EKSTRUZJA

Istota procesu

Termiczno-ciśnieniowa obróbka surowców roślinnych, połączona z ich wytłaczaniem, nosi nazwę ekstruzji. W wyniku zespolonego współdziałania wysokiej temperatury (120-) oraz ciśnienia do 20 MPa w materiale poddawanym obróbce zachodzą liczne zmiany fizyko-chemiczne, prowadzące do zagotowania masy.

Po opuszczeniu otworu wylotowego matrycy umieszczonej na końcu cylindra ekstrudera materiał gwałtownie zwiększa swoją objętość pod wpływem przemiany fazowej wody. Produkt ekstruzji ma najczęściej budowę zbliżoną do plastra miodu, ukształtowaną przez wiązki stopionych włókien białkowych. Masa opuszczająca ekstruder jest formowana pod wpływem kształtu otworu matrycy. W zależności od dalszego stosowania otrzymanego produktu może on być suszony, a następnie chłodzony do temperatury 15-.

W technologii ekstrudowania jakość gotowego produktu można opisać w postaci funkcji wielu zmiennych:

Q = f (CS, D, W, P, T, CR, SS)

Gdzie:

• Q – jakość produktu

• CS – cechy i właściwości surowca

• D – cechy i właściwości dodatków

• W – wilgotność surowca

• P – stosowane ciśnienie wewnątrz aparatu

• T – temperatura obróbki

• CR – czas oddziaływania na obrabiany produkt

• SS – siły ścinające

Budowa

• zasobnika wsadu z obrotowym spustem (ruchome dno)

• komory termiczno- ciśnieniowej ze ślimakiem i płaszczem parowym

• zasilacza ślimakowego

• sekcji mieszania i kondensowania surowca

• sekcji termoplastycznej obróbki przerabianej masy

• dysz żywej pary

• matrycy kształtowania upostaciowanego produktu

• noża obrotowego do cięcia produktu

• przenośnika taśmowego lub pneumatycznego

• regulatora obrotów wału ekstrudera

Działanie

Ekstruzja polega na wprowadzeniu surowca, najczęściej w postaci proszku lub granulatu do leja zasypowego ekstrudera, a następnie na jego uplastycznieniu w skutek ciepła generowanego przez ślimak, a także dostarczonego ze źródła zewnętrznego (grzejników). Pod wpływem ruchu obrotowego ślimaka surowiec przemieszcza się wzdłuż cylindra. Przemieszczając się kolejno przez strefę zasypu, zasilania, przemiany i dozowania.

W trakcie ruchu surowca w cylindrze zachodzą dwa podstawowe procesy: uplastycznianie surowca oraz jego mieszanie. Masa na końcu cylindra wtłaczana jest do głowicy, na końcu której znajdują się elementy wymienne zwane dyszą bądź ustnikiem. Elementy te nadają ostateczny kształt wytłoczonemu wytworowi.

Aspekty

• otrzymanie produktów z doskonałymi właściwościami dietetycznymi

• poprawienie strawności poszczególnych składników

• obniżenie zawartości związków antyżywieniowych

• pełna i kompleksowa pasteryzacja

• wyeliminowanie niepożądanych mikroorganizmów

• przedłużenie okresu przechowywania produktów

schemat technologiczny wytwarzania cukru

Technologia produkcji cukru z buraków cukrowych w cukrowniach składa się z kolejnych procesów: myte i pokrojone korzenie (tzw. krajanka) ługuje się wodą o temperaturze 75-85°C. Otrzymany w ten sposób sok surowy zawiera ok. 15% cukru. W celu oczyszczenia poddaje się go najpierw procesowi defekacji, a następnie saturacji. Po odfiltrowaniu wytrąconych zanieczyszczeń sok zagęszcza się w wyparkach aż do wykrystalizowania surowego cukru, który następnie poddaje się rafinacji polegającej na rozpuszczeniu go w wodzie, odbarwieniu za pomocą węgla aktywnego, powtórnym odparowaniu, odwirowaniu i suszeniu. Odciek, który pozostaje nazywa się melasą. Zgodnie z polską normą cukier biały zawiera nie mniej niż 99,80% sacharozy, cukier rafinowany – powyżej 99,85%.

