background image

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 

background image

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

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: 

background image

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].  

background image

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 

background image

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, 

background image

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. 

background image

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.