EFFECT OF PARTICLE SIZE DISTRIBUTION OF RAW MATERIALS ON EXTRUSION COOKING PROCESS AND QUALITY OF COMPOSITE SNACKS
Authors:
1.
Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal Research Сentre of Nutrition and Biotechnology
2.
Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal Research Сentre of Nutrition and Biotechnology
3.
Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal Research Сentre of Nutrition and Biotechnology
4.
Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal Research Сentre of Nutrition and Biotechnology
5.
The Limited Liability Company Center of Food Extrusion Technologies
Type:
Article
Pages:
from 129
to 134
Status:
Published
Received:
30.12.2016
Accepted:
30.12.2016
Published:
30.12.2016
Subject area:
UDK 664.696:678.027.3
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Extrusion cooking, particle size distribution, composite snacks, texture
Abstract (English):
Rational selection of composition particles size distribution is an important factor for extrusion technology of high quality snack production. Influence of the milling rate of rice, millet, buckwheat and lentil on extrusion cooking regimes and technological parameters of extrudates was investigated. Decreasing of hammer mill sieve openings from 5 to 1 mm resulted in increasing of small fraction with size below 0.2 mm for rice from 18.2 to 60.0%, for millet from 33.5 to 82.0%, for buckwheat from 18.0 to 56.0%. This allowed obtaining composition with more uniform particle size distribution. Investigation of extrusion cooking process showed increasing of torque and pressure at extruder die with decreasing of composition particles size. The shift of the sieve openings frommm to 1.0 mm caused 10.0% increase of extrusion energy consumption. Reduction of the particles size increased the extrudate expansion rate coefficient from 8.8 to 13.0, the water absorption index from 8 to 8.35 g/ g of dry matter and solubility from 22 to 37%. Moreover it caused a significant reduction in the bulk density from 137 to 82 kg/m3. This trend changed the texture of the extrudates to a more delicate structure. The hardness of the product was reduced from 9.8 to 6.1 H at a constant value of the fractures number.
Rational selection of composition particles size distribution is an important factor for extrusion technology of high quality snack production. Influence of the milling rate of rice, millet, buckwheat and lentil on extrusion cooking regimes and technological parameters of extrudates was investigated. Decreasing of hammer mill sieve openings from 5 to 1 mm resulted in increasing of small fraction with size below 0.2 mm for rice from 18.2 to 60.0%, for millet from 33.5 to 82.0%, for buckwheat from 18.0 to 56.0%. This allowed obtaining composition with more uniform particle size distribution. Investigation of extrusion cooking process showed increasing of torque and pressure at extruder die with decreasing of composition particles size. The shift of the sieve openings frommm to 1.0 mm caused 10.0% increase of extrusion energy consumption. Reduction of the particles size increased the extrudate expansion rate coefficient from 8.8 to 13.0, the water absorption index from 8 to 8.35 g/ g of dry matter and solubility from 22 to 37%. Moreover it caused a significant reduction in the bulk density from 137 to 82 kg/m3. This trend changed the texture of the extrudates to a more delicate structure. The hardness of the product was reduced from 9.8 to 6.1 H at a constant value of the fractures number.
Keywords:
Extrusion cooking, particle size distribution, composite snacks, texture
Extrusion cooking, particle size distribution, composite snacks, texture