Główne składniki uboczne w produkcji cukru:

wysłodki buraczane – pozostałość po ługowaniu wodą buraków cukrowych,

Melasa – pozostałość odciek pozostały po krystalizacji cukru.

Cukier – oznaczenie dla dwusacharydu sacharozy i dla produktów przemysłu cukrowniczego których głównym składnikiem jest sacharoza.

Cukier biały – krystaliczny cukier wysokiej czystości. Określenie poszczególnych gatunków cukru białego następuje cyframi arabskimi, np. "cukier biały 1" lub "cukier biały 2". Dalsze liczby określają gorszą jakość cukru.

Cukier inwertowany – mieszanina równych części glukozy i fruktozy, powstaje przez hydrolizę sacharozy (inwersja).

Cukier kandyzowany – po specjalnej krystalizacji otrzymany cukier o dużych kryształach. Krótko: "Kandyz".

Cukier powrotny – gotowe produkty (cukier biały, cukier surowy), które na skutek niedostatecznej jakości zwracane są do procesu technologicznego.

Cukier surowy – krystalizowany cukier o mniejszej czystości. Jest produktem końcowym w fabrykach cukru surowego lub produktem pośrednim w fabrykach cukru białego. Nie dotyczy trzeciego produktu. Określenie następuje według czystości cukru

Bilans energetyczny chlodni

Ciepło przenikające z otoczenia (Q₁):

Q₁=k ·F_x ·(t_z-t_w)·τ [kJ/d]

k -sumaryczny współczynnik przenikania ciepła danej przegrody, [kJ/(m²·h·K)];

F_x -powierzchnia obliczeniowa, [m²];

t_z, t_w -temperatura zewnętrzna (otoczenia) i wewnętrzna (komory), [°C];

τ – czas, 24 [h/d]

Ciepło odprowadzone z produktów (Q₂):

Q₂=M·c_w·(t₁-t₂), [kJ/d]

M -masa produktu, [kg/d];

c_w -ciepło właściwe produktu przed zamrożeniem, (z tab.3.5 dla jabłek 3,79 [kJ/(kg·K)]);

t₁ -temperatura początkowa produktu, [°C];

t₂ -temperatura zamarzania produktu, [°C].

Ciepło zużyte do odprowadzenia wody z produktu (Q₃):

Q₃=G·r, [kJ/d]

G -ilość odparowanej wody, [kg H₂O/d];
r -ciepło parowania wody w temperaturze produktu, [kJ/kg H₂O].

Ciepło odprowadzone z opakowaniami (Q₄):

Q₄=m·c·(t₁-t₂), [kJ/d]

m -masa opakowań lub urządzeń do składowania i transportu, [kg/d];

c -ciepło właściwe materiału zużytego do opakowania lub materiału,

z którego wykonano urządzenia do składowania i transportu, [kJ/(kg·K)];

t₁,t₂ -tepmeratura początkowa i końcowa, [°C].

Ciepło wentylacji (Q₅):

Q₅=n·V·ρ·(i₁-i₂), [kJ/d]

n- krotność wymiany powietrza w ciągu doby,

V -pojemność komory, [m³];

ρ -gęstość powietrza w komorze, [kg/m³];

i₁, i₂–entalpia powietrza świeżego i w komorze, [kJ/kg p.s.].

Ciepło pracy silników (Q₆):

Q₆=3600·P·(1/ η ₅ -1)·η₁·η₂·η₃·τ, [kJ/d]

3600-równoważnik pracy, [kJ/kW·h];

P- moc zainstalowanego silnika, [kW];

η₅-sprawność silnika elektrycznego;

η₁-współczynnik wyzyskania mocy zainstalowanego silnika;

η₂-współczynnik obciążenia;

η₃-współczynnik przyswajania energii cieplnej,

τ-czas pracy silnika, [h/d].

Ciepło oświetlenia (Q₇):

Q₇=3600·P·τ, [kJ/d]

3600-przeliczenie 1kW·h na kJ (1kW·h=3,6MJ);

P-moc włączonych żarówek, [kW];

τ -czas włączenia żarówek, [h/d].

