Adam Ekielski
Produkty śniadaniowe
Popularnośd ekstrudowanych produktów śniadaniowych ma swoje źródło w ich wartości
żywieniowej. Takie produkty dostarczają równocześnie energii (300-400 kcal/100 g), składników
odżywczych (witamin, składników mineralnych) i pro zdrowotnościowych komponentów ( włókno
dietetyczne, antyoksydanty). W czasie długiej historii produktów śniadaniowych, reklamy zawsze
podkreślały właściwości zdrowotnościowe produktów ekstrudowanych i konsumenci rozpoznają je
jako właśnie żywnośd zdrową. Obecnie wpływ wartości odżywczych zawartych w produkcie na
zdrowie i ewentualne schorzenia stało się centrum zainteresowania podczas opracowywania nowych
produktów. Dlatego, moda na zdrowe odżywianie wpływa bezpośrednio na preferencje
konsumentów, i przekąski śniadaniowe nie uciekną przed takim rozwojem. Oczywiście kwestia
zdrowia powoduje wprowadzanie nowych produktów podczas prac nad przekąskami śniadaniowymi.
Przez ponad trzy dekady, technologia ekstruzji wysoko-temperaturowej odgrywała bardzo ważną i
decydująca rolę w unowocześnianiu technologii wytwarzania zbożowych produktów śniadaniowych.
Technologia ekstruzji wysokotemperaturowej jest koncepcją obróbki mechaniczno-termicznej (HTST-
high temperature short time), która korzysta intensywnej obróbki mechanicznej poddawanego
uszlachetnieniu materiału i dzięki czemu jest poważną alternatywą dla klasycznej
wysokotemperaturowej obróbki hydrotermicznej. Pozwala na ciągłe uszlachetnianie termiczne
mieszanek o bardzo zróżnicowanym składzie surowcowym, uzyskując produkt o różnym kształcie i
teksturze oraz przy stosunkowo niskich kosztach produkcji.
Na rynku można spotkad dwie odmiany produktów śniadaniowych przetwarzanych w procesie
ekstruzji wysokotemperaturowej:
Bezpośrednio ekspandowane produkty ekstrudowane. Mąka lub/i grysik zbożowy wraz z
dodatkami są gotowane w czasie procesu ekstruzji. Charakterystycznym jest niska wilgotnośd
surowców poddawanych ekstruzji, zwykle nie przekracza ona 20% (w/w). Wykorzystywane są
ekstrudery jedno i dwu śrubowe których konfiguracja elementów prowadzi do intensywnego
podgrzewania produktu dzięki transformacji energii mechanicznej w cieplną.
Ekstrudowane Granulko- płatki zbożowe. Mąka zbożowa lub/i grysik są gotowane z
dodatkami przy wilgotności 22-26%. Ze względu na duża wilgotnośd, zwykle przetwarzane są
w ekstruderach dwu śrubowych. W czasie procesu, w podgrzewaniu materiału energia
mechaniczna ma mniejszy udział, wzmacniając czynnik grzania konwekcyjnego jako
przeciwstawny do poprzedniego rozwiązania.
Grupy produktów
Popyt na rynku przyczynił się do stworzenia trzech niezależnych grup produktów z grupy przekąsek
śniadaniowych które obecnie znajdują się w sprzedaży:
Płatków zbożowych
Ekspandowanych produktów zbożowych
Mieszanek zbożowych.
Z historycznego punktu widzenia płatki zbożowe powinny byd wymienione jako pierwsze. I faktycznie
tradycyjne płatki śniadaniowe posiadają dobrą z punktu widzenia konsumenta budowę ( chrupką
teksturę i płaską pokryta pustymi w środku porami powierzchnię) i konsekwentnie silna pozycję na
rynku. Płatkowane zboża (głównie płatki kukurydziane i pszenne) wytwarzane w gniotownikach, są
surowymi kawałkami bielma ziarna. Poddawany płatkowaniu łuszczony owies jest sparzany w
parownikach komorowych, następnie płatkowany i opiekany w celu uzyskania dobrze znanego
kształtu i tekstury. Płatki zbożowe mogą byd wykonywane również w procesie ekstruzji
wysokotemperaturowej. Zamiast płatkowanego grysiku , można stosowad dowolną mąkę zbożową
zawierająca otręby która jest obrabiana w ciągłym procesie termomechanicznym. Technologia
ekstruzji pozwala na wykorzystanie taoszych surowców jak również zwiększenie wydajności linii
produkcyjnych i w koocu spadek ceny płatków zbożowych. Pomimo, że jakośd płatków
produkowanych w tradycyjnej i wykorzystującej ekstruzję technologii są różne (szczególnie
tekstura), różnice wynikają z różnego sposobu gotowania w czasie procesu, technologia ekstruzji
pozwala wytwarzad płatki o prostym składzie surowcowym, jak również opracowad produkty płatki o
pro zdrowotnościowych właściwościach (płatki z otrąb, pełnoziarniste płatki owsiane).
Tradycyjne ekspandowane zboża są produkowane przez spęcznienie wstępnie sparzonych całych
ziaren (twarda pszenica durum, ryż długo ziarnisty, sparzany ryż średnioziarnisty).
Gun puffing – jest procesem nieciągłym, wypiekowym , powodującym uzyskanie chrupkości,
kształtu i tekstury uzależnionej od rodzaju zastosowanego surowca. W tym procesie jest
faktycznie poważne ograniczenie w możliwości zmiany tekstury i kształtu koocowego produktu.