Введение Варочная экструзия является одной из самых распространенных технологий, используемых в производстве снэков и пищевых концентратов. Экструзия, совмещающая в одной установке про- цессы измельчения, перемешивания, баротермо- обработки, текстурирования и формования в од- ном реакторе, позволяет в широких пределах ис- пользовать принципы пищевой комбинаторики при разработке новых, сбалансированных по пи- щевой ценности экструдированных снэков, рецеп- тура которых может содержать несколько видов круп или муки, источников растительного и жи- вотного белка, жиров, пищевых волокон и микро- нутриентов [1, 2, 3]. Важным элементом технологии таких продук- тов, помимо разработки сбалансированных рецеп- тур и подбора стабильных режимных параметров экструдирования, является подбор рационального гранулометрического состава исходного сырья, оказывающего влияние на качество готового про- дукта и процесс его производства. Для одношнеко- вых экструдеров было показано [4], что использование для экструзии зерновых смесей с размерами частиц от 160 до 630 мкм обеспечивало стабиль- ность процесса экструдирования и максимальный коэффициент расширения продукта на выходе из матрицы. Экструдат при этом представлял собой гранулы с равномерной по сечению пористостью и хорошими органолептическими показателями. Для двухшнековых экструдеров качество помола ис- пользуемого сырья также является важным пара- метром, так как помимо влияния на качество гото- вого продукта определяет энергозатраты на про- цесс экструзии. Целью настоящего исследования являлось изу- чение влияния гранулометрического состава зерно- вого сырья на процесс экструдирования многоком- понентного композитного снэка и качество получа- емого экструдата при использовании двухшнеково- го экструдера. Объекты и методы исследований Объектами исследования являлись помолы ин- гредиентов, многокомпонентная смесь, рецептура которой представлена в табл. 1, а также экструдированные снэки. В исследованиях использовалась приобретенная в локальной торговой сети продук- ция злаковых урожая 2015 года, собранная на тер- ритории европейской части России. В качестве зер- нового сырья использовались крупа гречневая яд- рица 1 сорта по ГОСТ Р 55290-2012, крупа пшено шлифованное 1 сорта по ГОСТ 572-60, крупа рисо- вая шлифованная 3 сорта по ГОСТ 6292-93, чече- вица тарелочная продовольственная по ГОСТ 7066- 77, мука кукурузная тонкого помола по ГОСТ 14176-69, мука пшеничная обойная цельнозерновая по ГОСТ Р 52189-2003. Влажность измельчаемого сырья составляла для риса 13,2 %, пшена 12,4 %, крупы гречневой 11,0 %, чечевицы 14,5 %. Измельчение зерновых компонентов проводили на молотковой дробилке ММ 10 со сменными си- тами с диаметрами отверстий: ø1,0 мм; ø1,5 мм; ø2,0 мм; ø2,5 мм и ø5,0 мм. Ситовой анализ осу- ществляли с использованием лабораторного рассе- ва РЛ-1. Экструдирование рецептурных смесей проводилось с использованием двухшнекового экс- трудера Werner&Phleiderer Continua 37. Отношение диаметра к длине шнека составляло 1:27, набор шнековых элементов для экструдирования зерно- вых культур (транспортирующие шнеки с постоян- ным шагом 40 мм и набор реверсивных элементов на расстоянии 1/3 длины шнека от матрицы). Уста- новлена матрица с двумя щелевидными фильерами сечением 12х1,5 мм. Производительность дозатора сырья составляла 28 кг/ч, температура на выходе экструдата 175 ºС, скорость вращения шнеков 240 об/мин, дозировка воды в зону после подачи сырья в экструдер 0,7 л/ч, скорость резки сырья 710 об/мин. В качестве технологических свойств экструда- тов определяли коэффициент взрыва, насыпную массу, растворимость, влагоудерживающую спо- собность. Коэффициент взрыва определяли как отношение площадей поперечных сечений жгута продукта и фильеры матрицы, насыпную массу - в мерном стакане емкостью 1 л и диаметром 10 см, растворимость и влагоудерживающую способность (ВУС) - стандартным методом растворения экстру- дата в избыточном количестве воды с последую- щим разделением среды центрифугированием [5]. Таблица 1 Рецептурный состав многокомпонентного снэка Ингредиент %мас. Измельчаемые компоненты Крупа рисовая 18,0 Крупа пшено 18,0 Крупа гречневая 8,0 Чечевица 8,0 Дополнительные компоненты Мука кукурузная 17,5 Мука пшеничная 15,0 Порошок тыквы 7,0 Молоко сухое, 26 % жирн. 6,0 Сахар 2,0 Соль 0,5 Исследование текстурных свойств экструдатов проводили с использованием анализатора текстуры Brookfield Texture Analyser CT 3. Образцы экстру- датов прокалывали индентором диаметром 3 мм со скоростью 0,5 мм/с на глубину пенетрации 2 мм с регистрацией и расчетом следующих показателей: твердость (Н), частота микроразломов, среднее усилие нагружения (Н), работа, затраченная на преодоление хрусткости (Н·мм) [6, 7]. Результаты и их обсуждение Результаты гранулометрического анализа на ла- бораторном рассеве типа РЛ-1 по каждому виду