Экструзия в пищевой промышленности заключается в продавливании мягких смешанных ингредиентов через отверстие в перфорированной пластине или матрице, предназначенной для получения требуемой формы. Затем экструдированная пища разрезается на определенный размер лезвиями. Машина, которая продавливает смесь через матрицу, называется экструдером, а сама смесь называется экструдатом. Экструдер обычно представляет собой большой вращающийся шнек, плотно прилегающий к неподвижному цилиндру, на конце которого находится матрица.
Экструзия позволяет производить продукты питания в массовом количестве с помощью непрерывной эффективной системы, которая обеспечивает однородность конечного продукта. К ним относятся некоторые виды макаронных изделий, хлеб (гренки, хлебные палочки и лепешки), многие виды сухих завтраков и готовых к употреблению закусок, кондитерские изделия, готовое тесто для печенья, некоторые виды детского питания, жирная соя, текстурированный растительный белок, некоторые напитки, а также сухие и полувлажные корма для домашних животных. Пищевые продукты, изготовленные с использованием экструзии, обычно имеют высокое содержание крахмала.
Процесс
В процессе экструзии сырье сначала измельчается до нужного размера частиц, обычно до консистенции муки грубого помола. Сухая смесь пропускается через предварительный кондиционер, в который добавляются другие ингредиенты в зависимости от целевого продукта; это могут быть жидкий сахар, жиры, красители, мясо или вода. Для начала процесса приготовления впрыскивается пар, а затем предварительно кондиционированная смесь (экструдат) пропускается через экструдер. Экструдер представляет собой большой вращающийся шнек, плотно прилегающий к неподвижному цилиндру, на конце которого находится матрица. Вращающийся шнек экструдера проталкивает экструдат к матрице и через нее. Экструдат находится в экструдере в течение времени пребывания.
Многие экструдированные продукты вздуваются и меняют текстуру по мере их экструдирования из-за снижения сил и выделения влаги и тепла. Степень, в которой это происходит, известна как коэффициент расширения. Экструдат разрезается на нужную длину лезвиями на выходе экструдера, которые вращаются вокруг отверстий матрицы с определенной скоростью. Затем продукт охлаждается и высушивается, становясь жестким, сохраняя при этом пористость.
Приготовление происходит в экструдере, где продукт производит собственное трение и тепло из-за создаваемого давления (10–20 бар). Процесс может вызывать как денатурацию белка, так и клейстеризацию крахмала при некоторых условиях.
Многие процессы экструзии пищевых продуктов включают высокую температуру в течение короткого времени. Важными факторами процесса экструзии являются состав экструдата, длина шнека и скорость вращения, температура и влажность цилиндра, форма матрицы и скорость вращения лезвий. Они контролируются на основе желаемого продукта для обеспечения однородности выхода.
Влажность является наиболее важным из этих факторов и влияет на вязкость смеси, действуя на пластификацию экструдата. Увеличение влажности снизит вязкость, крутящий момент и температуру продукта, а также увеличит насыпную плотность. Это также снизит давление в матрице. Большинство процессов экструзии для обработки пищевых продуктов выполняются при низкой или средней влажности (уровень влажности ниже 40%). Экструзия с высокой влажностью известна как мокрая экструзия, но она не использовалась широко до появления двухшнековых экструдеров (TSE), которые имеют более эффективную транспортную способность. Наиболее важным реологическим фактором при мокрой экструзии экструдата с высоким содержанием крахмала является температура.
Количество соли в экструдате может определять цвет и текстуру некоторых экструдированных продуктов. Степень расширения и воздушность продукта зависят от концентрации соли в экструдате, возможно, в результате химической реакции между солью и крахмалами в экструдате. Изменения цвета в результате концентрации соли могут быть вызваны «способностью соли изменять активность воды экструдата и, таким образом, изменять скорость реакций потемнения». Соль также используется для распределения второстепенных ингредиентов, таких как пищевые красители и ароматизаторы, после экструзии; они более равномерно распределяются по поверхности продукта после смешивания с солью.
История
Первый экструдер был разработан для производства колбас в 1870-х годах. Сухие макаронные изделия и сухие завтраки производятся методом экструзии с 1930-х годов, и этот метод применяется для производства картофельных шариков (первый экструдированный картофельный продукт: Ore-Ida в 1953 году) и кормов для домашних животных с 1950-х годов (первый экструдированный корм для собак: Purina Dog Chow в 1957 году и первый экструдированный корм для кошек: Purina Friskies в 1962 году). Некоторые бытовые кухонные приборы, такие как мясорубки и некоторые типы макаронных машин, используют экструзию. Кондитерские мешки (кондитерские мешки), сжимаемые вручную, работают по принципу экструзии.