Proces bezpośredniej ekspansji w ekstruzji gotującej pozwala na wykorzystanie rozmaitych
surowców i receptur, stąd pozwala na znaczne modyfikowanie cech produktu koocowego.
Tradycyjne musli zawierają mieszankę rozmaitych naturalnych składników: rozdrobnione całe
ziarna zbóż (pszenica, jęczmieo, owies), nasiona roślin oleistych (sezamu i słonecznika), orzechy
(migdału, kokosa czy włoski), suszone owoce (rodzynek, jabłka, banany). Takie mieszanki są
dobrze skomponowane ze względu na zawartośd energetyczna i odżywczą.
Problemy w czasie produkcji
Charakter przebiegu procesu ekstruzji pozwala wytwórcom przekąsek śniadaniowych na
wprowadzanie dowolnych zbóż do receptur skrobiowych, umożliwiając zwiększenie wydajności i
zróżnicowania oferty. W porównaniu do tradycyjnego wytwarzania w technologii wypiekowej
hydrotermicznego wypieku , zachodzącej w temperaturze 90-110
C w czasie 15-30 minut, ciągłe
termomechaniczne gotowanie jakie ma miejsce w czasie procesu ekstruzji zachodzące w
temperaturach (140-180
C) przy krótszym czasie przebywania materiału (0.5-1.5 minut). Ten
ostatni parametr czyni proces ekstruzji bardziej wydajnym, szczególnie z powodu występującego
mechanicznego ścinania w czasie procesu. Zarówno proces gotowania hydrotermicznego jak
termomechanicznego polegają na przekształceniu polimeru skrobi z struktury semi-krystalicznej
w postad amorficzną, występują jednak znaczące różnice pomiędzy tymi dwoma technikami
gotowania. Efekt plastyfikacji skrobi jaki zachodzi podczas procesu ekstruzji prowadzi do
powstania specyficznej struktury wielkocząsteczkowej polimerów skrobiowych. Ponadto, jeżeli
rozmiar dekstrynizacji skrobi może byd pomijany w czasie procesu hydrotermicznego, to
dekstrynizacja jest ławo wywoływana ścinaniem zachodzącym podczas ekstruzji, co pomaga
różnicowad rozkład masy cząsteczek w grupach skrobiowych. Dlatego dzięki , powiązaniu wpływu
efektu plastyfikacji i zasięgu dekstrynizacji podczas ekstruzji, pozwala na uzyskanie zróżnicowanej
struktury polimeru i masy cząstek, prowadząc do znacznego zróżnicowania cech funkcjonalnych
w produktach ekstrudowanych.
Na rynku spotkad można dwa typy technologii produkcji przekąsek śniadaniowych:
Bezpośrednio ekspandowane podczas ekstruzji produkty (DEEC- direct expansion extrusion
cooking)
Gniecione wytłaczane w procesie ekstruzji granule (PFEC – Pellet-to-flaking extrusion cooking ) .
Technologia DEEC
W czasie tego procesu extruder nie tylko gotuje surowiec, ale również kształtuje i nadaje
odpowiednia teksturę koocowemu produktowi. Na rysunku przedstawiono schemat
technologiczny linii produkującej w trybie DEEC, która zawiera pięd operacji jednostkowych:
1. Mieszanie surowców i podstawowych składników.
2. Gotowanie podczas ekstruzji.
3. Suszenie które może zawierad również opiekanie.
4. Pokrywanie powłokami uszlachetniającymi (syrop, karmel).
5. Suszenie/chłodzenie.
Suchy surowiec przeznaczony do ekstruzji stanowiący mieszaninę mąk (kukurydzianej, pszennej,
ryżowej lub owsianej) i dodatków ( modyfikowana skrobia, otręby, cukier, emulgatory, chlorek sodu,
fosforan wapnia, itd.) są grawitacyjnie dostarczane do porcjowego mieszalnika gdzie są wstępnie
mieszane. Poziomy mieszalnik porcjowy w środku którego znajduje się mieszadło zbudowane z
dwóch spiral o przeciwnym splocie pozwala na wytworzenie jednorodnej mieszaniny. Wstępnie
zmieszana receptura jest podawana do walcowatego zbiornika buforowego i przenoszona do
ekstrudera za pomocą przenośnika ślimakowego. Podajnik zapewnia ciągłe o jednakowym natężeniu
przepływu materiału podawanie wymieszanego surowca do ekstrudera. Powszechnie stosowane są
dwa systemy dozowania materiału: objętościowy podajnik śrubowy i podawanie masowe. Bardziej
popularny i taoszy jest system dozowania objętościowego, w którym podawanie jest proporcjonalne
do prędkości obrotowej śruby podajnika, jednak masa podawanego w ten sposób materiału zależy od
gęstości usypowej mieszanki. Podajnik może byd wyposażony w jedną śrubę lub w układ
dwuśrubowy. Przenośnik dwuśrubowy charakteryzuje się mniejszymi zmianami w natężeniu
przepływającego materiału oraz przemieszcza lepiej mieszanki o dużej wilgotności i przyczepności. W
przypadku jeżeli wymagana jest większa dokładnośd przy podawaniu materiału stosowane jest
podawanie masowe. W linii technologicznej mogą mied zastosowanie jednośrubowe ekstrudery
gotujące lub zazębione współbieżne ekstrudery dwuśrubowe. Mieszanka jest przetwarzana w
względnie prostym układzie śrubowym w którym znajduje się sekcja gotująca znajdująca się na
koocowej pozycji. W tej sekcji materiał będący w stanie plastycznym jest poddawany intensywnemu
ścinaniu. Woda potrzebna do procesu gotowania, uzyskiwana jest z wody zawartej w przetwarzanym
materiale i wilgoci dodawanej przez układ podawani wody bezpośrednio do sekcji podającej
ekstrudera; całkowita wilgotnośd mieszanki poddawanej ekstruzji zmienia się w zakresie od 16 do
20%. Prędkośd obrotowa śruby ekstrudera ustawiana jest pomiędzy 200 i 450 obrotów na minutę, w
zależności od profilu śruby i wilgotności surowca.
