EXTRUDAREA PRODUSELOR ALIMENTARE

TAIA_curs_2015

EXTRUDAREA TERMOPLASTICĂ. EXTRUDAREA PRODUSELOR ALIMENTARE. FABRICAREA CEREALELOR INSTANT Extrudarea termoplastică este o operaţie complexă care se aplică unui amestec de materii prime alimentare, hidratate sau nu, sub formă pulverulentă, păstoasă sau lichidă, care odată încălzite sunt obligate să treacă prin una sau mai multe filiere, fiind rezultatul unor efecte conjugate de forfecare, temperatură şi presiune care se exercită asupra materiilor prime. Temperatura şi forţele aplicate în cursul tratamentului conferă produsului final anumite caracteristici particulare, cum sunt cele legate de textură, gust, culoare sau alte proprietăţi funcţionale. În timpul extrudării termoplastice intervin, în principal, următoarele operaţii unitare: - amestecarea, operaţie care are scopul omogenizării materialului, astfel încât concentraţia fiecărui component să fie uniform repartizată în amestec; - încălzirea, aportul de energie termică având rolul modificării anumitor legături moleculare ale produsului tratat; - extrudarea, care constă din aplicarea unei presiuni asupra produsului pentru al face să treacă printr-o filieră cu unul sau mai multe orificii. În extruderea termoplastică materiile prime sunt supuse tratamentului mecanic şi termic pentru un timp scurt. Tratamentul termic constă din încălzirea cu transformare biochimică, răcire sau ambele. Temperaturile de lucru în extrudarea termoplastică sunt de până la 220oC, iar durata tratamentului este de câteva zeci de secunde, corespunzător unui tratament la temperatură înaltă şi durată scurtă (HTST), prezentat la procedeele de sterilizare. Extrudarea produselor alimentare poate fi de mai multe tipuri: - extrudarea simplă - nu presupune încălzire (sau temperaturi sub 70oC), ci corespunde unei puneri în formă a produsului extrudat, care conservă forma filierei, procedeu utilizat pentru fabricarea unor paste alimentare pentru prăjituri şi anumiţi biscuiţi; - extrudarea termoplastică cu expandare - se caracterizează prin expandarea produsului la ieşirea din filieră; - coextrudarea - este o variantă a extrudării termoplastice în care se obţine un produs compozit asociind două sau mai multe texturi; - coexpandarea - este o altă variantă a extrudării termoplastice, în care două produse de origini diferite sunt tratate în două extrudere distincte, dar expandează printr-o filieră unică. Produsele alimentare obţinute prin extrudare termoplastică sunt foarte variate: cereale pentru micul dejun, pufuleţi, făinuri instant, băuturi instant, paste alimentare, proteine vegetale sau animale texturate, cazeină – cazeinaţi, brânzeturi topite, produse pentru animalele de companie, etc.

1

TAIA_curs_2015

Extruderul Utilajul principal în care are loc extrudarea termoplastică este extruderul. Preluat în industria alimentară din industria prelucrării polimerilor şi din domeniile de obţinere a pastelor, extruderul poate fi considerat un reactor biochimic complex care operează la temperaturi înalte, având un timp de staţionare mic, o presiune de operare mare şi în care asupra produsului se exercită eforturi de forfecare mari. Utilajul de extrudare (fig.2) este, în general, un utilaj complex compus din: malaxor, extruderul propriu-zis, corpul melcului şi melcul (melcii) de lucru.  malaxorul realizează omogenizarea amestecului care este supus apoi extrudării termoplastice şi precondiţionării prin tratare cu abur la presiune atmosferică şi temperatură constantă;  extruderul propriu-zis este format din corp, melc (melci), filieră (cap de extrudare), cuţit de decupare şi moto-reductor;  corpul melcului are diferite forme şi poate fi prevăzut cu manta care permite încălzirea cu abur sau răcirea cu apă; în pereţii corpului, la interior, sunt practicate canale longitudinale sau elicoidale, pentru a mări coeficientul de frecare între material şi corpul extruderului şi pentru a intensifica amestecarea;  melcul (melcii) de lucru sunt de mai multe tipuri şi prezintă trei secţiuni: secţiunea de alimentare, secţiunea de fluidizare şi cea de presiune.

Fig.1. Schema de principiu a unei instalaţii de extrudare

Fig.1 Diagrama procesului de extrudare care arată legătura între debitul de alimentare, presiune și fluxul de căldură 2

TAIA_curs_2015

Fig.3. Scheme extruder

Fig.3. Schema unei instalații de extrudare cu 2 melci

Secţiunea de alimentare are rolul de a prelua materialul şi de a-l transporta. Această zonă lucrează la presiune atmosferică şi asigură omogenizarea amestecului şi eliminarea aerului din material. Pe această porţiune a utilajului, sistemul de încălzire nu funcţionează şi materialele nu suferă transformări, nici granulometrice şi nici la nivel molecular. Secţiunea de plastifiere (fluidizare) lucrează la presiune joasă şi medie, aici având loc creşterea temperaturii şi plastifierea materialului. Tot în această secţiune au loc şi cele mai importante transformări fizico-chimice ale materiilor prime supuse extrudării, precum: gelatinizarea amidonului, coagularea proteinelor şi altele. Zona de pompare este cea de presiune şi temperatură maxime, în care materialul sub formă de topitură este împins în continuare spre capul de extrudare. În această zonă materialul se comportă ca un fluid non-newtonian, fiind supus unui proces de curgere asemănător celui dintr-o pompă cu melc. Comparativ cu extruderele simple cu un singur melc, extruderele cu melc dublu au o capacitate mai bună de amestecare şi de transport a materialului. Aparatele cu melc dublu pot fi alimentate cu materii prime cu o granulometrie mult mai mare şi cu vâscozităţi de la valori foarte mici la valori foarte mari, fără să deranjeze prezenţa materiilor grase sau a zahărului. În plus, dacă extruderele cu un melc nu pot prelucra 3

TAIA_curs_2015

decât materii prime cu umiditate cuprinsă între 10-30%, cele cu melc dublu pot utiliza materii prime cu umiditate între 10-95%. Cei doi melci se pot roti în sensuri contrare sau în acelaşi sens şi, în funcţie de montajul cuptorului, melcii pot fi separaţi unii de alţii, tangenţiali sau întrepătrunşi total sau parţial (fig.4).

Fig.4. Sensurile de rotaţie a melcilor într-un extruder cu doi melci

Cele mai multe aplicaţii ale extrudării în industria alimentară se referă la prelucrarea unor materii prime cu conţinut mare de amidon: cereale (30-80% substanţă uscată – s.u.), leguminoase (25-50% s.u.) şi tuberculi (60-90 % s.u.). De aceea, operaţia de extrudare termoplastică se aplică în industria de morărit şi panificaţie pentru obţinerea produselor instant, a cerealelor pentru micul dejun, a unor produse de panificaţie de formă plată (flakes), produse de tip snack-uri, pufuleţi, saleuri şi altele. Extrudarea termoplastică se aplică şi pentru obţinerea texturatelor pe bază de proteine vegetale şi animale. Pentru aceasta se folosesc făinuri proteice care conţin 60% proteine. Proteinele texturate din surse vegetale (PVT) se obţin folosind ca materii prime turte de soia sau de floarea soarelui din care s-a extras deja uleiul. În industria zahărului extrudarea se foloseşte pentru: decristalizarea zahărului, dezinfectarea măcinăturii de cacao şi pentru realizarea operaţiei de conşare la prepararea ciocolatei. În industria laptelui se utilizează extrudarea pentru obţinerea cazeinaţilor din cazeină. Se pot obţine astfel cazeinaţi de diverse granulometrii şi vâscozităţi diferite. În mod obişnuit, durata reacţiei în extruder este de 20 s la 65 oC. Extrudarea are şi efect bactericid, cazeinatul evacuat din extruder fiind aproape steril. În industria berii procedeul de extrudare este folosit la obţinerea malţului brun, realizându-se o economie de energie de 15-25%. Evaluarea proprietăţilor reologice reprezintă o posibilitate de a înţelege efectul pe care operaţia de extrudare termoplastică o are asupra materiilor prime şi asupra texturii produsului finit.