Ciepło pracy ludzi (Q₈):

Q₈=n·q₁·τ , [kJ/d]

n -liczba osób znajdujących się w pomieszczeniu,

q₁-całkowite ciepło wydzielane przez 1 osobę w ciągu 1h, kJ;

τ -czas przebywania w ciągu doby, [h/d].

n=2 os.

q₁=1000[kJ/d]

τ=1h

Ciepło oddychania tkanki roślinnej (Q₉):

Q₉=M·q, [kJ/d]

M -ilość towaru składowanego w pomieszczeniu, [Mg];

q -jednostkowe ciepło oddychania dla okresu dobowego, [kJ/Mg].

Straty dodatkowe (Q₁₀):

Q₁₀=0,1· $\sum_{n = 1}^{n = 9}\text{Qn}$, [kJ/d]

Produkty spożywcze o charakterze emulsji

-Lody

-Majonez

-Dresingi i sosy

-Desery

-Czekolada

-Mleko

-Żółtka jaja

-Farsze mięsne i wędliny drobno rozdrobnione

-Masło, margaryny, tłuszcze smażalnicze

-Zabielacze do kawy

-Ciasta (faza wodna, tłuszczowa, gazowa)

Emulsja

Jest to mieszanina co najmniej dwóch niemieszających się ze sobą, w warunkach naturalnych, składników.

Wytwarza się poprzez stopniowe dozowanie (kropla po kropli) jednego składnika do drugiego w czasie intensywnego mieszania materiału stanowiącego fazę ciągłą. Powoduje to dyspersję (rozproszenie) i zawieszenie kropli jednej substancji w drugiej.

Materiał rozproszony – faza nieciągła, rozproszona lub wewnętrzna.

Materiał, w którym jest rozproszona faza wewnętrzna – faza ciągła lub zewnętrzna.

Klasyfikacja emulsji

Wg procentowej ilości fazy rozproszonej:

F= Vr/(Vr+Vc)

F<0,3- emulsje o małej ilości fazy rozproszonej, np. mleko, lody, sery, masło, margaryna

0,3<F<0,7- emulsje o średniej zawartości fazy rozproszonej, np. kremy

F>0,7- emulsje o znacznej ilości fazy rozproszonej- np. majonezy, dresingi

Wg typu wzajemnego układu substancji:

Woda w oleju- w/o- np. masło, margaryna, tłuszcze piekarskie, cukiernicze, smażalnicze

Olej w wodzie- o/w- np. mleko, sosy, majonezy, dresingi, ciasta

SKŁAD FAZ WODNEJ I TŁUSZCZOWEJ

FAZA WODNA

-Woda

-Substancje koloidowe jak białka i węglowodany

-Cukry

-Sole

FAZA TŁUSZCZOWA

-Tłuszcz

-Pochodne tłuszczów, np. fosfo- i glikolipidy

-Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach

-Barwniki

-Sterole

Zawartość fazy wodnej i tłuszczowej w emulsjach może być różna. Istnieje pewna graniczna ilość fazy rozproszonej, powyżej której faza ciągła zamienia się w fazę rozproszoną.

Dla majonezów zbadano, że wynosi w granicach 74- 80%.

Mechanizm tworzenia emulsji

Zemulgowane, niemieszające się fazy dążą do rozdzielenia się i tym samym stabilizacji energetycznej układu.

Aby temu zapobiec lub opóźnić stosuje się środki powierzchniowo czynne zw. Emulgatorami.

Emulgatory zmniejszają wartość napięcia powierzchniowego poprzez adsorpcję na granicy faz częścią hydrofilową w stronę fazy wodnej a iofilową w stronę fazy tłuszczowej;

ułatwiają tworzenie emulsji i stabilizują układ.

Przykłady emulgatorów

-Fosfolipidy (np. lecytyna)

-Sole sodowe i potasowe kwasu oleinowego

-Białka (np. żelatyna, albumina jaja, kazeinian sodu, białka sojowe, serwatkowe)

-Monostearynian gliceryny

-Estry poliglicerolu

-Estry sorbitolu

-Estry wyższych kwasów tłuszczowych

-Skrobie modyfikowane

-Stabilizacja emulsji zależy od:

Rodzaju i ilości emulgatora (odpowiednia)

Rozmiaru cząsteczek fazy rozproszonej (<1 do 10 mikrometrów- stabilna)

Obecności związków powierzchniowo czynnych na granicy faz (tak- stabilna)

Lepkości fazy ciągłej (duża- stabilna)

Różnicy gęstości fazy rozproszonej i ciągłej (zbliżona- stabilna)

Stabilizatory emulsji

Są to związki, które rozpuszczone w roztworze (wodzie) zwiększają jego lepkość przez tworzenie trójwymiarowej sieci. W jej przestrzeniach jest rozproszona faza wewnętrzna co zapobiega aglomeracji kropli.

Przykłady stabilizatorów

-Pochodzące w wodorostów hydrokolidy: agar, alginiany, karageny

-Pochodzące z roślin: pektyny, pochodne celulozy

-Pochodzące z nasion: mączka chleba świętojańskiego i guar

-Ksantan, inne gumy, skrobia modyfikowana

GLUTEN

Mąka jest produktem otrzymywanym w wyniku przemiału oczyszczonego ziarna zbóż, przede wszystkim chlebowych (pszenicy, żyta), a także jęczmienia, kukurydzy, ryżu oraz (w mniejszych ilościach) nasion gryki, grochu, soi.

Przemiał polega na mechanicznym rozdrobnieniu oczyszczonego ziarna za pomocą urządzeń zwanych mlewnikami walcowymi.

Typ mąki - określa zawartość popiołu ogółem wyrażoną w g na 100kg mąki. Podawane w normach przedmiotowych oznaczenie liczbowe typu mąki określa procentową zawartość popiołu pomnożoną przez 1000, czyli np. typ 500 mąki zawiera 0,5% popiołu ogółem.

Mąki pszenne

chlebowe: tortowa (typ 450), krupczatka (typ 500), luksusowa (typ 550), chlebowa (typ 750), sitkowa (typ 1400), graham (typ 1850), razowa lub śrutowa chlebowa (typ 2000)

makaronowe: durum (odmiana pszenicy durum-szklistej typ 950, semolina typ 1750) i zwyczajna (z pszenicy zwyczajnej szklistej typ 450)

Ocena jakości mąk

-ocena sensoryczna (barwa mąki, smak, zapach, wilgotność, zagrzanie, granulacja)

-badania fizykochemiczne (kwasowość, ilość i jakość glutenu)

Wartość wypiekowa mąki

wyciąg mąki i wielkość jej cząsteczek

Wpływa na kierunki wykorzystania mąki. Mąka z grubego przemiału daje ciasto twarde, mniej rozpływające się, wymagające dłuższego wyrabiania, np. mąka kaszkowa- krupczatka, nadaje się do produkcji makaronów i specjalnych ciast.

wodochłonność mąki

Zależy głównie od ilości i własności białek i cukrowców. Skrobia może związać około 30% wody w stosunku do swojej masy. Wodochłonność mąki pszennej zależy w dużym stopniu od ilości i jakości glutenu, natomiast w mące żytniej znaczny udział w procesie wiązania wody mają pentozany.

zdolność wytwarzania i zatrzymywania gazów podczas fermentacji ciasta

Zależy od zawartości w mące cukrów fermentujących, czyli rozkładających się na dwutlenek węgla i alkohol etylowy (mąka pszenna) lub dwutlenek węgla i kwasy organiczne - głównie kwas mlekowy i alkohol (ciasto ukwaszone z mąki żytniej).

Zdolność do zatrzymywania gazu w mące pszennej zależy od ilości i jakości glutenu, natomiast w cieście żytnim od jakości skrobi zawartej w mące żytniej, a częściowo i białek w niej zawartych.

aktywność enzymatyczna głównie amylolityczna i proteolityczna

Ocena wartości wypiekowej mąki

-pośrednia (badanie glutenu, skrobi, aktywności enzymatycznej mąki oraz właściwości reologicznych ciasta)

-bezpośrednia (próbny wypiek laboratoryjny)

Duże znaczenie dla wartości wypiekowej mąki mają zawartość glutenu i jego cechy fizyczne.

Gluten

Gluten to kompleks białek głównie gliadynowych i gluteninowych połączonych wiązaniami dwusiarczkowymi i niekowalentnymi: wodorowymi, jonowymi, hydrofobowymi. Powstaje on po dodaniu do mąki pszennej wody, a następnie miesieniu. Jest sprężystym, elastycznym, lepkim, nierozpuszczalnym w wodzie białkiem.