измельченного сырья представлены в табл. 2. Таблица 2 Гранулометрический состав измельченных зерновых компонентов Диаметр отверстия сита дробилки, мм Ингредиент Остаток на ситах с отверстиями диаметром, % Проход через сито 0,2 мм 2,0 мм 1,5 мм 1,0 мм 0,8 мм 0,4 мм 0,2 мм 5,0 Пшено 0 1,5 10,5 11,5 26,5 16,5 33,5 Гречка 1,0 5,0 13,0 11,0 29,5 22,5 18,0 Рис 2,5 6,5 12,5 11,3 28,5 20,5 18,2 Чечевица 3,5 6,5 13,5 11,0 26,0 17,0 22,5 2,5 Пшено 0 0,5 6,0 9,0 24,5 18,0 42,0 Гречка 0,2 2,0 8,0 9,0 30,5 26,0 24,3 Рис 0,1 1,5 5,5 7,0 25,0 27,0 33,9 Чечевица 0,5 2,0 6,5 8,0 24,5 20,5 38,0 Окончание табл. 2 Диаметр отверстия сита дробилки, мм Ингредиент Остаток на ситах с отверстиями диаметром, % Проход через сито 0,2 мм 2,0 мм 1,5 мм 1,0 мм 0,8 мм 0,4 мм 0,2 мм 2,0 Пшено 0 0 2,0 4,5 16,5 20,0 57,0 Гречка 0 1,5 5,0 7,0 29,5 28,5 28,5 Рис 0 1,0 4,0 6,0 24,5 26,5 38,0 Чечевица 1,0 1,5 4,0 5,5 21,5 19,5 47,0 1,5 Пшено 0 0 1,5 3,5 15,0 16,5 63,5 Гречка 0 0 2,0 4,5 29,0 30,0 34,5 Рис 0 0 1,0 2,5 18,5 29,0 49,0 Чечевица 0 0,5 1,5 3,0 19,0 21,5 54,5 1,0 Пшено 0 0 0 0 4,5 13,5 82,0 Гречка 0 0 0 0 11,0 33,0 56,0 Рис 0 0 0 0 11,0 29,0 60,0 Чечевица 0 0 0 0 5,5 14,0 80,5 Из таблицы видно, что при размере диаметра отвер- стий сита меньше 2,0 мм частицы размером более 1,0 мм начинают составлять незначительную часть (от 0 до 6,5 %). Также на степень измельчения сильно влияет вид и природа измельчаемого сырья. По своему составу из- мельченное пшено и чечевица обладают большим коли- чеством мелких фракций по сравнению с рисом и гречкой при одинаковых условиях измельчения на молотковой дробилке. Количество мелкой фракции (проход через сито 0,2 мм) при уменьшении диаметра сита на молотко- вой дробилке от 5,0 до 1,0 мм возрастает для зерна пшена от 33,5 до 82,0 %, гречки от 18,0 до 56 %, риса от 18,2 до 60,0 %, чечевицы от 22,2 до 80,5 %. Рис. 1. Гранулометрический состав экструдируемых смесей После приготовления рецептурных смесей ана- лизировали их гранулометрический состав. Резуль- таты анализа представлены на рис. 1. Анализ гранулометрического состава готовых смесей компо- зитных снэков показал, что при уменьшении диа- метра отверстий сит на молотковой дробилке от 5,0 до 1,0 мм можно добиться выравнивания грануло- метрического состава исходного сырья за счет уменьшения содержания в нем крупных частиц. Содержание в исходных лактовегетарианских сме- сях частиц с проходом через сито с диаметром от- верстий 0,2 мм повышается от 50 до 74 %. Использование при измельчении в молотковой дробилке сит с меньшим диаметром отверстий приводит к выравниванию гранулометрического состава измельчаемого сырья с преобладанием большого количества мелких фракций, но при этом происходит увеличение энергетических затрат на измельчение. На степень измельчения также сильно влияет вид и природа измельчаемого сырья. По своему составу измельченное пшено и чечевица обладают большим количеством мелких фракций по сравнению с рисом и гречкой при одинаковых условиях измельчения на молотковой дробилке. Таблица 3 Режимы процесса экструдирования смесей с различным Диаметр сита при измельче- нии сырья, мм Темпера- тура экс- трузии,°С Нагруз каМ, % Давле- ние, бар Удельный расход электро- энергии, кВт·ч/кг 5,0 175 62,0 29 0,1010 2,5 175 64,5 31 0,1050 2,0 175 66,4 33 0,1081 1,5 175 67,9 36 0,1106 1,0 175 68,3 38 0,1112 гранулометрическим составом Подготовленные смеси экструдировали с исполь- зованием двухшнекового экструдера Werner&Phlei- derer Continua 37. В табл. 3 приведены режимы экс- трузии исследуемых смесей. С уменьшением размера частиц исходного сырья происходит увеличение кру- тящего момента на валу и, как следствие этого, пере- ход при измельчении на сита с отверстиями от 5,0 до 1,0 мм вызывает возрастание энергетических затрат на получение экструдатов на 10 %. Увеличение нагрузки связано с более плот- ным заполнением шнекового пространства мел- кими частицами сырья при его транспортировке витками шнеков, а также началом ускоренного процесса клейстеризации крахмала уже в начале процесса экструзии, а соответственно, повыше- нием вязкости расплава. С уменьшением размера частиц в исходной смеси происходит увеличение давления в предматричной зоне экструдера, что также связано с увеличением крутящего момента на валу экструдера. В табл. 4 