Pozwala to na uzyskanie właściwych naprężeo ścinających i transformacji energii mechanicznej w
cieplną w sekcji gotującej. Takie warunki przebiegu procesu oznaczają, że ekstruder gotuje materiał
bardziej mechanicznie niż termicznie. Słód może byd dodawany bezpośrednio do sekcji gotującej. Na
koocu ekstrudera znajduje się matryca, przez którą produkt jest wyciskany. Zagotowana plastyczna
masa jest wyciskana pod wysokim ciśnieniem (powyżej prężności par wody) i przy wysokiej
temperaturze (powyżej 100
C) powodując znaczną ekspansję podczas opuszczania matrycy,
wynikającą ze znacznego szybkiego spadku ciśnienia i odparowania wody zawartej w wyciskanym
materiale. Odparowanie wody powoduje szybki spadek temperatury plastycznej masy, która szybko
zwiększa swoją lepkośd. W konsekwencji utwardzając się szybko w postaci mocno napowietrzonej
struktury uzyskując gotowy produkt o wyraźnie kruchej i chrupiącej teksturze. Wielkośd ekspansji
zależy od reologicznych i termicznych właściwości uplastycznionego materiału i geometrii wkładki
formującej. Matryca uzupełniania jest o obcinarkę która obcina ekspandowane pasmo surowca
opuszczającego matrycę, powodując nadanie odpowiedniego kształtu koocowemu produktowi.
Zespół matrycy formującej jest bardzo ważnym elementem ekstrudera który decyduje o jakości
ekspandowanego materiału, jego gęstości usypowej, teksturze, kształcie. Tabelka przedstawia
główne parametry przebiegu procesu w zależności od rodzaju płatków śniadaniowych.
Wytworzony produkt po pocięciu jest transportowany do suszarki przez przenośnik taśmowy lub
przenośnik pneumatyczny. Na wejściu do suszarki materiał ma 10% wilgotności która musi zostad
obniżona w suszarce do poziomu 2-3% w celu uzyskania właściwej kruchości. Suszenie zachodzi w
taśmowych suszarkach jedno i kilku przebiegowych, wykorzystujących konwekcję do przenoszenia
ciepła. Suszarki mogą byd wyposażone w oporowe grzałki rezystancyjne lub palniki gazowe lub w
niektórych przypadkach ogrzewanie parowe. Temperatura suszenia jest zwykle pomiędzy 140
C a
160
C, czas przebywania jest ustawiany przez zmianę prędkości przemieszczania taśmy i wynosi od 3
do 8 minut. Ułożenie produktu w czasie przechodzenia przez kolejne poziomy suszarki ulega
zmianom, dlatego wszystkie boki produktu są wystawione na działanie powietrza suszącego,
powodując jednakowe wysuszenie. Suszarki mogą posiadad sekcję opiekającą przystosowaną do
brązowienia przekąsek , wymaga to ustawienia temperatury od 150
C do 200
C. W niektórych
rozwiązaniach stosowane są suszarki fluidyzacyjne.
Wysuszone przekąski śniadaniowe są często pokrywane polewą zapachową składająca się z syropu
cukrowego(ok. 80
Brix) i dodatków smakowo zapachowych. W takim przypadku produkty są
mieszane w cylindrycznych bębnach w których są spryskiwane warstwą syropu. Bęben jest
zaprojektowany do wytwarzania złożonego ruchu produktu w przemieszczanej warstwie. Dzięki
czemu ułatwiony jest kontakt pomiędzy produktem i syropem oraz zapewnia jednakową warstwę
pokrywającą. Pokrywająca warstwa aromatyzowana jest przenoszona w dwóch zbiornikach. W
pierwszym następuje przygotowanie mieszanki, podczas gdy z drugiego następuje ciągłe podawanie
polewy do układu natryskowego w bębnie. Na koocu pokryte cukrem przekąski śniadaniowe są
suszone i chłodzone w suszarni taśmowej i pakowane.
Technologia PFEC
Ten proces jest wykorzystywany do wytwarzania płatków śniadaniowych. W tym przypadku
ekstruder jest wykorzystywany jedynie do gotowania surowców oraz formowania granul/grudek
przeznaczonych do płatkowania. Rysunek przedstawia typową linię technologiczną procesu PFEC, w
skład której wchodzi siedem operacji jednostkowych.
1. Mieszanie surowców i podstawowych dodatków.
2. Termomechaniczne gotowanie w ekstruderze.
3. Formowanie granul.
4. Płatkowanie granul
5. Suszenie/opiekanie.
6. Pokrywanie syropem.
7. Suszenie/chłodzenie.
Mieszanie suchych surowców i dodatków bazowych jest identyczne jak w przypadku poprzedniej
technologii. Mieszanka jest wprowadzana do procesu gotowania za pomocą dozowników
objętościowych lub wagowych. Częśd gotująca procesu składa się z dwóch elementów.
