ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

ВОЗМОЖНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭКСТРУДАТОВ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Прогресс в технологии экструдатов обусловливают следующие важнейшие направления поиска, внедрения и реализации инновационных технических и технологических решений:

  • • совершенствование конструктивно-технологических параметров экструдеров и выбор рациональных режимов проведения всех этапов технологического процесса экструдирования;
  • • внесение в рецептуру экструдируемого продукта функциональных ингредиентов с высокой биологической ценностью;
  • • совместная обработка видов сырья, синергирующих эффект заданных свойств и химического состава конечного экструдированного продукта;
  • • модификация химического состава и функционально-технологических свойств путем целевого воздействия на отдельные ингредиенты сырья.

При этом каждое из этих направлений может быть реализовано как отдельно, так и в комплексе.

Механизм формирования структуры экструдатов, получаемых при переработке крахмал содержащего сырья, изучен достаточно полно и представляется следующим образом.

Исходный обрабатываемый материал, находящийся в сыпучем состоянии (цельное или измельченное зерно пшеницы, ржи, ячменя и др.), при естественной или повышенной влажности уплотняется в процессе перемещения по тракту пресс-экструдера, нагревается и переходит в состояние упругой вязкопластической массы. При выходе из фильеры экструдера продукт взрывообразно расширяется и выводится за пределы машины.

Многочисленными исследованиями установлено, что функциональные свойства экструзионных продуктов в целом определяются переданной им удельной механической и тепловой энергией, а также временем пребывания частиц сырья в экструдере [1, 48, 81, 82, 141, 243]. В свою очередь, эти параметры технологического процесса зависят от производительности экструдера, угловой скорости шнеков (шнека) и их геометрии, размеров и конструкции структурирующей фильеры, температуры проведения процесса, влажности экструдируемого сырья, его химического и гранулометрического состава. Перечисленные показатели, как правило, задаются конструкцией экструдера, либо имеется возможность их контроля во время технологического процесса [89, 90, 92, 126]. Существенное влияние на трансформацию биополимеров зерна и разрыхление эндосперма наряду с технологическими режимами и конструктивными параметрами экструдера оказывает продолжительность экструзионной обработки [206, 237].

Известно, что для получения пористой макроструктуры экстру- датов необходима определенная влажность обрабатываемого сырья.

Экспериментальные данные, полученные рядом ученых, показывают, что вода в процессе термопластической экструзии играет весьма важную роль — ее содержание в экструдируемом сырье определяет температуру перехода обрабатываемого материала в вязкотекучее состояние и оказывает влияние на формирование структуры экструдатов. При этом максимальный индекс расширения (коэффициент взрыва) экструдата можно получить при содержании в 1 г сухого вещества обрабатываемого сырья около 0,1 г воды [165].

С другой стороны, степень расширения экструдатов существенно зависит от содержания различных компонентов зернового сырья, а также от соотношения крахмала и белка. При экструзионной обработке крахмалсодержащих материалов в момент декомпрессии общее содержание крахмала уменьшается из-за расщепления молекул амилозы и амилопектина, одновременно увеличивается количество олигосахаридов и декстринов. Это обусловливает повышение содержания водорастворимых веществ и соответственно пищевой ценности продукта за счет большей его усвояемости [95, 126, 198].

Ниже приведены результаты исследований обоснования возможности регулирования функционально-технологических свойств зерновых экструдатов за счет изменения технологических параметров экструзионной обработки.

Известно, что в крахмалсодержащем растительном сырье, к числу которого относятся практически все зерновые, максимальная степень желатинизации и деструкции крахмала обеспечивается оптимальной влажностью экструдируемого материала, давлением и температурой в тракте экструдера. При этом как некий синергический эффект этих параметров выступает степень расширения обрабатываемого материала при выходе из отверстия матрицы экструдера, который может характеризоваться индексом расширения экструдата или его пористостью [90, 106].

Имеются сведения, что регулировать степень расширения экструдата при выходе из фильеры можно путем воздействия на него избыточным давлением паровоздушной среды величиной 5—15% от давления экструзии [149].

В предложенном нами способе производства экструдатов решается задача снижения трудоемкости при его выработке и повышения технологических свойств получаемого продукта за счет лучшей сохранности витаминов и белков сырья, а также более интенсивного воздействия на содержащейся в нем крахмал [158].

Исследования проводились с помощью экспериментальной установки, в состав которой входит одношнековый пресс-экструдер, укомплектованный режущим устройством 8 (рис. 2.1), вакуумной камерой 9 и выгрузной камерой 12.

Схема экспериментальной установки

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки:

1 — электродвигатель; 2 — клиноременная передача; 3 — вал; 4 — загрузочная камера; 5 — корпус; 6 — шнек; 7 — фильера; 8 — режущее устройство; 9 — вакуумная камера; 10 — вакуумный насос; 11 — шлюзовой затвор; 12 — выгрузная

камера

Пониженное давление в вакуумной камере создавалось с помощью вакуумного насоса 10, вакуум-регулятора и вакуум-баллона (на рис. 2.1 не показаны). Вакуум-регулятор позволял поддерживать необходимое давление в вакуумной камере, а вакуум-баллон служил для сглаживания возможных колебаний давления в системе и сбора конденсата, получаемого при охлаждении паровоздушной смеси, откачиваемой из вакуумной камеры.

Выгрузка готового экструдата без разгерметизации вакуумной камеры обеспечивалась с помощью шлюзового затвора 11.

Этот результат достигается тем, что экструдат получают путем очистки зерна, его экструдирования и измельчения полученного продукта.