4

TAIA_curs_2015

FABRICAREA CEREALELOR INSTANT Produsele din făină de cereale sunt segmentul cel mai mare şi tradiţional pe piaţa de cereale, alcătuind circa 18%. Făina este în esenţă obţinută din grâu şi are o granulaţie mai mare (faina grifica), care rezultă după eliminarea tărâţelor şi germenilor. Grâul preferat pentru producerea făinii pentru cereale integrale este cel de culoare roşie sau de iarnă, deoarece granulele de endosperm pentru aceste tipuri de grâu (sticlos) rămân intacte atunci când cerealele sunt pregătite la cald. Materiile prime folosite la fabricarea fulgilor de cereale şi a produselor expandate sunt: boabe, crupe şi făinuri de grâu, porumb, orez, orz şi ovăz. Alte materii prime sunt: zahărul, siropul de malţ sau glucoza, mierea, sarea. Materiile auxiliare folosite la fabricarea fulgilor de cereale şi a produselor expandate sunt: pastă de arahide, ulei, brânzeturi uscate, pudră de usturoi, condimente, acid citric, substanţe aromatizante, vitamine, minerale, coloranţi. Pregătirea materiilor prime se realizează prin îndepărtarea corpurilor străine, uscare, mărunţire, dizolvare, filtrare, fierbere. Aşa cum se arată în fig.5, producţia de făina de cereale începe cu primirea şi măcinarea grâului. Cerealele instant sunt pregătite în primul rând prin adăugarea de fosfat disodic, cu sau fără adăugarea ulterioară a unei enzime proteolitice.

Fig.5. Schema tehnologică de obţinere a fulgilor de cereale 5

TAIA_curs_2015

Un produs poate fi făcut prin umezirea şi presarea făinii, apoi fulguirea (presare intre valturi) şi reuscare înainte de ambalare. Fulgii de cereale se fac direct din boabe de cereale întregi sau părţi de miez de porumb, grâu sau orez şi sunt prelucrate în aşa fel încât să se obţină particule, numite crupe pentru fulgi, deoarece formează un singur fulg fiecare. Producţia de cereale-fulgi implică preprocesare, amestecarea, gătire (fierbere), dezaglomerare, uscare, răcire, fulguire, prăjire şi ambalare. În principiu există două tehnologii de bază folosite pentru obţinerea fulgilor de cereale:  primă tehnologie este aceea în care cerealele sau crupele de cereale după decorticare sunt supuse fierberii cu abur şi apoi mărunţirii, uscării, vălţuirii şi toastării;  a doua tehnologie foloseşte în locul fierberii extrudarea, care are ca principale avantaje obţinerea unor fulgi uniformi şi posibilitatea folosirii ca materie primă făina, din care se obţine mai întâi un aluat. Materie primă Curăţire

Decojire ingredient e abur, căldură

Amestecare Fierbere

Extrudare

(2 h, 1...1,25 at) Spargere aglomerate Răcire Uscare Temperare (4-8 h) Aplatizare Uscare cu expandare (280...325ºC) materiale acoperire

Acoperire Ambalare

Fig.6. Schema generală de obţinere a produselor expandate în tun 6

TAIA_curs_2015

Pentru obţinerea fulgilor acoperiţi, după toastare se pot adăuga diverse materiale de acoperire: zahăr, miere, sirop de glucoză sau sirop de malţ. În ultimul timp se obţin fulgi şi din amestecuri de cereale, chiar cu adaos de seminţe de soia, pretratate cu papaină şi bicarbonat de sodiu pentru îmbunătăţirea prelucrabilităţii şi aromei.

Fulgi de grâu

Fulgi de orz

Fulgi de ovăz

Fulgi de porumb glazuraţi

Materie primă Curăţire Pretratare Decojire Mărunţire ingrediente

Amestecare extrudare (t