Pierwszym jest prekondycjoner który ogrzewa i nawilża mieszankę. Prekondycjonery składają się
z pojedynczego lub podwójnego zespołu obracających się wałów. Wałki wyposażone są w łopatki
mieszające ustawione pod pewnym kątem, umożliwiającym przemieszczanie materiału. Zmiana
ustawienia łopatek i prędkości obrotowej wałków kondycjonera wpływa na parametry pracy
kondycjonera takie jak: czas przebywania materiału , stopieo wypełnienia, stopieo wymieszania.
W kondycjonerze mieszanka jest nawilżana poprzez spryskiwanie jej wodą lub nasączanie parą
wodną . Wprowadzanie pary wodnej przez dysze wtryskowe powoduje również podniesienie
temperatury składników znajdujących się w komorze. Mieszanka osiąga w takim przypadku
temperaturę 75-85
C przy wilgotności 18-20%. Zastosowanie pre-kondycjonera nie jest
niezbędne do przeprowadzenia procesu lecz gotowanie termomechaniczne może mied znacząco
inny przebieg po wstępnym kondycjonowaniu mieszanki.
Podajnik kondycjonera przemieszcza materiał do ekstrudera gotującego który jest zwykle
współbieżnym zazębionym dwu-śrubowym pozwalającym na obróbkę materiałów o dużym
zróżnicowaniu, dzięki temu bardzo elastycznym w kształtowaniu profilu temperaturowego
przeciwieostwie do ekstruderów jednośrubowych. W tej technologii surowce skrobiowe są
poddawane obróbce w ekstruderach o długich śrubach dla których L/D =20..30. Długie
ekstrudery wyposażone są w kilka sekcji gotujących, każda złożona z śrub generujących średnią
prędkośd ścinania: mały skok zwoju umieszczony pomiędzy sekcjami gotującymi. Konfiguracja
śrub pod koniec ekstrudera przed formowaniem w matrycy jest tak zaprojektowana aby
umożliwid na łatwy przepływ ciepła pomiędzy materiałem i obudową, powodując schłodzenie
materiału do temperatury poniżej 100
C. Ostatnia sekcja zawiera również obudowę wyposażoną
w system odgazowania materiału, który jest zaprojektowany w celu podniesienia wydajności
chłodzenia materiału. Prędkośd obrotowa śrub w tego typu ekstruderach rzadko przekracza 200
obr/min, w połączeniu z względnie wysoką wilgotnością (22..26%) i konfiguracją śrub
powodującą zmniejszenie wartości ścinania pozwala na uzyskanie wystarczających własności
transportu mechanicznych i termicznych składników powodujących gotowanie. Syrop słodzący
jest zwykle dodawany bezpośredni do ekstrudera w sekcji transportowej lub w początkowej
części sekcji gotującej. Przepychany przez matrycę formującą materiał jest formowany i ciety na
nieporowate i niskiej ekspansji granulke (5-6 mm średnicy i 6-8 mm długości). To może byd
wykonywane prze obcinarkę zespoloną z matrycą lub odstawioną obcinarkę, gdzie matryca
produkuje sznurek ekstrudatu który jest później cięty. Po obcięciu temperatura i wilgotnośd
granul wynosi 80-95
C i 20-22% wilgotności. Następnie granule są przenoszone do bębna
mieszającego w celu schłodzenia (40-60
C) i niedopuszczenia do sklejania się granul ze sobą
przez uzyskanie równomiernego rozkładu wilgotności. Zakres schłodzenia jest sterowany przez
zmianę przeciwprądowego przepływu otaczającego powietrza. Bęben obraca się ze stała
prędkością, przy jego nieznacznym pochyleniu powoduje powolny przepływ materiału,
kontrolując w ten sposób czas przebywania produktu wewnątrz bębna przed płatkowaniem.
Długośd L/D ekstrudera dwuśrubowego można ograniczyd i wykorzystywad ekstruder wyłącznie
do gotowania. W takim przypadku, gorący ugotowany i plastyczny surowic wytworzony w
ekstruderze dwuśrubowym jest podawany do wolno obrotowego ekstrudera jednośrubowego
formującego. Delikatne ugniatanie i chłodzenie masy plastycznej uniemożliwia wzrost
temperatury przez opuszczeniem matrycy. Taka opcjonalna linia technologiczna pozwala na
większa elastycznośd dzięki rozdzieleniu gotowania i formowania.
Po opuszczeniu bębna pelety są kierowane do podajnika wibracyjnego który przemieszcza
odseparowane pojedyncze granule rozmieszczając je na całej szerokości podajnika. Granule
dostarczane do gniotownika walcowego są spłaszczane. Gniotownik składa się z dwóch rolek o
tych samych rozmiarach; jedna z nich jest ruchoma, umożliwiając regulację odległości pomiędzy
nimi, przy ich równoległym prowadzeniu pozwala to na zmianę grubości otrzymywanych
płatków. Kiedy gniotownik jest w trakcie pracy ma tendencję do rozgrzewania się, dlatego
często wymagane jest jego chłodzenie przez wewnętrzny układ chłodzenia w celu zapewnienia
stałej odległości pomiędzy bębnami. Ostrza oczyszczające odrywają gumowate płatki od
powierzchni bębnów.
