рынка пищевых продуктов.