Ekstrudiranje hrane

Ekstrudiranje je proces oblikovanja omekšanog ili plastificiranog materijala njegovim proterivanjem kroz otvore pod pritiskom. U prehrambenoj industriji pod pojmom ekstrudiranja podrazumeva se plastifikacija i kuvanje navlaženog skrobnog i proteinskog materijala biljnog porekla u cilindru sa pužem, u kome je materijal izložen visokom pritisku, temperaturi i mehaničkom naprezanju.

Makaroni su ekstrudirano testo

Primena ekstrudera datira još od kraja 18. veka, ali prvi ekstruderi nisu korišćeni u prehrambenoj već u drugim industrijama. Tokom godina oni su razvijani i usavršavani što je omogućilo njihovu primenu najpre u prehrambenoj, a zatim i u industriji hrane za životinje.

Kritični faktori pri procesu ekstrudiranja

Unutar cevi ekstrudera odvijaju se specifične hemijske promene. Mada je ekstrudiranje hrane preneseno iz tehnologije proizvodnje sintetskih polimera, plastika je znatno homogenija, pa se tokom njene obrade ne nailazi na veće probleme. S druge strane, oblikovanje i vođenje procesa ekstrudiranja hrane mora uzeti u obzir prirodne varijacije materijala u sadržaju vlage, skroba i proteina, kao i eksperimentalne promene.

Hemijske promene:

• Cepanje molekula
• Rekombinacija fragmenata
• Termička degradacija

Fizičko-hemijske promene:

• Sjedinjavanje manjih molekula
• Gubitak strukture
• Gubitak pri izlasku iz matrice

Sastav ekstrudirane hrane menja se i usled materijalnih gubitaka, kao što su isticanje ulja, ili isparavanje vode i drugih isparljivih komponenti, pri izlasku iz matrice. S obzirom da se većina hemijskih reakcija odigrava upravo u ovoj fazi, poželjno je da se termolabilne komponente, kao što su arome i Vitamini, ubrizgavaju neposredno pre matrice, kako bi se umanjio uticaj toplote i smicanja i izbegli veći gubici.

Primena i prednosti

Proizvodnja hrane za akvakulture je sektor globalne industrije hrane za životinje koji se najbrže razvija. Iako se velike količine hrane za akvakulture i dalje proizvod konvencionalnim postupkom peletiranja, ekstruzija se koristi u sve većem obimu i ima nekoliko prednosti nad peletiranjem:

• Može se kontrolisati brzina tonjenja, pa se tako može proizvesti plutajuća i sporotonuća hrana;
• Ekstrudirana hrana može obično imati veći sadržaj masti od peletirane;
• Za mnoge životinjske vrste ekstrudirana hrana povećava dostupnost Ugljenih hidrata;
• Ekstruzija potpomaže destrukciju mikroorganizama i nekih kontaminanata;
• Ekstrudirane pelete generalno imaju veći fizički integritet i manje se otiru;
• Pod određenim okolnostima kod ekstrudiranih peleta postiže se veća stabilnost u odnosu na vodu;
• Vlažni materijali kao što su sveža mlevena riba mogu se lako inkorporirati u ekstrudirani proizvod.

Gorenavedeni faktori pokazuju da se ekstrudirana hrana efikasnije koristi, što povećava stepen konverzije hrane i smanjuje zagađenje vode. Uprkos svim ovim prednostima treba imati u vidu da je proces ekstruzije skuplji od procesa peletiranja i da je za neke vrste kao što su škampi diskutabilno koja tehnologija je podesnija. Skorija istraživanja sa škampima ukazuju na to da je suva ekstruzija podesna za procese manjeg kapaciteta (izlazni protok manje od jedne tone po satu).

Uticaj ekstrudiranja na pojedine komponente hrane

Pre razmatranja kako se ekstrudiranjem mogu proizvesti gotovi proizvodi za ishranu životinja, korisno je posvetiti pažnju uticaju procesa ekskruzije na svaku od glavnih komponenata hrane za životinje ili na sirovine za njenu proizvodnju. Naglasak se daje na uticaj ekstruzije kuvanjem na glavne konstituente hrane za životinje, dok se uticaj hladne ekskruzije neće razmatrati.

Uticaj na skrob

Sirovi skrob dobijen iz cerealija i korena žitarica pojavljuje se u formi granularnih aglomerata molekula. Ove granule apsorbuju relativno malo vode na sobnoj temperaturi. Ipak, grejanjem u prisustvu vode granule skroba bubre, a zatim se raspadaju. Njegovi gradivni molekuli zauzimaju homogeniju i ređe pakovanu strukturu koja je u stvari gel. Ovaj gel ima veliki kapacitet adsorbovanja vode. Proces konverzije skroba od sirovog stanja do ovog želatinoznog stanja naziva se želatiniranje.

Ovaj proces se javlja uglavnom kod svih ekstrudera i generalno je veoma poželjan. Želatinizirani skrob ima izražene vezivne karakteristike i može da povezuje ostale konstituente u uniformno oblikovan finalni produkt. Takođe, želatinizirani skrob je digestibilniji od sirovog skroba, a i nutritivna vrednost skroba se povećava nakon ekstruzije.

U uslovima povišene temperatura i pritiska koji se pojavljuju unutar ekstrudera, jednom formirani gel će ostati u elastičnom viskoznom stanju dok god produkt ne izađe iz kalupa ekstrudera. U ovom trenutku iznenadni pad pritiska bi uzrokovao evaporaciju vlage produkta u okolnu paru i drastično povećanje zapremine produkta. Ovo izaziva naduvavanje elastičnog skrobnog gela koje će ostati trajno nakon hlađenja i sušenja gela (uz očekivano minimalno skupljanje), tako da prisustvo skroba u smeši sirovog materijala može poslužiti omogućavanje potencijala za proizvodnju ekspandovanog finalnog proizvoda. Kapacitet vezivanja vode može da posluži kao empirijski test stepena želatiniziranja skroba. Ipak, potreban je oprez kod ovakvog ogleda jer pod pojedinim uslovima ekstrudiranja može da dođe do promene strukture skroba, poznatom kao dekstrinovanje.

Pod dekstrinizacijom možemo smatrati fazu posle želatiniziranja pri kojoj molekuli skroba počinju da se kidaju u manje molekule kao što je dekstrin. Ovi manji molekuli se rastvaraju u vodi radije nego što je apsorbuju. Normalno, ekstruzija na povišenoj temperaturi i u uslovima povećane vlage rezultuje razumnim nivoom želatiniziranja i niskim nivoom dekstrinovanja. Ukoliko se temperatura povišava, a stepen dodatka vlage smanjuje, i želatiniziranje i dekstrinovanje se povećava. Ukoliko se ovaj proces povišenja temperature i snižavanja pritiska nastavi doći će do tačke u kojoj je sav skrob želatiniziran, a jedan njegov deo dekstrinovan. Od ove tačke dalje se povećava dekstrinovanje, a količina želatiniziranog skroba počinje da opada jer se molekuli skroba raspadaju do dekstrina i drugih manjih molekula. Efekat svega navedenog je da se kapacitet vezivanja vode i rastvorljivosti linearno povećava sa promenom parametara ekstruzije, sa povećanjem temperature i opadanjem vlage, dok se ne dostigne tačka u kojoj se rastvorljivost nastavlja dalje povećavati, ali adsorbtivni kapacitet počinje da opada. Ovde vidimo da se osobine ekstrudiranog skroba mogu menjati variranjem procesnih parametara. .

Uticaj na proteine

U kontekstu ekstruzije u osnovi postoje dve forme proteina koje bi trebalo razmatrati: denaturisani protein i nedenaturisani protein.

Denaturisani proteini su oni proteini koji su bili prethodno izloženi kuvanju do stepena pri kojem su neki od lanaca aminokiselina pokidani do pojedinačnih aminokiselina ili do kraćih lanaca (mesni obrok, riblji obrok, ekstrahovani sojin obrok). Ovi proteini nisu u mogućnosti da želatiniraju tokom ekstruzije, tako da oni ne doprinose vezivnim osobinama smeše sirovih materijala.

Nedenturisani proteini su oni proteini koji nisu prethodno bili tretirani. Njihove aminokiselinski lanci su neoštećeni i pod određenim uslovima ekstruzije oni mogu da formiraju gelove na isti način kao i skrob. Oni mogu da se ponašaju kao vezivni materijal i, u stvari, teksturisani biljni protein može se napraviti koristeći denaturisani protein kao praktično jedini sastojak. Nedenaturisani protein može u kompleksu sa skrobom da formira stabilan proizvod u odnosu na vodu. Pa ipak, ukoliko su uslovi ekstruzije preoštri, nedenaturisani protein će proći kroz stanje gela i vratiti se u inertno denaturisano stanje.