Gumowate płatki o temperaturze 32-38
C i wilgotności 18-20% wprowadzane są do zespołu
suszarko-opiekacza. Ze względu na kształt płatków i krótki czas przebywania powszechnie
stosowaną metodą suszenia jest metoda polegająca na uderzeniu ciepłem, jest ona bardziej
skuteczna od metod suszenia w piecach tunelowych lub bębnowych. Uderzenie powietrzem
suszącym składa się z trzech faz: pierwsza wykorzystuje temperaturę (220-270
C) do usunięcia
wilgoci i spęcznienia płatków, podczas gdy druga faza działa jak opiekacz przy temperaturze 160-
220
C , nadając płatkom charakterystyczną ekspansję oraz chrupkośd i barwę. Trzecia faza
schładza spęczniane i opieczone płatki w celu zatrzymania procesu brązowienia i przygotowanie
produktu do dalszej obróbki i pakowania. Dodatkowe działania mogą dotyczyd pokrywania
aromatyzowanym syropem cukrowym w cylindrycznych bębnach po którym płatki są suszone i
chłodzone.
Główne operacje pomocnicze
Przedstawione powyżej operacje technologiczne zawierają dwie istotne dla jakości produktu i
jego tekstury operacje jednostkowe. Dlatego ważne jest branie pod uwagę operacji
wpływających na koocową jakośd produktu takich jak:
1. Kondycjonowanie
2. Ekstruzja gotująca
3. Suszenie i opiekanie.
Kondycjonowanie –
Przewidywanie czasu uwodnienia mączek skrobiowych i grysiku. Kondycjonowanie jest stosowane do
wstępnego rozgrzania i nawilżenia surowego biopolimeru takiego jak mąka, grysik przez mieszanie go
z parą i wodą. Podczas kondycjonowania ciepło i woda muszą zostad równomiernie rozprowadzone
wewnątrz cząsteczek aby ograniczyd zróżnicowanie temperatury i wilgotności cząstek materiału
przed podaniem do ekstrudera. To skłania do podstawowych badao nad przepływem masy i ciepła
pomiędzy składnikami umieszczonymi w kondycjonerze znajdującymi się w trzech stanach:
gazowej(para)/ciekłej(woda)/ stałej (mąka,grys). W praktyce kiedy niewielka ilośd przegrzanej pary i
wody zostanie podana do kondycjonera, para pomaga ogrzad cząsteczki oraz podczas kondensacji
wraz z wodą tworzy cienką warstwę dookoła cząsteczek mąki i grysu. Dlatego kiedy cząstki sa
otoczone przez gorąca nasyconą parę, temperatura i wilgotnośd cząsteczek wzrasta, ale nie
natychmiast. Dwa czynniki decydują o szybkości ogrzewania i spęczniania cząstek. Pierwszym jest
opór warstwy na powierzchni cząstek. Lepszy kontakt ciecz ciało stałe, oznacza mniejszy opór cieplny
warstwy. Drugim czynnikiem jest szybkośd przepływu ciepła i wilgoci do wnętrza stałej cząsteczki. To
jest wewnętrzny opór cieplny opisany drugim prawem Fouriera i drugim prawem Ficka. Znając
współczynnik dyfuzji, te prawa fizyczne mogą zostad łatwo wykorzystane do przewidywania czasu
niezbędnego do równomiernego ogrzania i uwodnienia cząstek. Podsumowując, wyższa wartośd
dyfuzyjności ciepłą i wody, to wyższa szybkośd ogrzewania i nawilgocenia w cząsteczce. W przypadku
skrobiowych materiałów w temperaturze otoczenia, termiczna dyfuzja wynosi około 10
-7
m
2
/s,
podczas gdy dyfuzyjnośd wodna jest w pobliżu 10
-9
m
2
/s. Oznacza to, że termiczna dyfuzyjnośd jest
100 razy większa niż wodna, powoduje to szybsze przenikanie ciepła niż wilgotności w głąb
cząsteczki. Rozwiązania drugiego prawa Fick’a może byd wyrażone przez bezwymiarową liczbę
Fouriera, F
o
w formie:
;
Gdzie D – współczynnik dyfuzyjności wody, t- czas dyfuzji, R –promieo cząsteczki.
Względnie ważnym dla oporu warstwy i wewnętrznego jest zmierzenie bezwymiarowego
współczynnika Biot’a (liczba Biot’a –Bi). Dla małych wartości liczby Biota (Bi<0.1), główną przeszkodą
w przenikaniu ciepła i wilgoci w głąb cząsteczki jest warstwa cieczy wokół cząstek, ma to miejsce
zwykle w kondycjonerach o słabych właściwościach mieszających. Przy wysokich wartościach liczby
Biot (Bi>10), głównym oporem jest opór dyfuzji do środka cząsteczki, ma to miejsce w
kondycjonerach o dobrym mieszaniu. Kondycjonery obecnie stosowane w przemyśle wykazują
przeciętne właściwości mieszające, dla których wartośd Bi jest w pobliżu 1: w tym przypadku zarówno
warstwa przyścienna jak i opór dyfuzyjny mają wpływ na opór w przenikaniu ciepła i masy do
cząsteczki.
Jest zatem możliwe policzenie czasu dyfuzji t (lub czasu uwadniania: czasu potrzebnego do
wyrównania wilgotności w cząsteczce) jako funkcji średnicy cząsteczki wykorzystując równanie
przedstawione powyżej. Liczba Fouriera F
o
jest funkcją liczby Biot’a i koncentracji wilgotności w
środku cząsteczki (C
o
) w stosunku do koncentracji wilgoci na jej powierzchni (C
s
) (Ekielski, 2006). Przy
braku różnic w wilgotności C
o
= 0.99C
s
dla różnych temperatur T przedstawiono to na wykresie
poniżej.
