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

ś

wiatowej 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

µ

m. 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 extrusion-

expansion 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.