Često je poželjno pažljivo denaturisati protein ekstruzijom. Umereno raskidanje proteinske strukture poboljšava svarljivost. Takođe, neki proteinski sastojci inhibiraju normalnu svarljivost ili smanjuju životni vek proizvoda. Na primer, ureaza sojinog zrna je nepoželjan enzim koji se lako inaktivira ekstruzijom. Pri ekstruziji materijala bogatih proteinima u prisustvu redukujućih šećera mogu se, interakcijom ove dve komponente hrane, formirati produkti Maillard-ove reakcije. Ovo može da utiče na smanjenje nutritivne vrednosti finalnog produkta. .

Uticaj na vlaknaste materije

Ekstruzija ima mali uticaj na vlaknaste materije. Ipak, ukupna gustina vlaknastog sadržaja se povećava ekstruzijom. Ovo je verovatno posledica mehaničke akcije u ekstruderu pri kojoj se kidaju i kompresuju vlaknaste niti. Ekstrudiranjem vlaknastih materija u prisustvu jakih baza, kao što je natrijum-hidroksid, može poboljšati svarljivost ovih materijala u kontekstu isharane preživara.

Uticaj na masti

Ekstruzija ima mali uticaj na masti, ali masti imaju važnu fizičku funkciju pri ekstruzionom procesu koja se ogleda u njihovoj osobini da se ponašaju kao lubrikant i da teže da ograniče ekspanziju.

Kada se masti ekstrudiraju u kombinaciji sa ugljenim hidratima, oni teže da formiraju slab kompleks koji smanjuje rastvorljivost masti u etru. Ovo se mora uzeti u obzir pri analizi ekstrudiranih masnih produkata tako što se mora primeniti kiselinska hidroliza masti pre konvencionalne determinacije. Formiranje skrob/mast kompleksa može biti poželjno jer se dobija produkt koji ima teksturalne i ukusne karakteristike koje ukazuju na niži nivo masti od stvarnog, a svarljivost masti nije promenjena.

Uticaj na minerale i vitamine

Ekstruzija nema uticaja na većinu materijala. Vitamini A, C, tiamin, niacin i neki drugi su osetljivi na toplotu i deo ovih vitamina će biti uništen propuštanjem kroz ekstruder. Ovo se može preduprediti dodavanjem većih količina vitamina pre ekstruzije ili dodavanjem ovih vitamina posle ekstrudiranja.

Uticaj na aditive

Mnogi aditivi koji se dodaju u hranu za životinje kao što su arome, inhibitori plesni i ostali stabilizatori su osetljivi na uticaj ekstruzije. Na primer, aroma može biti narušena ekstrudiranjem tako što se formira totalno drugačiji ukus od onog koji smo nameravali da dobijemo i, u svakom slučaju, mnogo arome se ispere sa parom na izlazu i mašine.

Literatura

• Gavrilović, M.: Tehnologija konditorskih proiѕvoda, Futura, Petrovaradin, 2003.
• Piletić M. V., Milić B.Lj.: Organska hemija III deo, Tehnološki fakultet, Novi Sad, 1989.
• Edwin van Onna; Brigitte van Mechelen; Stewart, Matthew; Moreno, Shonquis; Scott, Chris; Sarah Martin Pearson; Bruyninckx, Joeri; Takahashi, Masaaki (1993). The technology of Extrusion Cooking. Springer. ISBN 9780834213401. 
• Guy, R. C. E. (2003). „EXTRUSION COOKING/Principles and Practice”. Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition. str. 2222—2227. ISBN 9780122270550. doi:10.1016/B0-12-227055-X/00434-X. 
• Backus, Robert G.; Boshold, R. F.; Johannisson, Thomas G.; Noble, Paul D.; Pfeffer, Jerome B.; Schiebold, Ted A.; Spearman, J. E. (1998) [1984]. „Drawing, extruding, and upsetting”. Ur.: Wick, Charles; Benedict, John T.; Veilleux, Raymond F. Tool and manufacturing engineers handbook. vol. 2 (4th izd.). SME. ISBN 978-0-87263-135-9. 
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000). Machinery's Handbook (26th izd.). New York: Industrial Press. ISBN 978-0-8311-2635-3. 

Spoljašnje veze

• Ekstrudiranje
• eFunda Engineering Fundamentals - Extrusion
• The Extrusion Process