Czas przebywania w kondycjonerze (RTD). – W rzeczywistości w zależności od prędkości obrotowej
ślimaków i natężenia podawania materiału do kondycjonera, konfiguracji łopatek mieszających
możliwy jest do uzyskania różny czas jego przebywania. Określenie Czasu przebywania produktu w
kondycjonerze pozwala na odpowiedź na dwa istotne pytania. Pierwsze to jaki czas w kondycjonerze
przeznaczony jest na uwadnianie surowca, drugim jest stopieo wymieszania na który ma wpływ
efektywny czas kontaktu cząsteczek z elementami mieszającymi. Producenci płatków śniadaniowych
zwykle wykorzystują współbieżne kondycjonery dwu wałkowe, które pozwalają na lepsze
wymieszanie i tworzą bardziej homogeniczną nawilżoną strukturę niż w przypadku kondycjonerów z
pojedynczym wałkiem. Podstawowymi parametrami kondycjonerów są: całkowita objętośd, stopieo
napełnienia, i jednostkowa wydajnośd. Stopieo napełnienia jest stosunkiem objętości materiału w
kondycjonerze do objętości całkowitej kondycjonera. Jednostkowa wydajnośd przedstawia stosunek
jednostkowego natężenia przepływu materiału przez ekstruder do jego pojemności całkowitej. W
przypadku produkcji płatków śniadaniowych, stopieo napełnienia kondycjonera wynosi 15 do 35%,
dając jednostkową wydajnośd w zakresie 1.5..4 kg/ k.L.; przeciętny czas przebywania materiału w
kondycjonerze wynosi 2 do 3 minut.
Ekstruzja gotująca.
– problemy termomechanicznego gotowania podczas produkcji płatków
śniadaniowych. Urządzenie ekstruzji gotującej wykorzystując zjawiska termomechaniczne gotuje
mieszanki zbożowe wytwarzając z nich produkty o określonych właściwościach. Proces obejmuje to
ścinanie i termiczną konwersję biopolimeru, we względnie wysokiej temperaturze (140-180
C) i
krótkim czasie przebywania (20-60 s), co prowadzi do zmian wewnątrz materiału porównywalnymi z
tradycyjnym hydrotermicznym gotowaniem. Przez zmianę udziału mechanicznego i termicznego
czynnika w procesie ekstruzji, jest możliwe przetwarzanie zróżnicowanych receptur i produktów, i
powielanie cech produktów gotowych do spożycia. Jednak proces ekstruzji musi zostad poprawnie
przeprowadzony aby uzyskad wymagany zasięg termomechanicznego gotowania. Ekstruder gotujący
jest przede wszystkim opisywany przez stosunek L/D (długośd obudowy do średnicy śruby). W
przypadku bezpośrednio ekspandowanych produktów (DEEC), proporcje L/D zmieniają się pomiędzy
9 i 15; podczas gdy przy procesie płatkowania (PFEC) zakres L/D wynosi 20 do 30. W obu procesach ,
konfiguracja śrub jest ustawiona kolejno na podawanie i sprężanie surowca, w ostatniej sekcji
materiał jest ogrzewany przez tarcie międzycząsteczkowe i przewodnośd cieplną podczas
uplastyczniania, stan skupienia materiału zmienia się od stałego do plastyczny (płyn lepkościowy).
Sekcja sprężająca może kooczyd się krótka sekcją mieszającą kooczącą proces uplastyczniania
biopolimeru. Uplastyczniony materiał jest wprowadzany do sekcji gotującej, w której znajdują się
dopasowane elementy śruby o profilu zapewniającym wysokie ścinanie podczas procesu DEEC (
bardzo mała głębokośd kanału w śrubie jednośrubowego ekstrudera i przeciwny skok śruby w
przypadku ekstrudera dwuślimakowego) lub elementy o małej wartości ścinania w przypadku
technologii PFEC (dyski mieszające w położeniu neutralnym 90
w przypadku dwuśrubowego
ekstrudera). W sekcji gotującej częśd energii mechanicznej jest zamieniania i przetwarzana w ciepło,
podczas gdy reszta jest wykorzystywana do przemieszczania i przekształcania mechanicznego bio-
polimerycznego materiału. Gotowanie w ekstruderze przekąsek zbożowych ma miejsce przy niskiej
wilgotności (poniżej 25-26%) i wysokiej temperaturze (powyżej 130-140
C), wtedy właśnie
wykorzystywane jest ścinanie. W takich warunkach, cząsteczki skrobi przechodzą nie tylko latynizację
ale również uplastycznienie (topienie). Z powodu wysokiego udziału sił ścinających , skrobia jest
przekształcana dużo szybciej niż byłoby to możliwe wyłącznie przez jej ogrzewanie. Przekształcenie
skrobi polega na traceniu przez cząsteczki zwartej struktury i zanikaniu uporządkowanych obszarów,
oraz zmniejszeniu ciężaru cząsteczkowego, oraz tworzeniu amylozowo-lipidowych kompleksów.
Udział energii mechanicznej w procesie gotowania może byd opisane przez wielkośd noszącą nazwę
jednostkowego zużycia energii mechanicznej (SME –specific mechanical energy). SME jest
stosunkiem włożonej do procesu wartości energii mechanicznej netto ( wyrażonej najczęściej w
postaci obciążenia śruby) do całkowitego przepływu masowego surowca Q. SME jest kluczowym
parametrem procesu. Bardzo często używana jest zależnośd warunków przebiegu procesu ( prędkości
śruby, zawartości wilgoci, konfiguracji śruby itd.) i wielkości opisujących przekształcenie produktu
(WAI –water absorbtion index, WSI –water solubility index), gdzie zależnośd ta może byd
optymalizowana. Smith badając zmiany mikrostrukturalne skrobi jako funkcję konfiguracji śruby,
wilgotności i temperatury obudowy ekstrudera, określił zakres zmian SME od 180 do 750 kJ/kg ( dla
grysu kukurydzianego). Wyniki badao Smith’a (2006) i Ekielski (2007) przedstawiają, ogólną zależnośd
pomiędzy WAI i WSI przedstawioną na rysunku poniżej.