В качестве обрабатываемых материалов используют зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса, риса, гречихи, проса, кукурузы, сои с массовой долей влаги 12—18% отдельно или в смеси без предварительного шелушения поверхности.

Целые зерна экструдируют в течение 15—25 с при температуре 110— 140°С с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,03-0,07 МПа.

При этом содержание влаги в экструдированном продукте регулируют величиной давления (вакуума) и, следовательно, степенью перепада давления в предматричной зоне агрегата и вакуум-камере за счет изменения массовой доли влаги, образовавшейся в процессе структурообразования экструдата.

Давление в вакуумной камере экструдера подбирается в зависимости от исходной влажности обрабатываемого сырья и желаемой пористости готового продукта таким образом, чтобы он в конечном итоге имел влажность не более 8%. Экструдат при выходе из фильеры матрицы разрезают на частицы размером 1,0—4,0 мм.

Полученный продукт можно использовать в качестве сырья при производстве хлебобулочных изделий, для замены части несоложеных продуктов в пивоварении, а также в качестве наполнителей и стабилизаторов в процессе приготовления кондитерских изделий.

Обоснование основных режимных параметров разработанного способа осуществлялось экспериментальным путем по следующей методике.

На первом этапе исследований была выявлена принципиальная возможность реализации базовых основ предлагаемого способа.

Для этого нешелушеное зерно проса подвергали очистке от сорных и зерновых примесей с помощью комбинированной зерноочистительной машины, а затем подвергали экструзионной обработке на одношнековом пресс-экструдере КМЗ-2У, укомплектованном ножевым устройством и вакуумной камерой.

В пресс-экструдере сырье влажностью 15% обрабатывали в течение 20 с при температуре 130°С. На выходе из фильеры матрицы экструдат разрезался вращающимися ножами на частицы длиной

2 мм и поступал в вакуумную камеру, где вспучивался и терял влагу до какого-то значения. В вакуумной камере поддерживалось абсолютное давление равное 0,05 МПа (50 кПА). Иными словами, в камере поддерживался вакуум, равный 50 кПа.

В качестве контрольного варианта опыта получали экструдат проса при обработке сырья такой же влажности, но с иными, более жесткими параметрами экструзии — длительность 30 с и температура 150°С.

Сделано это было для выявления вклада в экструзионный процесс каждого из данных параметров. Давление в камере поддерживалось на уровне атмосферного (100 кПа).

Анализ пористости получаемого экструдата с учетом длительности и температуры экструзии представлен в табл. 2.1.

Таблица 2.7

Влияние условий экструзионной обработки на показатели экструдата проса

Показатели

экструдата

Контрольный

образец

Опытный

образец

Массовая доля влаги, %

7,5

6,2

Пористость, %

65,0

74,5

Коэффициент расширения (вспучивания)

2,5

2,6

Коэффициент расширения, приведенный к температуре

2,5

2,9

Коэффициент расширения, приведенный к длительности

2,5

3,9

Водопоглотительная способность, %

260

310

Полученные данные свидетельствуют о принципиальной возможности регулирования коэффициента расширения и пористости получаемого экструдата за счет изменения давления в вакуумной камере экструдера. При этом существенно меняется и водопоглотительная способность экструдата, которая относится к одной из основных характеристик его функционально-технологических свойств.

На втором этапе наших исследований определялась зависимость пористости экструдата от давления воздуха в вакуумной камере экструдера. На рис. 2.2 приведены полученные результаты пористости экструдата ячменя (опыт) при обработке в экструдере зерна влажностью 15% в течение 20 с при температуре 130°С.

Контрольный образец представлял ячмень, прошедший экструзионную обработку при указанных условиях, но в отсутствии вакуума на выходе из фильеры матрицы.

Зависимость пористости экструдата ячменя от давления в вакуумной камере экструдера

Рис. 2.2. Зависимость пористости экструдата ячменя от давления в вакуумной камере экструдера:

1 — 0,1 МПа (контроль); 2 — 0,07 МПа; 3 — 0,05 МПа; 4 — 0,03 МПа

Экструзионная обработка зерна гречихи, овса, пшеницы и других культур показала одну и ту же закономерность: в условиях быстрого перехода экструдата из области высоких давлений (в тракте экструдера) в условия пониженного давления (вакуумная камера) происходит интенсивный декомпрессионный процесс. При этом величина давления в вакуумной камере экструдера влияет не только на пористость экструдата (в данном случае ячменя), но и на содержание в нем влаги (рис. 2.3).

Ранее проведенные нами исследования показали, что экструзионная обработка ячменя повышает усвояемость содержащегося в нем крахмала за счет его расщепления на сахара и декстрины [26, 90, 189].

Наряду с воздействием на крахмал, экструзионная обработка зерна повышает перевариваемость белков, входящих в его состав, и делает более доступными аминокислоты вследствие разрушения в молекулах белка вторичных связей [15, 81, 82, 126].

Зависимость влажности экструдата ячменя от давления в вакуумной камере экструдера

Рис. 2.3. Зависимость влажности экструдата ячменя от давления в вакуумной камере экструдера:

1 — 0,03 МПа; 2 — 0,05 МПа; 3 — 0,07 МПа; 4 — 0,1 МПа;

Установленная возможность регулирования пористости экстру- датов за счет пониженного давления воздуха на выходящий из фильеры экструдера растительный материал принята нами за основу при обосновании технологических факторов экструзионной обработки и технических параметров экструдера на структуру экстру- датов крахмалсодержащего зернового сырья.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >