CEREALES EXTRUIDOS

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL

NUEVAS TECNOLOGIAS EN LA ELABORACION DE CEREALES EXTRUIDOS

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

Nuevas tecnologías en la elaboración de cereales extruidos

Procesos agroindustriales ii PROFESORa: ING. VANESSA GARCÍA DIAZ

2012

PROCESOS AGROINDUSTRIALES II

ALUMNOS:  

ALVARADO ESCOBAR ISABEL RODRIGUEZ CURO TITO Página 1

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NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA ELABORACIÓN DE CEREALES EXTRUIDOS 1. GENERALIDADES: DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS El proceso de extrusión de alimentos es una forma de cocción rápida, continua y homogénea. Mediante este proceso mecánico de inducción de energía térmica y mecánica, se aplica al alimento procesado alta presión y temperatura (en el intervalo de 100-180ºC), durante un breve espacio de tiempo. Como resultado, se producen una serie de cambios en la forma, estructura y composición del producto. Debido a la intensa ruptura y mezclado estructural que provoca este proceso, se facilitan reacciones que, de otro modo, estarían limitadas por las características difusionales de los productos y reactivos implicados. Este tipo de técnicas, se emplea generalmente para el procesado de cereales y proteínas destinados a la alimentación humana y animal. Asimismo, se trata de un proceso que opera de forma continua, de gran versatilidad y alto rendimiento productivo. La tecnología de extrusión abre nuevas posibilidades para el procesado de matrices alimentarias con dos vías de actividad: 

Desarrollo de alimentos mediante tecnología de extrusión. La extrusión puede modificar distintos materiales alimenticios para producir una diversidad de nuevos productos en distintos sectores (alimentación animal, acuicultura, snack y aperitivos, cereales para desayuno, productos para confitería, alimentación infantil, análogos de carne, etc.). Asimismo, se trata de una actividad compatible con otras aplicaciones de mejora de los productos existentes (sensoriales, nutricionales, ingredientes funcionales, estabilidad, etc.), o con actividades de valoración de la aptitud de nuevos ingredientes, al procesado mediante extrusión.

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Mejora de las propiedades funcionales de matrices vegetales mediante extrusión. Los recientes avances en tecnologías de procesado están permitiendo el desarrollo de nuevos ingredientes que favorecen las cualidades de distintos alimentos, al mejorar sus propiedades emulsificantes, la capacidad de retención de agua, modificación de textura y aroma, etc. En este sentido, el procesado mediante extrusión permite por ejemplo, la texturización de proteínas para el desarrollo de extensores y sustitutivos cárnicos.

La aplicación del procesado mediante extrusión afecta directamente a la estructura y composición de las fracciones proteica y grasa de los productos elaborados. En este sentido, se producen cambios estructurales en las proteínas (desnaturalización, formación de enlaces disulfuro no covalentes, etc.), que provocan cambios en sus propiedades funcionales (solubilidad, emulsificación, gelificación y texturización).

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Por tanto, la tecnología se puede aplicar para:   

mejorar o modificar parte de estas propiedades funcionales. inducir la formación de complejos lípidos-carbohidratos, que mejoran la textura y sus características sensoriales. desnaturalizar e inactivar factores antinutricionales mejorando su aptitud posterior para el desarrollo de nuevos productos, como en el caso de matrices vegetales de alto valor nutritivo pero con altas concentraciones de estos factores.

2. MATERIAS PRIMAS, ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Las materias primas más usadas en los procesos de extrusión son los cereales (maíz, trigo, arroz y avena). El uso de otros cereales tales como sorgo, cebada, etc., es menos frecuente por el momento. Se la estructura principal del producto está formada por proteínas, como las proteínas vegetales texturizadas (PVT), las materias primas usadas en el proceso se escogen entre las siguientes: soja, girasol o proteínas separadas de cereales como es el caso del gluten de trigo. Los biopolímeros naturales desempeñan un papel muy importante en la formación de la estructura de los productos extruidos. Normalmente proporcionan una mezcla fluida de polímeros a altas temperaturas. Esta mezcla forma una fase continua a la cual se unen todas las demás partículas de las fases dispersas y ayuda a retener los gases liberados durante el proceso de expansión. La cantidad de polímeros encontrados en la fase continua determina la extensibilidad de la burbuja de la pared celular. Sin embargo, los requerimientos precisos para la expansión varían en un amplio rango dependiendo de la naturaleza del producto extruido. Para intentar hacer una descripción lógica de las materias primas usadas en el proceso de extrusión, es necesario fijar un sistema de clasificación, el cual distribuya dichas materias de acuerdo a su misión funcional como ingrediente individual. No obstante, de debe recordar que todas las materias que intervienen en el proceso de formación del producto extruido, tienden a modificar dicho proceso y pueden afectar significativamente a la estructura del producto final. Esto se explica mediante la dilución de otros ingredientes que reduzcan su concentración activa, cambiando la viscosidad de la mezcla. Algunas de estas materias primas tienen más de una función. Como ejemplo se puede tomar el azúcar, que puede actuar como disolvente de la mezcla, como plastifcador de una solución y tambien puede tomar parte de las reacciones de formación de colores y flavores.

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Cada una de las fórmulas para fabricar productos extruidos se basan en la funcionalidad de los ingredientes: 

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Grupo 1: Compuesto por cereales, derivados de la papa, harinas y proteinas PVT. Estas sustancias se pueden designar como los componenetes de la estructura de formación del producto. Grupo 2: Compuesto por proteínas y materias fibrosas, las cuales forman las fases dispersas dentro de la estructura principal. Grupo 3: Contiene plastificantes y lubricantes tales como agua, aceite o emulsionantes. Grupo 4: Compuesto por Pequeñas moleculas que contribuyen al aroma del producto final tales como azúcar, sal y otros aditivos. Grupo 5: Compuesto por diversos ingredientes que actúan como agentes de formación del clor del producto dentro del extrusor. Son la leche en polvo, proteínas y azúcares reductores.

En resumen, la clasificación general de los ingredientes de los diferentes grupos según sus propiedades funcionales puede proporcionar un buen conocimiento de los ingredientes usados en el proceso de extrusión. Sim embargo, ningún sistema de clasificación se puede considerar perfecto ya que dichos ingredientes suelen tener más de un efecto funcional, aunque en la mayoría de los casos uno de ellos se considera dominante. Clasificación de la Materias Primas según su misión funcional como ingrediente individual.

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2.1.- Materias primas que constituyen la estructura de formación del producto extruido. 2.1.1.- Materias primas ricas en almidón: 2.1.1.1.- Cereales  Trigo: La familia del trigo se usa generalmente en forma de harina fina para la fabricación de productos extruidos. El trigo tiene muchas variedades que varían en función de la textura del endospermo, según sea blando o duro. Los gránulos de almidón dentro de la familia del trigo se clasifican en dos categorías: granos largos tipo A (20 - 40 micras) y granos cortos tipo B (1 – 10 micras). Debido a que presentan una distribución binomial, la composición completa de los gránulos de almidón en trigos no varía ampliamente. En particular, la composición de los polímeros más significativos, amilosa y aminopectina, no presenta un rango de variación demasiado amplio. Dentro de los cerelales, el trigo es el que tiene una concentración relativa más alta en proteínas (8 – 15%). Sin embargo, esta concentración puede ser modificada durante la operación de molienda por técnicas de separación. Las proteinas son principalmente gluteinas y gliadinas insolubles en agua, con una proporción pequeña de albúminas y globulinas. El gluten, que se forma cuando el cereal sufre un proceso de desnaturalización por alta temperatura, puede sufrir, reacciones químicas con otros componentes como azúcares reductores. Estac reacciones darán lugar a una pérdida de aminoácidos esenciales.  Maíz: El maiz tiene muchas variedades que se pueden distinguir según la morfología del grano y el color. Hay varios colores diferentes según el tipo de variedad, blanco, amarillo o rojo, según las distintas preferencias en las diferentes áreas geográficas. Una caracteristica importante del grano de maiz es que presenta dos tipos de endospermo en cada grano. En la capa exterior del endospermo, que es dura y vítrea, el almidon y las fracciones de proteinas entán empaquetadas densamente, con una unión fuerte entre ambas fases. Este empaquetamiento fuerte permite la formación de gránulos de almidón de forma poligonal. En la región central del grano, el endospermo cambia y se vuelve más blando. Este endospermo contiene dos fases de almidon y proteinas mal consolidadas, con aire entre

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sus cavidades. Aquí, los granulos de almidón son de forma globular y con superficies suaves. Dicho endospermo se rompe facilmente y se convierte en una harina fina. Las variedades de maíz disponible para la industria poseen diferentes cantidades de los dos tipos de endospermo mencionados. Los gránulos de almidón de ambos tipos tienen generalmente un tamaño entre 5 – 20 µm, conteniendo una mezcla de formas poligonales y globulares. Su composición de amilosa y amilopectina varía en un rango muy amplio, dependiendo del tipo de maíz. El contenido de proteínas del maíz oscila entre el 6 y 10%, predominando fundamentalmente las gluteninas y las gliadinas.  Arroz: El arroz tiene muchas variedades que se distinguen por la morfología del gran y la textura del endospermo. En términos generales, la mayoría de los granos tienen un endospermo de textura dura. Esta región muestra una fuerte unión entre la superficie del almidón y las proteinas. Hay una pequeña zona donde se producen entradas de aire. El granulo de almidón es de tamaño muy pequeño de 2 a 8 µm y tiene forma poligonal. Tienden a presentarse en pequeños grupos de unos 5 a 8 granulos unidos. La composición de gránulo de almidón, al igual que en el maiz, varía ampliamente. Algunas variedades pueden llegar a tener hasta un 100% de amilopectina. El nivel de proteinas es relativamente bajo (6 – 8%), predominando las gluteinas y las gliadinas.  Avena Tiene menor representatividad que el resto de los cereales existiendo sim embargo un cierto numero de variaciones disponibles. Se diferencian por la morfología del grano y la composición del endospermo. La molturación de la avena se lleva a cabo mediante un proceso especial que implica la vaporización del grano para inactivar determinadas enzimas como las lipasas, que se encuentran en las capas exteriores del grano, y un secado posterior para reducir la humedad hasta un 6 – 8%. La textura del endospermo es similar a la del trigo blando por lo que se rompe facilmente liberando el almidón. El nivel de aceite en la avena es excepcionalmente alto (7 – 9%) comparado con el 1 – “% que poseen el resto de cereales. Este aceite, compuesto principalmente por ácido oleico y ácido linoleico, aporta una calidad nutricional buena para determinados productos pero presenta también problemas de oxidación (rancidez). En el proceso de extrusión, supone un problema ya que el aceite actúa como lubricante y a niveles del 7 al 9% ocasiona efectos importantes en procesos en los que se opera a

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baja humedad. La avena también posee altos niveles de antioxidantes naturales, ácidos fenólicos que protegen al aceite de las reacciones de oxidación, etc. Presenta tambien altos valores de fibra, constituida por una mezcla de glucanos procedentes del interior del endospermo y de constituyentes insolubles del grano.  Otros cereales: Cereales como cebada, sorgo, etc., se están introduciendo poco a poco en el campo de los productos extruidos. En términos generales tendrán un comportamiento similar al resto de cereales con sus caracteristicas peculiares de textura del endospermo, composición y tamaño. 2.1.2.- Composicion La composición típica de un cereal sería la indicada a continuación: una gran proporción de almidón, una moderada cantidad de lípidos. La presencia de componentes menores significa que el contenido de almidón del cereal está sujeto a diluciones y puede variar según los niveles de otros materiales que se puedan encontrar en las harinas después del procesado. Las harinas procedentes del trigo, maíz, y arroz poseen pequeñas cantidades de lipidos y fibra. El nivvel de lipidos es mas importante que el de fibra debido al efecto que pueden ejercer los lípidos en ciertas fases del proceso de extrusión. La harina de avena contiene mucha más fivra y aceite que la de los otros cereales y ademas hay mayores diferencias entre sus caracteristicas y las del maíz y el trigo. Altos niveles de grasa (7–9%) son caracteristicos y únicos en la avena y representan una enorme cantidad de lubricantes en la formulación. Composición de las harinas de cereales (% en peso)

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2.2.- Materias Primas Ricas En Proteinas La mayoría de las proteínas usadas en alimentos extruidos son procedentes de la harina de soja o de la harina procedente de trigo. Otros ingredientes que se deben usar en la formación de la textura de las proteínas son los caseinatos. El más importante en la industria a diseñar es el gluten de trigo. El extracto rico en proteína de trigo se obtiene mediante un proceso de lavado y secado, presentando un 6570% de proteínas. Las proteína se componen fundamentalmente del tipo de las prolamidas con largas cadenas de naturaleza hidrofóbica. Estas proteínas se pueden desnaturalizar a altas temperaturas. El gluten de trigo varía en su forma según el tipo de trigo y el tratamiento térmico usado durante la fase de secado. Este gluten contiene una proporción de almidón bastante elevada (10-20%), un contenido de lípidos menor del 1% y un contenido de cenizas menor del 0.6%. 2.3.- Materias Primas Que Actúan Como Rellleno En El Proceso De Extrusión Si los alimentos extruidos se examinan minuciosamente al microscopio se puede observar que poseen una fase continua de almidón y un número de sustancias que actúan como agentes de relleno.  Proteínas: Son la mayoria de las proteínas de los cereales y otras proteínas en agua. También se incluyen aquí otras proteínas de plantas que están presentes en la formulación del producto. Cuando estas particulas son sometidas a las fuerzas de cizalladura en el extrusor, se convierten en partículas muy pequeñas de formas globulares. Si se añaden en concentraciones bajas del 5 al 15% tienden a reducir el grosor de los polímeros de almidón dando lugar a formas más isontrópicas de los productos extruidos. También reducen la extensabilidad de la espuma de los polímeros de almidón durante el proceso de expansión a la salida del extrusor, reduciendo la expansión del producto extruido.  Almidón: Los almidones que no se mezclan facilmente o se dispersan en la estructura principal se pueden añadir a la fórmula del producto. Estos actuarán como agentes de relleno causando efectos similares a los descritos para las proteínas. Su adición ayuda a la creación de una textura más fina.

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 Materiales fibrosos: Estos materiales, procedentes de la superficie exterior del grano de los cereales, se presentan en forma de partículas largas y rígidas que están hechas de fuertes células de celulosa. Tienen un efecto significativo en la forma, expansión y textura del producto extruido a consentraciones superiores al 3%. 3. MAQUINARIAS Y EQUIPOS

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secadero de laboratorio. extrusor de doble husillo corrotativo, con un diámetro de husillos de 25 mm, longitud de carcasa 500 mm, apertura hidráulica y velocidad máxima de husillo de 680 rpm. El equipo permite trabajar a presiones de hasta 200 bar en continuo, temperaturas de hasta 300ºC, dependiendo de la matriz procesada y con producciones de 5 hasta 50 kg/h. secadero de laboratorio SECA41. Sistema automatizado controlado por PC, que permite registro automático de cinéticas de secado. secadero piloto con 5 bandejas de secado y una capacidad de carga de 25 kg aproximadamente y recirculación, control automático del secado por PC y regulación de las variables de secado mediante programa. molinos de tipo rotativo de distintas escalas, para operaciones de reducción del tamaño de partícula y preparación de materias primas y formulaciones. Incorporan diversos tamices con distintos pasos de luz. infraestructura para la caracterización reológica (viscosimetro, CDB, reómetros, etc.), sensorial (textura, dureza, densidad, etc.) y química de los productos procesados.

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4. PROCESOS DE EXTRUSIÓN: DESCRIPCIÓN DE LAS OPERACIONES, MODO DE OPERACIÓN DE LOS EXTRUSORES, VARIABLES Y PUNTOS CRÍTICOS. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de cereales de desayuno.

4.1.- Recepción: La recepción de la materia prima se realiza en patios de descarga, los que deben de contar con una báscula para camiones. Durante la descarga de los productos que vienen a granel se colocarán mallas para evitar el paso de impurezas. El material que viene en costales se estibará en plataformas de madera y por medio de montacargas se trasladarán al almacén de materias primas.

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4.2.- Almacenamiento: La zona de almacenamiento deberá estar debidamente cubierta para evitar la humedad excesiva en las materias primas. Este tipo de materia prima no puede ser considerado perecedero a corto plazo, lo cual permitira un almacenamiento que en casos límites alcanzaría inlcuso la capacidad anual de fabricación. 4.3.- Limpieza: Antes que la harina se introduzca en la mezcladora, pasará a través de un imán tubular que realizará la limpieza de la misma. Este pequeño equipo, que puede ir adosado a la propia mezcladora, tiene como función separar las posibles impurezas que lleve la harina (particulas de hierro, etc), asegurando su limpieza previa a la operación de mezclado. 4.4.- Mezclado: La homogeneidad de la mezcla juega un papel muy importante en la calidad del producto final. Una buena mezcla se obtendra naturalmente, si se utiliza una mezcladora idónea; sin embargo, aunque la operación de mezclado se realice adecuadamente, si la homogeneidad de las particulas a mezclar es irregular, dificilmente se va a conseguir una mezcla homogenea. En esta operación, se añadirá el azúcar, aromatizantes y demás ingredientes que compongan la formulación del tipo de cereal que se va a fabricar. Todo ello se mezclará adecuadamente formando una mezcla homogenea para que no se produzcan problemas a su paso por el extrusor. La mezcladora que se empleará en la industria a proyectar será del tipo horizontal a contracorriente. 4.5.- Cocción – Extrusión: Esta es la operación clave en la elaboración de los cereales de desayuno. Se compone de seis fases fundamentales: tres realizadas en el extrusor-cocedor (dosificación, amasado y formación) y tres en el extrusor-formador (estabilización, enfriamiento y moldeado). Mientras se produce el avance de la masa que proviene de la mezcladora a través de los tornillos, la masa sufre un proceso de “cocinado”, adquiriendo una textura caracteristica provocada por el rozamiento entre la masa y el tornillo y por la presión ejercida. Se elegirá un extrusor de doble tornillo, en el que se combinan un extrusor cocedor con un extrusor formador, con los dos husillos girando en sentido contrario. A la salida del molde, el contenido en humedad del producto disminuye rápidamente, provocando el inflado y la expansión del mismo.

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Todo el proceso de extrusión desde que el producto entra en el extrusor, hsta que sale por las boquillas, tiene una duración inferior a 30 segundos. 4.6.- Secado: Tras la operación de extrusión, el producto deberá secarse para evitar el exceso de humedad en el interior del envase. La humedad contenida en el producto extrusionado varía en función del tipo del extrusor empleado, del producto elaborado y de las materias primas utilizadas. A la hora de dimensionar un secadero será necesario tener en cuenta la humedad de netrada del producto al secadero, que será la de salida del extrusor y que suele oscilar entre el 8 y el 25%, así como la humedad final requerida que podrá ser del orden del 2 al 8%. No se debe olvidar que los productos extrusionados sufren un cierto periodo de almacenamiento en supermercados, tiendas, etc. Esta es la razón de la exigencia de un bajo contenido de humedad final, ya que si el producto no está correctamente envasado, es decir hermético, tenderá a humedecerse hasta alcanzar la curva de equilibrio de sus componentes, valores a los que, naturalmente nunca llega, pero sí varía el contenido de humedad respecto al que tenía cuando se fabricó. Para el secado-enfriado de estos productos se suelen emplear secadores de cintas. 4.7.- Envasado y paletización: En la última fase del proceso, el producto será transportado hasta la envasadora. Este equipo es un sistema integrado llamado “bag-in-box”, es decir, primero se introduce el producto final en bolsas y luego se introduce directamente en cajas, que han sido formadas previamente. Las cajas son etiquetadas y en la etiqueta ha de figurar la marca, nombre y número de registro del fabricante, peso neto, peso bruto y día de producción. Estas cajas son paletizadas automáticamente en palets de 80 – 120cm. En almacén, se colocará en módulos de 3 palets y formando hileras de permitan el paso de carretillas. 5. EJEMPLOS DE PRODUCTOS EXTRUIDOS 6. CONTROL DE CALIDAD DE LOS PRODUCTOS EXTRUIDOS

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