Rzeczywiście ilośd spęczniałej skrobi wzrasta wraz ze wzrostem SME, ale cząsteczki skrobi pozostają
nie zniszczone kiedy SME pozostaje poniżej 350-400 kJ/kg. Jednak, WAI wzrasta wraz ze wzrostem
wartości SME od 180 do 350-400 kJ/kg, z powodu wzrastającego udziału z żelifikowanej skrobi,
rozpuszczalnośd skrobi rośnie wraz ze wzrostem SME, wynika to z degradacji mikrocząsteczek skrobi.
Zależnośd WAI –WSI osiąga wartości maksymalne w przejściowym przedziale (350-400
kJ/kg<SME<500-550 kJ/kg), kiedy zniszczone i niezniszczone cząstki skrobi znajdują się równocześnie
w plastycznym materiale. Jeżeli wartośd SME wzrośnie od 500-550 kJ/kg do 750 kJ/kg, cząsteczki
skrobi zostają całkowicie zniszczone, wartośd WAI spada i WSI wzrasta. Pomimo tego, że zależnośd ta
jest uogólniona dla materiałów skrobiowych, wartości bezwzględne WAI, WSI i SME mogą ulegad
zmianom, podczas przetwarzania różnych produktów skrobiowych. Obszar przebiegu procesu DEEC i
PFEC został umieszczony na rysunku 7.4: proces PFEC ma tendencję do lokowania się po lewej stronie
ekstremum WAI (SME<400 kJ/kg); podczas gdy dla procesu DEEC zachodzi przy maksymalnej wartości
WAI i dalej (SME>400 kJ/kg). W każdym obszarze zmiana warunków przebiegu ekstruzji ( prędkości
obrotowej śruby, rodzaju śruby, wilgotności i temperatury obudowy) może zmieniad intensywnośd
termomechanicznego gotowania (SME) i dalej fizyko-chemiczne właściwości skrobi (WAI, WSI).Do
analizy termomechanicznego gotowania można zastosowad metodę RVA (szybkiej analizy
lepkościowej). Rysunek 7.5 przedstawia przebieg zmian RVA ekstrudatu kukurydzianego
wytworzonego w procesie DEEC przeprowadzonym w współbieżnym dwuśrubowym ekstruderze
Clextral, o parametrach L/D=16; średnicy obudowy 25 mm. W układzie śrubowym sekcji gotującej
znajdują się dwa elementy o przeciwnym zwoju śruby (długośd 25 mm), pierwszy profil śruby z 4
półksięzycami, współpracujący z elementem o odwrotnym zwoju (o średnicy 24.75 mm), i drugi profil
śruby z swobodnym przepływem współpracujący z elementem o odwrotnym zwoju (średnica: 23.6
mm) element ten został tak zaprojektowany by stworzył dokładnie taki sam przekrój podczas
przepływu plastycznej masy. Na wykresie przedstawiono wyniki (Ekielski, Biller , 2009) uzyskane dla
dwóch wilgotności materiału( 14 i 17%) i prędkości śrub (250 i 400 obr/min).
Na wykresie widoczne są dwa ekstrema lepkościowe, rosnąca lepkośd w czasie gdy materiał jest
jeszcze chłodny (0-6 min) , z zanikaniem piku surowego materiału ok. 10.5 minuty i pogorszenie
spadku lepkości przy 25 minucie. Zanikające ekstremum dla surowego materiału oznacza, że skrobia
zawarta w ekstrudacie została całkowicie że latynizowana, podczas gdy spadek zahamowania lepkości
ekstrudatu jest związany z degradacją skrobi. Jak przedstawiono na rysunku 7.6 ekstremum lepkości
dla surowego materiału jest dobrze skorelowane z wartościami SME: jest odwrotnie proporcjonalne
do SME i pochylenie liniowej zależności zależy znacząco od prędkości obrotowej śruby ekstrudera;
jest to pozorna niezależnośd od wilgotności i konstrukcji elementów mieszających ( reverse screw
elements).
Trzeba powiedzied, że utworzenie prostych korelacji pomiędzy warunkami przebiegu procesu i
cechami produktu, w tym składnikami oceny sensorycznej jest szczególnie trudne z powodu nie
dostatecznie związku pomiędzy zachodzącym procesem i parametrami produktu. W związku z tym
konieczne jest prowadzenie dalszych badao w celu uzupełnienia instrumentalnych metod i metodyki
prowadzenia procesu produkcji zbożowych przekąsek śniadaniowych.
Rola teksturo twórcza matrycy w przypadku bezpośrednio ekspandowanych produktów
skrobiowych.