Последствия
Экструзия позволяет производить продукты питания в массовом количестве с помощью непрерывной эффективной системы, которая обеспечивает однородность конечного продукта. Это достигается путем управления различными аспектами процесса экструзии. Она также позволила производить новые обработанные пищевые продукты и «произвела революцию во многих традиционных процессах производства закусок». Процесс экструзии приводит к «химическим реакциям, которые происходят внутри цилиндра экструдера и в матрице». Экструзия имеет следующие эффекты:
Материал, из которого изготовлена экструзионная матрица, может повлиять на конечный продукт. Грубые бронзовые матрицы на экструдерах для макаронных изделий создают более шероховатую поверхность, чем гладкие матрицы из нержавеющей стали, которые, как считается, позволяют лучше прилипать более жидким соусам для пасты; макароны, изготовленные таким образом, маркируются как «бронзовая матрица», что указывает на премиальный продукт.
Влияние «экструзионной обработки на пищевую ценность» неоднозначно, поскольку экструзия может изменить углеводы, пищевые волокна, профиль белков и аминокислот, витамины и содержание минералов в экструдате, сделав его полезным или вредным.
Высокотемпературная экструзия в течение короткого периода времени «минимизирует потери витаминов и аминокислот». Экструзия позволяет производить некоторые продукты питания в больших количествах и «денатурирует антипитательные факторы», например, разрушает токсины или убивает микроорганизмы. Она также может улучшить «качество и усвояемость белка» и влияет на форму, текстуру, цвет и вкус продукта.
Это также может вызвать фрагментацию белков, крахмалов и некрахмальных полисахаридов с образованием «реактивных молекул, которые могут образовывать новые связи, не встречающиеся в природе». Сюда входят реакции Майяра, которые снижают пищевую ценность белков. Витамины с термической лабильностью могут быть разрушены. По состоянию на 1998 год [обновление] мало что известно о стабильности или биодоступности фитохимических веществ, участвующих в экструзии. Было обнаружено, что пищевая ценность улучшается при умеренных условиях (короткая продолжительность, высокая влажность, низкая температура), тогда как отрицательное влияние на пищевую ценность экструдата происходит при высокой температуре (не менее 200 °C), низкой влажности (менее 15%) или неподходящих компонентах в смеси.
В исследовательской работе 2012 года указывается, что использование нетрадиционной муки из злаков, такой как амарантовая, гречневая или просяная, может быть использовано для снижения гликемического индекса сухих завтраков, полученных методом экструзии. Экструдат с использованием этих злаковых муок демонстрирует более высокую объемную и продуктную плотность, имеет схожий коэффициент расширения и имеет «значительное снижение легкоусвояемых углеводов и медленноусвояемых углеводов». В статье 2008 года утверждается, что замена 5%–15% пшеничной муки и белой муки на диетические волокна в смеси экструдата для сухих завтраков значительно снижает «скорость и степень гидролиза углеводов экструдированных продуктов», что увеличивает уровень медленноусвояемых углеводов и снижает уровень быстроусвояемых углеводов.
Продукты
Экструзия позволила производить новые обработанные пищевые продукты и «произвела революцию во многих традиционных процессах производства закусок».
Различные типы пищевых продуктов, производимых методом экструзии, обычно имеют высокое содержание крахмала. Прямо расширенные типы включают сухие завтраки и кукурузные палочки и производятся в условиях высокой температуры, низкой влажности и высокого сдвига. Нерасширенные продукты включают макаронные изделия, которые производятся при промежуточной влажности (около 40%) и низкой температуре. Текстурированные продукты включают аналоги мяса, которые производятся с использованием растительных белков («текстурированный растительный белок») и длинной матрицы для «придания экструдату волокнистой, похожей на мясо структуры», и рыбную пасту.
Некоторые плавленые сыры и аналоги сыра также производятся методом экструзии. Плавленые сыры, экструдированные при низкой влажности и температуре, «могут лучше подходить для производства с использованием технологии экструзии», чем сыры с высокой влажностью или температурой. Сыры с низкой влажностью более твердые и жевательные, а сыр чеддер с низкой влажностью и температурой экструзии 80 °C был предпочтен субъектами исследования другим экструдированным сырам чеддер, полученным при других условиях. Среднее время пребывания экструдата около 100 секунд может производить «плавленые сыры или аналоги сыра различной текстуры (от намазываемых до нарезаемых)».
Кондитерские изделия, изготовленные методом экструзии, включают жевательную резинку, лакрицу и ириски. Другие продукты питания, часто производимые методом экструзии, включают некоторые виды хлеба (гренки, хлебные палочки и лепешки), различные готовые к употреблению закуски, предварительно приготовленное тесто для печенья, некоторые виды детского питания, некоторые напитки, а также сухие и полувлажные корма для домашних животных. Конкретные примеры включают сырные завитушки, макароны, Fig Newtons, желейные бобы, севаи и некоторые виды картофеля фри.
Экструзию также используют для модификации крахмала и гранулирования кормов для животных.