представлены данные по технологиче- ским свойствам экструдатов, полученных из смесей с различным гранулометрическим составом. С умень- шением частиц исходного сырья происходит увели- чение коэффициента взрыва и уменьшение насыпной массы гранул экструдатов. При этом происходит уве- личение растворимости и влагоудерживающей спо- собности полученных экструдатов. чением крупности помола, частота микроразломов, показатель, косвенно характеризующий пористость продукта, не изменялась. При измерении твердости экструдата и среднего усилия нагружения, а также полученный расчетный показатель «работа на пре- одоление хрусткости», косвенно характеризующий хрусткость экструдата, возрастали с увеличением крупности помола экструдируемой смеси. Таблица 5 Текстурные свойства многокомпонентных снэков, полученных из смесей с различным гранулометрическим составом исходного сырья Сито, мм 1 1,5 2 2,5 5 Твердость, Н 6,1 7,0 7,2 9,6 9,8 Частота мик- роразломов 4 4 4 4 4 Среднее усилие нагружения, Н 1,88 2,20 2,6 2,90 3,10 Работа на преодоление хрусткости, Н·мм 0,47 0,55 0,65 0,73 0,78 Таблица 4 Технологические свойства экструдатов Диа- метр сита при измель- мель- чении сырья, мм Влаж- ность экстру- дата,% Насып- ная мас- са,кг/м3 Коэфф. взрыва ВУС,г во- ды/г С.В. Рас- твори- мость,% 5,0 6,9 137 8 8,00 22 2,5 6,8 125 10,2 8,10 26 2,0 6,5 120 11,0 8,20 29 1,5 6,4 108 11,9 8,30 35 1,0 6,3 82 13,0 8,35 37 Изменение технологических свойств экстру- дата обусловлено увеличением давления в пред- матричной зоне экструдера и лучшей деструкци- ей биополимеров сырья, происходящей в процес- се экструзии. Результаты анализа текстуры экструдатов пред- ставлены в табл. 5. С увеличением диаметра сита при измельчении сырья и, соответственно, с увели- Исследования показали, что с выравниванием гранулометрического состава в экструдируемой смеси с увеличением содержания частиц менее 0,2 мм от 50 до 74 % обеспечивает увеличение коэф- фициента взрыва с 8,8 до 13,0 и снижение насып- ной массы гранул от 137 до 82 кг/м3. При этом уве- личиваются влагоудерживающая способность с 8,0 до 8,35 г воды/г сухого вещества и растворимость экструдата с 22 до 37 %. С увеличением диаметра сита измельчающего устройства показатели тек- стуры продукта изменяются в сторону более твер- дой структуры. Твердость продукта увеличивается с 6,1 до 9,8 Н. Показатель частоты микроразломов не изменяется, что свидетельствует о сохранении характера пористости экструдатов. Среднее усилие нагружения, работа на преодоление хрусткости также возрастают с увеличением крупности ис- пользуемого в смеси помола, что может говорить о более высоком сенсорном восприятии хрусткости экструдатов. С другой стороны, использование в смеси мелких помолов обеспечивает получение более нежного продукта.
1. Brennan, M.A. Ready-to-eat snack products: the role of extrusion technology in developing consumer acceptable and nu- tritious snacks / M.A. Brennan, E. Derbyshire, B.K. Tiwari, C.S. Brennan // International Journal of Food Science & Technology. - 2013. - V. 48, № 5. - P. 893-902
2. Ibanoglu, S. Physical and sensory evaluation of a nutritionally balanced gluten-free extruded snack / S.Ibanoglu, P. Ains- worth, E. A. Özer, A. Plunkett // Journal of Food Engineering. 2006. - V. 75, № 4, p.469-472
3. Ekstrudirovannye pischevye izdeliya slozhnyh form i raznoobraznyh vkusov / P.G. Rudas', D.V. Semykin, A.I. Petergov, V.I. Stepanov // Vestnik KrasGAU. - 2011. - № 9. - S. 292-298
4. Tehnologiya ekstruzionnyh produktov / A.N. Ostrikov, G.O. Magomedov. N.M. Derkanosova, V.N. Vasilenko, O.V. Abramov, K.V. Platov. - SPb.: Prospekt nauki, 2007. - 202 s
5. Deshpande, H.W. Physical and sensory characteristics of extruded snacks prepared from Foxtail millet based composite flours / H.W. Deshpande, A. Poshadri // International food research journal. 2011. - V. 18. - P. 751-756
6. Van Hecke E. Texture and structure of crispy-puffed food products. Part II: Mechanical properties in puncture / E. Van Hecke, K. Allaf, J.M. Bouvier // Journal of texture studies. - 1998. - № 6, p. 617-632
7. Sharikov, A.Yu. Instrumental'nye metody issledovaniya tekstury ekstrudirovannyh produktov / A.Yu. Sharikov, V.I. Stepanov // Tehnologiya i tovarovedenie innovacionnyh pischevyh produktov. - 2015. - № 5. - S. 3-9
