Экструзия

Одним из наиболее эффективных методов преобразования свойств растительного сырья с целью приготовления его на основе разнообразных продуктов высокого качества является экструзионная обработка. 

 При экструзионной обработке перерабатываемый материал подвергается интенсивному  баро-гидро-термическому воздействию, которое приводит к различным по глубине изменения его составных частей. 
 Экструзионная обработка крахмалосодержащего сырья позволяет получать легко усвояемые, с улучшенными вкусовыми свойствами  продукты, которые требуют незначительной  обработки либо полностью готовы к употреблению. 
В зависимости от глубины происходящих изменений экструзионную обработку делят на три вида: холодную, теплую и горячую. Наибольшее распространение получила холодная экструзия, применяемая в основном для производства макаронных изделий.
Вместе с тем, все более интенсивно развиваются технологии приготовления различных продуктов методами тепловой и горячей экструзии
 В последние годы  существенно возрос интерес к современным экструзионным технологиям для производства БВК, престартерных, гроверных и др. видов комбикормов. Объективно это связано с высокой стоимостью сухого молока и его заменителей, рыбных, животных ингредиентов, необходимостью использования недорогих (собственных) и часто "проблемных" ресурсов, существенным увеличением посевов сои, гороха и потребностью в их переработке преимущественно на кормовые цели. Наметился устойчивый рост численности некрупных производств для переработки сои (применение специализированных "соевых" экструдеров при этом обеспечивает устойчивую рентабельность от реализации жмыха и масла на уровне 28-100%). В кормлении животных часто используются и необезжи­ренный соевый экструдат. 

 Наряду с использованием ферментных препаратов, в свиноводстве и птицеводстве экструзионная обработка служит во многом сходным целям - улучшению качества протеина кормов, реструктуризации крахмала и других полисахаридов, инактивации антипитательных веществ и т.п. Естественно, что в условиях конкуренции технологии экструзии также модернизируются и совершенствуются. Повышается производительность машин и качество переработки зернового сырья. На рынке сельскохозяйственного и пищевого машиностроения появились различные марки экструдеров: КМЗ-2У;ПЭСТ-1У; Е-150; Е-250; Е-500; Е-1000; УЭЗ-Ф-800У; ЭУ-500; НЭК-125х8С (40х5 В); Insta-Pro 2000R; ; ШТАК-50 (80);ЭКСПРО и др., имеющие разные технологические характеристики и возможности по эффективности переработки сырья (особенно сои). Это связано с различиями в температурном режиме по зонам (загрузки, гомогенизации), давлению, влажности, а также типу сырья (кукуруза, ячмень, зерносмеси, соя, горох и др.). Используются сило­вые агрегаты разной мощности. Машины имеют и различный уровень износоустойчивости. Эти факторы являются определяющими в вопросе качества получаемого продукта, что выражается в характерных показателях (степени взорваности, влажности, гигроскопичности, инактивации уреазы и ингибиторов и т.д.), а также внешнем виде, запахе, цвете и вкусовых качествах экструдата. 

Долгое время сдерживающим фактором для принятия решений была недостаточная производительность, энергоемкость и повышенный износ деталей рабочего органа накоплен многолетний опыт проектирования, изготовления и эксплуатации экструдеров для пищевой промышленности и животноводства. Успешно решен целый ряд технологических задач повышения надежности и ресурса установок серии КМЗ. Предприятие успешно реализует свою продукцию на внутреннем и внешнем рынках (СНГ, Европа) благодаря оптимальному соотношению качества и цены изделий. Если в недалеком прошлом производство было ориентировано на кормоцехи хозяйств и межхозяйственные комбикормовые заводы, то в числе современных заказчиков - крупные производители комбикормов и БВД . Освоены производство и эксплуатация новых марок экструдеров, способных эффективно перерабатывать зерно и сою с произво­дительностью 500 и 1000 кг/ч (пэст-1у), дающих следующие показатели качества для соевых продуктов: уреазная активность - 0,15-0,18 ед.рН (опт. 0,2), показатель растворимости белка сои 79-83 % (опт. 73-86%).
Теоретические основы экструзии зерна злаковых, гороха и сои

В основе экструдирования зерна и зерновой смеси (сырья) лежат два процесса - механохимический и "взрыв" продукта. Последний происходит в результате резкого изменения давления в зерне на выходе из экструдера. Оба процесса непрерывны и протекают при высокой степени сжатия и определённой скорости прохождения сырья через экструдер.