Gluten nadaje ciastu strukturę gąbczastą, elastyczność, dzięki niemu ciasto ma zdolność zatrzymywania gazów.

Funkcje glutenu

-wiązanie wody (w ilości od 70 do 250% suchej masy glutenu)

-tworzenie struktury szkieletowej w cieście pszennym, dookoła której rozmieszczają się pozostałe składniki mąki, głównie-hydratyzowana skrobia

Jakość glutenu

-Elastyczność

-Rozpływalność

Elastyczność glutenu – zdolność glutenu do rozciągania. Im powstały podczas rozciągania opór większy tym silniejszy gluten.

Rozpływalność glutenu – zdolność glutenu do deformacji w określonym czasie. Im większa, tym gluten słabszy. Rozpływalność świadczy o nadmiernej aktywności enzymów rozkładających białka.

Ilość i jakość glutenu zależy od warunków klimatycznych i glebowych uprawy zbóż, nawożenia. Większa zawartość białka występuje, gdy podczas dojrzewania zboża była słoneczna pogoda (kraje śródziemnomorskie - dobre mąki).

Badanie glutenu

Farinograf, przyrząd wykorzystywany w przemyśle spożywczym do badania własności wypiekowych mąki pszennej. Działanie farinografu oparte jest na pomiarze oporu jaki stawia próbka ciasta podczas miesienia.

Ekstensograf dokonuje oceny rozciągliwości ciasta uzyskanego z mąki badanej i określa opór, jaki stawia ciasto podczas rozrywania. Rozciągliwość ciasta i opór na rozrywanie wynikają w znacznym stopniu z jakości glutenu tworzącego strukturę przestrzenną ciasta.

Celiakia

Nietolerancja glutenu występująca u 1% populacji, jest chorobą związaną z wytwarzaniem przeciwciał skierowanych przeciwko glutenowi i powoduje uszkodzenie kosmków jelitowych. Jest to choroba typu autoimmunologicznego. Osoby z nietolerancją na gluten powinny przestrzegać ścisłej diety bezglutenowej przez całe życie.

Procesy wysokotemperaturowe stosowane w przetwarzaniu żywności

• Blanszowanie (w gorącej wodzie lub w parze)

• Pasteryzacja (poniżej przy pH ~4,5 – kwaśne)

• Sterylizacja (działania okresowe lub ciągłe; w temp 121,1- ~> 0,204-0,480MPa)

Skuteczność procesów zależy od:

1. wartość zastosowanej temperatury i czasu jej oddziaływania (tzn. dawki cieplnej)

2. odporności cieplnej drobnoustrojów i przetrwalników

3. początkowej liczby mikroorganizmów

   • formy wegetatywne są łatwe do zniszczenia

   • formy przetrwalnikowe są trudne do zniszczenia

4. „wieku” mikroorganizmów

   • czym większa jest liczba mikroorganizmów, tym wyższy jest stopień ich odporności

5. składu chemicznego żywności

   • drobnoustroje są bardziej odporne w formie „dojrzałej”, niż w formie wzrostu

[im więcej wody tym więcej mikroorganizmów i trzeba zastosować dłuższy proces z wyższą temperaturą]

Produkty pasteryzowane i sterylizowane przed zapakowaniem powinny być pakowane w warunkach aseptycznych.

FERMENTACJA

Równanie Gay-Lussaca – bilans fermentacji alkoholowej:

[reakcja egzotermiczna – wydziela się energia cieplna]

Np.0.

Ze 100g cukrów prostych otrzymujemy 51,1g alkoholu oraz 49,9g dwutlenku węgla. Wydajność fermentacji 94% (48,0g alkoholu rzeczywiście otrzymujemy)

1mol CO₂ (44,0g) – 22,4l

Np.1.

Obliczyć ile kg alkoholu etylowego 90% (wagowo) można otrzymać z 5t melasy, zakładając, że wydajność reakcji procesu fermentacji wynosi 92%.

5Mg melasy zawiera 50% dwucukru sacharozy tj. 2,5Mg cukrów.

x₁ to 100% alkohol etylowy przy 100% wydajności

• przy założonej wydajności:

x₂=x₁*92/100=1,345*92/100=1,237Mg

• przy danej procentowości:

x₃=x₂*100/90=1,237*100/90=1,374Mg

[lub x₃=x₁*92/100*100/90]

Np.2.

Ile ton melasy zużyto do wyprodukowania 10t alkoholu etylowego 80% (wagowo); wydajność reakcji 91%.

x₁ to 80% alkohol etylowy przy 100% wydajności

• przy założonej wydajności:

x₂=x₁*100/91=14,870*100/91=16,340Mg

• ilość melasy:

x_m=x₂*2=16,340*2=32,680Mg

[lub x_m=x₁*100/91*2]

Np.3.

Ile alkoholu 100% otrzymamy z 1t ziemniaków przy wydajności 100%.

Ilość skrobi w ziemniaku 16-20%

PROCESY TLENOWE

Teoria Finka dotycząca hodowli tlenowej drożdży:

100kg węgla pierwiastkowego

~> 2/3 drożdżowe komórki

~> 1/3 cele energetyczne

W komórkach drożdżowych stosunek węgla do azotu do fosforu (C:N:P) 6:1:0,2

Ilość melasy x_m=2x=2*237,5=475,0kg

27.10.09

PROCESY BEZTLENOWE

Np.1.

Obliczyć ile drożdży D₂₇ można otrzymać z 1t melasy przy wydajności 100%.

Melasa zawiera 500kg dwucukru sacharozy

Teoria Finka: 210,5kg

~> 2/3 biomasa

~> 1/3 cele energetyczne

• Z tego 2/3 zużywane jest na tworzenia biomasy:

2/3*I=2/3*210,5=140,3kg

• Węgiel stanowi 50% ciężaru komórek drożdżowych; stąd ilość drożdży suchych D₂₇:

2*140,3=280,6kg

• Z tego powstaje odpowiednia ilość drożdży mokrych D27:

x – szukana ilość drożdży D₂₇

Np.2.

Ile melasy potrzeba na wyprodukowanie 1t drożdży D₂₅

Melasa zawiera 50% dwucukru sacharozy

• Ilość melasy:

x_m=2x=2*445,3=890,6kg

• C:N:P (6:1:0,2)

187,5 : 31,25 : 6,25

• Siarczan amonu:

• Superfosfat:

Na wyprodukowania 1t drożdży D25 zużyto x_m=890,60kg melasy, x_C=187,50kg węgla, x_N=147,32kg azotu oraz x_P=25,40kg fosforu.

PRZETWARZANIE SUROWCÓW OLEISTYCH

Np.1.

Obliczyć ile można otrzymać biopaliwa składającego się z estrów metylowych kwasu oleinowego, linolowego, i linolenowego z 10ha uprawy rzepaku przy założeniach:

• Plon nasion rzepaku z 1ha wynosi 2,8Mg

• Nasiona rzepaku zawierają 42% tłuszczu składającego się z cząstek substratu przedstawionych w reakcji

• Wytłaczanie prowadzi do otrzymania oleju w ilości 34,5% masy nasion rzepaku

• W otrzymanej masie produktów udział molowy poszczególnych estrów kwasów tłuszczowych wynosi po 1/3

• Reakcja chemiczna zachodzi z wydajnością 91%

Szukamy:

• Pozostałości oleju w wytłokach

• Jakie będzie zużycie substratu – alkoholu metylowego (metanolu)

• Ile powstanie gliceryny będącej w tym procesie produktem dodatkowym (odpadem)

  • Z 10ha otrzymamy:

10ha*2,8Mgha^-1=28Mg rzepaku

• W otrzymanych nasionach zawartość tłuszczu wynosi:

28Mg*0,42=11,76Mg

• W wyniku wytłaczania otrzymuje się olej:

28Mg*0,345=9,66Mg

• Pozostały olej:

11,76-9,66=2,10Mg

• Masa wytłoków:

28-9,66=18,34Mg

• Biopaliwo:

Uwzględniamy sprawność przemiany 91%:

9,704*0,91=8,831Mg

• Zużycie substratu:

• Masa gliceryny:

Uwzględniamy sprawność przemiany 91%:

1,012*0,91=0,921Mg