W procesie DEEC, częśd gotująca ekstrudera umożliwia stopienie skrobi do stanu pozwalającego na
jej formowanie w czasie przechodzenia przez matrycę. W rzeczywistości w czasie przepływu
substancji półplastycznej przez matrycę, ciśnienie i temperatura wynoszą odpowiednio 60-160 bar i
150-180
C. W takich warunkach, przy poprawnie wymieszanym surowcu woda znajduje się wyłącznie
w stanie ciekłym. Kiedy materiał opuszcza matrycę, gotowana substancja plastyczna nagle zmienia
środowisko wychodząc z wysokiego ciśnienia i temperatury. Ciśnienie gwałtownie spada powodując
błyskawiczne odparowanie zawartej w materiale wilgoci i powodując powstanie ciśnienia związanego
z parami wody, które krystalizuje się w do formy pęcherzy powietrznych wewnątrz plastycznej masy,
przyczyniając się do puchnięcia stopionego materiału. Po ekspansji i dalszym schłodzeniu, otrzymany
produkt ma komórkową budowę mechaniczne właściwości które powodują specyficzną teksturę
produktów ekstrudowanych. W czasie procesu , układ śruba- obudowa gotują mieszankę skrobi, i
konstrukcja matrycy pozwala na wykorzystanie reologicznych właściwości stopionej skrobi,
pozwalając na uzyskanie określonego kształtu i tekstury dzięki ekspansji po wyjściu z matrycy i
obcinarce. Stąd zjawisko ekspansji jest kluczowe , jako, że wynika z historii procesu ekstruzji i
powoduje nadanie określonych cech produktowi. Martinez zauważył ,że w koocowym etapie
opuszczania matrycy, plastyczna masa ekspanduje w dwóch uprzywilejowanych kierunkach:
równolegle do przepływu materiału, co jest wyrażone za pomocą wskaźnika ekspansji wzdłużnej
(Longitudial Expansion Index- LEI) i w kierunku prostopadłym do przepływu materiału wyrażonym
przez Przekrojowy Wskaźnik Ekspansji (SIĘ- Sectional Expansion Index). Wskaźnik LEI jest określany
jako stosunek prędkośd opuszczania przez ekstrudat dyszy matrycy do prędkości wewnątrz samej
dyszy, SEI jest określane jako proporcja pomiędzy polem powierzchni przekroju ekstrudatu a polem
powierzchni przekroju kanału w matrycy. Objętościowy wskaźnik ekspansji (VEI –Volumetric
Expansion Index) jest tworzony jako iloczyn SEI i LEI (VEI=SEI * VEI); VEI jest oczywiście odwrotnie
proporcjonalny do gęstości ekstrudatu lub gęstości usypowej ekstrudatu. Wartości LEI i SEI
szczególnie zależą od wartości termomechanicznego gotowania i budowy wkładki w matrycy. Na
rysunku powyżej przedstawiono tendencje zmian parametrów ekspansji. Wykres wykonano przy
stałej konstrukcji matrycy , ale zmiennych wartościach SME, podniesienie prędkości obrotowej
ślimaka z 200 do 450 obr/min powodu znaczny wzrost wartości SEI i LEI, podobne wyniki są
uzyskiwane przy zmniejszeniu wilgotności z 20 do 14%, ale przy niższym pochyleniu w porównaniu do
wpływu zmian prędkości obrotowej śruby. Konfiguracja śrub oraz projekt elementów ścinających
śruby w sekcji gotującej ma znaczny wpływ na LEI i SEI. Ogólnie wysokie ścinanie w sekcji gotującej
prowadzi do wysokich wartości LEI i SEI; i odwrotnie. Chociaż tego typu zmiany są obserwowane dla
wszystkich skrobi, jednak na modele ekspansji wpływa ilościowy udział typu zboża i skrobi. Dla
przykładu, pszenne ekstrudaty w tych samych warunkach przebiegu procesu wykazują niższe
wartości LEI i SEI niż kukurydziane. Przy stałych wartościach SME (stały przebieg procesu
termomechanicznego gotowania), ale przy zmiennej wartości teksturyzacji matrycy (np. zmiana
średnicy matrycy lub natężenia przepływu), wykazano, że zarówno LEI i SIĘ wzrasta jeżeli wzrasta
natężenie przepływu materiału przez wkładkę (Q
d
); ale LEI spada i SEI znacząco wzrasta jeżeli
przekrój wkładki matrycy (D
d
lub odpowiednik) ulega zmniejszeniu. Zjawisko ekspansji jest
anizotropowe i w całym zakresie badao krzywa ekspansji pozostaje poniżej krzywej izotopowej,
jednak wskaźnik SEI jest dużo bardziej zbliżony niż LEI . Tak jak poprzednio stwierdzono mechanizm
ekspansji nie został jeszcze dostatecznie dobrze poznany jednak można przypuszczad, że anizotropia
ekspansji może byd spowodowana elastycznością procesu topienia skrobi. Stopieo ekspansji jest
bardziej izotopowy jeżeli SME wzrasta i szybkośd ścinania w koocówce wkładki matrycy spada.
Anizotropia ekspandowania w matrycy jest przyczyną anizotropicznej struktury otrzymywanego
ekstrudatu, która to cecha ma wpływ na mechaniczne właściwości i sensoryczne cechy bezpośrednio
ekspandowanych produktów śniadaniowych. Faktycznie wysoka wartośd SEI lub odwrotnie niskie
wartości LEI , powodują powstanie relatywnie dużych por w ekstrudacie., oraz wysokiej twardości
sensorycznej i kruchości ekstrudatów. Prowadząc odpowiednio proces można osiągnąd różną
strukturę porowatości ekstrudatu (zróżnicowanie wartości LEI i SEI), przy stałej wartości gęstości
(VEI). Wykres krzywej ekspansji jest użytecznym narzędziem pozwalającym zmieniad strukturę
komórki i cechy produktu przez zmianę parametrów LEI i SEI.