Метод сухого экструдирования: воздействие температуры здесь совмещается с эффектом резкого перепада давления в момент выброса продукта из экструдера. Умеренный уровень теплового воздействия - 150°С в конце процесса в течение 3-4 секунд (продолжительность всего процесса 25 секунд) приводит к равномерной денатурации нативного белка, не нарушая первичные соединения аминокислот и тем самым сохраняя питательную ценность протеина. Активность ферментов (в первую очередь, ингибиторов трипсина в сое) снижается до приемлемой нормы, обеспечивающей максимальную кормовую эффективность.

Энергетическая фракция в зерне представлена углеводами (злаковые, горох) и жиром (соя). При прохождении крахмала через экструдер он желатинизируется и на выходе увеличивается в объеме. Этот эффект обеспечивается разрушением структуры гранул и разрывом молекулярной цепи крахмала. Весь процесс напоминает горячее увлажнение этого полисахарида. Различие заключается в том, что при экструдировании процесс происходит в условиях более низкой влажности и гораздо быстрее. Той влажности, которая необходима для смазки экструдера, вполне достаточно для желатинизации. При выходе продукта из установки влага испаряется, и крахмальный гель быстро затвердевает. Степень увеличения продукта в объеме зависит от содержания крахмала. При экструдировании определенный процент крахмала превращается в декстрины, что напоминает явление, происходящее при поджаривании зерен.

Экструдирование увеличивает доступность масла в сое за счет разрыва маслосодержащих клеток. Это происходит при резком перепаде давления (от 89атм до 1 атм.) в момент выброса продукта. Поэтому экструдат представляет собой маслянистую гомогенную массу. При поджаривании этот эффект не достигается даже при самом мелком измельчении соевых бобов. Экструдат долгое время не прогоркнет из-за наличия лецитина, токоферолов и инактивации липооксидазы.

Экструзия способствует образованию комплексного соединения жира с крахмалом в зерне в соотношении 1:10, а также воздействует на клетчатку, изменяя ее плотность путем разрушения структуры механическими факторами и влагой.

При рекомендуемых режимах экструзии в зерне гибнет большая часть микрофлоры (бактерии, грибки). Это очень важно, если зерно поражается плесенью и имеет большую бактериальную обсеменённость. В процессе экструзии в зерне кукурузы и пшеницы микроорганизмы погибают полностью, а в ячмене их остается около 6% из-за высокой температуры (130-160°С) и давления (20-80 атм.).

Процесс экструзии осуществляется следующим образом: сырьё подается через загрузочный бункер в машину. По мере перемещения частиц в рабочей камере увеличивается степень сжатия, которая определяется отношением площади рабочего канала и площади фильеры на выходе. Уплотняясь, сырьё прогревается как за счёт сил трения частиц с поверхностью вращающихся рабочих органов, так и за счёт (в отдельных моделях) дополнительного источника тепла (т.н. "тепловая" рубашка экструдера). Под действием этих факторов зерно всех культур может подвергаться фазовым превращениям из хрупкого стеклообразного состояния (в начале процесса) в высокоэластичное, а затем в вязкотекучее. Фазовые переходы разделяют весь процесс экструдирования на технологические зоны - загрузки, сжатия, гомогенизации и "взрыва". В зоне загрузки изменения в сырье практически не происходят. Высокоэластичное состояние оно приобретает в зоне сжатия, где происходит частичное разрушение клеток крахмала, целлюлозы и лигнина. В зоне гомогенизации сырьё приобретает особое состояние - вязкотекучее. В отдельных биополимерах (белок, крахмал, клетчатка) появляются структурные изменения. Однако основные и наиболее важные изменения в зерне проходят в зоне экструзии ("взрыва") при быстром выбросе сырья из зоны высокого давления в зону атмосферного. Аккумулированная сырьём энергия освобождается со скоростью взрыва, что приводит к вспучиванию продукта с глубоким преобразованием структуры и свойств отдельных питательных веществ.

Экструдированные соевые продукты

Наибольшее экономическое и практическое значение для свиноводства имеет получение необезжиренного соевого экструдата и жмыха.

В целом, полножирная (необезжиренная; ФФС) соя после экструзии - это соя, прошедшая полную тепловую обработку и в которой "ничего не удалено и нечего не добавлено", она лишь становится более доступной и полезной. Процесс в экструдерах Е скоротечный - <30 секунд, но за этот период рабочая температура в последней камере "трубе" должна быть 140-150°С, а содержание влаги - 12%. Давление при этом удерживается на уровне 35-40 атм., что и приводит в дальнейшем к эффекту "взрыва" при выбросе продукта. Процесс значительно изменяет кормовые свойства сои, гороха и любого зерна и представляет интерес для свиноводов в получении:

1) ценнейших кормовых растительных ингредиентов с высоким содержанием белка и энергии;

2) значительного улучшения усвоения питательных веществ, разрушения "вредных" ферментов и др. веществ - ингибиторов, уреазы, глюкозинолатов, госипола и др.;

3) стерилизации заразных бактерий, некоторых видов плесеней и грибов на зерне;

4) улучшение вкусовых свойств и запаха корма;

5) реструктуризации продукта с возможностью придания любой формы.

Кроме того, получаемый соевый экструдат (Е) обладает повышенной усвояемостью белка (в сравнении с тестированным соевым шротом), высоким содержанием высококачественного масла с антиоксидантными свойствами (благодаря наличию витамина Е и лецитина), что увеличивает сроки хранения продукта. Вообще, соевый белок, подготовленный экструдированием, более переварим для моногастричных, чем данный белок, обработанный теплом после экстракции.

Средний состав экструдированной сои

Влажность - 8%; сырой протеин - 32-38%; переваримый протеин - 28-33,5%; сырая клетчатка -9,5%; лизин - 21 г/кг; метионин - 5; цистин - 5,4; триптофан - 4,7; аргинин - 25,9; фосфор - 5,5; доступный фосфор - 2 г/кг; жир - 16,5-18,5%.

Существуют международные стандарты в производстве необезжиренной (в т.ч. экструдированной) сои.
Активность уреазы 0,1-0,3 ед. рН
Усвояемый лизин 6% от неочищенного белка
Крахмал 3,8-4,3 мг/г
Использование белка 2,1 (min)
Использование чистого белка 60% (min)
Активность ингибиторов трипсина 10-15% от неочищенного белка

Применение полножирного (необезжиренного) экструдата сои (ЭС) позволяет решить важнейшие проблемы свиноводства:

1) резко повысить энергетическую ценность и доступность зерносмесей, комбикормов до уровня, которого трудно достичь традиционным добавлением углеводистых или белковых кормов (если уровень обменной энергии соевого масла принять за 100, то энергетическая ценность кормов составит (%): кукурузы - 42; пшеницы - 38; сорго и рыбной муки - 34; ячменя - 33; овса - 32; хлопчатникового жмыха - 30; соевого жмыха - 28; мясной муки - 25; люцерновой муки - 14);

2) улучшить вкусовые свойства и внешний вид всех видов кормосмесей и комбикорма, устранить распыляемость последнего на 90% (снизить случаи бронхопневмонии на 70%), предупредить его расслоение при хранении и транспортировке;

3) повысить общую биологическую ценность комбикормов и составляющих их добавок за счет явления синергизма (улучшение всасываемости жирорастворимых витаминов);

4) значительно улучшить жизнеспособность поросят и их энергию роста на 12-20%;

5) повысить репродуктивные функции свиноматок (приход в охоту на 8-15%, снизить прохолосты на 5-10%, эмбриональную смертность до 12%, повысить крупноплодность на 5-10%;

6) на откорме увеличить среднесуточный прирост, снизить затраты корма на 1 кг прироста на 0,5-1,2 корм. ед., улучшить вкус и нежность свинины и существенно повысить рентабельность производства не только в условиях промышленных технологий, но и в малых и средних хозяйствах.

Экструзия зерна злаковых (кукуруза, ячмень, тритикале, пшеница) позволяет увеличить в них уровень сахара до 15%, а декстринов (продуктов первичного гидролиза крахмала) - более чем в 5 раз по сравнению с исходными образцами. Тогда как количество крахмала уменьшается на 12-14%, что позволяет использовать экструдаты зерна и гороха на уровне соответственно 45-60 и 27-32% в рационах поросят, в т.ч. раннего отъема. Это позволяет существенно сократить уровень использования молочных кормов (на 1/2) и белково-энергетических источников микробиологического и животного происхожде­ния (до 30-60%). Снизить себестоимость выращивания поросят до 30-50%.

Конъюнктура аграрного рынка , структура товарного экспорта агропродукции (60% зерно, технические культуры и корма), неконтролируемый импорт мясопродуктов обусловили резкое уменьшение поголовья свиней и ухудшение состояния кормовой базы хозяйств. Анализ использования комбикормов в свиноводстве говорит о значительном сокращении их потребления в расчете на условную голову (за последние 10 лет) - более чем на 70%. Этот спад является основной причиной значительного снижения продуктивности свиней.

Главная причина проблемы - высокие цены и низкое продуктивное действие комбикормов (потому и объемы закупки их для свиноводства снизились за 3-5 лет на 50-65%). Общее решение вопроса видится в поиске путей снижения стоимости комбикормов при одновременном улучшении их качества. В этой связи пропаганда и внедрение новейших экструзионных технологий - серьезный аргумент для научно-технологической поддержки процесса модернизации отечественного производства комбикормов, оптимизации кормопроизводства свиноводческих хозяйств на основе передовых технологий с использованием местных приоритетных ресурсов (горох, соя, подсолнечник, кукуруза, ячмень, тритикале), а также для разработки и внедрения новых научно-производственных взглядов по нормированию и использованию кормовых средств в современных программах кормления свиней.

Экструзионные технологии для свиноводства актуальны и по ряду других причин:

а) стойкой тенденции к применению новых мясных пород, кроссов и гибридов, где продуктивный потенциал требует существенного улучшения условий кормления;

б) объективного сокращения в рационах свиней высокоэнергетических, белковых ингредиентов животного происхождения, рыбной муки, молочных кормов, а также кукурузы и соевого шрота с ис­пользованием вместо них гороха или необезжиренных соевых бобов, некондиционного зернофуража, ржи, тритикале, шрота подсолнечника и др. "проблемных" ресурсов;

в) расширения производства современных БВК, заменителей молока и др. с использованием экструзионных методов;

г) производства собственных комбикормов и кормосмесей непосредственно в хозяйствах.

Все обозначенные факторы обуславливают необходимость по-новому оценивать экономическую питательную и энергетическую значимость зерновых и бобовых ресурсов и место экструзионных технологий при производстве конкурентоспособных кормов, концентратов и добавок. Это необходимо для внедрения современных программ кормления с целью возрождения и интенсивного наращивания оте­чественного производства свинины.
Актуальность темы. В современных социально-экономических условиях особое значение приобретает повышение эффективности работы перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса. Важную роль в этом процессе играет повышение качества управления технологическими объектами сложной структуры, в том числе путем применения методов математического моделирования при проектировании и эксплуатации оборудования.
Одними из самых энергоемких технологических объектов пищевой промышленности являются одношнековые прессующие механизмы, которые в последнее время стали активно использоваться при экструдировании материалов растительного происхождения (биополимеров). Особенностью прессов-экструдеров является сложность и разнообразие процессов обработки биополимеров.
Вместе с тем, существующие теории процесса экструдирования не позволяют прогнозировать его технико-экономические характеристики и качество вырабатываемого продукта. В связи с этим важной представляется оптимизация режимов процесса экструдирования и систем управления с целью ресурсосбережения и обеспечения необходимого качества полуфабриката.