Экструдирование (эктрузия)

Экструзия (extruding) — влажное прессование с взрывом. Технологический процесс заключается в гидробаротермической обработке сырья, когда кормовая масса прессуется и под высоким давлением выталкивается через фильеры в область атмосферного давления, после чего взрывается, увеличиваясь в объеме. К преимуществам экструзии относится возможность обработки любого сырья индивидуально или в различных композициях. По сравнению с другими способами влаготепловой обработки экструзия дает более ощутимое повышение питательности исходного сырья. Одним из главных ее эффектов является резкое возрастание переваримости углеводов — наименее доступной для животных части кормового сырья. Он достигается в основном за счет глубокой клейстеризации (желатинизации) крахмала, деструкции и модификации лигно-целюлозного комплекса.

Особенно эффективна эта технология для комбикормов, в которые входят зерновые, соя, жмыхи и шроты. Она может с успехом применяться при переработке сложных, обычно не используемых отходов птицеводства, а также мясо- и рыбоперерабатывающей промышленности, для превращения их в питательное сырье. Ограничивается только уровень ввода жира — не более 4,5%. При его превышении существенно затрудняется вспучивание экструдата.

По Н. Черняеву [1985], экструзия относится к таким методам термодинамической обработки сырья, при которых используются как статические режимы воздействия, так и динамический эффект давления, температуры, осмоса и т.д. Как и другие способы влаготепловой обработки, экструзия направлена на улучшение питательных свойств исходного сырья и получение относительно высоких технологических показателей. В ее основе лежат два процесса: механохимическая деструкция, протекающая на всех этапах производства (характерная и для других технологий влаготепловой обработки), а также "декомпрессионный шок" или "взрыв", происходящий на выходе продукта из экструдера и довершающий его структурные преобразования.

Отличительная особенность конструкции экструдера от гранулятора — это наличие "ствола", в котором вращается наборный шнек (один или два), перемещающий кормовую смесь Конфигурация его "ребер" может быть различной.

Обычно процесс экструзии разделяют на следующие технологические зоны: загрузка, сжатие, гомогенизация и "собственно" экструзия

В зоне загрузки сырья изменений в продукте практически не наблюдается. Высокоэластичное состояние продукт приобретает в зоне сжатия. Здесь происходит значительное разрушение клеточной архитектоники продукта — структуры и текстуры его природных компонентов. В зоне гомогенизации продукт приобретает вязко-текучее состояние, при котором структурные преобразования биополимеров (белков, крахмала, клетчатки) достигают высокого уровня. Наиболее важные и основные изменения происходят в зоне собственно экструзии при быстром передвижении сырья из зоны высокого давления (16·105Па или 15,8 атм и более) в область атмосферного. При этом аккумулированная в продукте энергия высвобождается со скоростью, приблизительно равной скорости взрыва, и довершает структурные преобразования (разрыв клеточных стенок, деструкцию и гидролиз биополимеров). Здесь же происходит вспучивание продукта, резкое увеличение его объема и формирование пористой структуры.

 

В совокупности всех воздействий такая гидробаротермическая обработка сырья способствует множественному разрыву клеточных оболочек, изменению структуры крахмала и некрахмалистых полисахаридов, частично денатурации белка и изменению его фракционного состава, гибели микрофлоры, инактивации токсинов и, возможно, ряда других веществ. При этом меняются механические и физико-химические свойства сырья, увеличивается прочность сцепления частиц, происходит вспучивание продукта, в результате которого снижается удельная масса (плотность) продукта, и корма могут приобретать плавучесть.

В зависимости от технологических условий плотность экструдатов может варьировать в очень широких пределах — от 5 до 560 кг/м3. Поэтому с помощью экструдеров можно вырабатывать корма как плавающие, так и тонущие с различной скоростью. Как видно на рис.8 экструдат может иметь вид шариков, цилиндров с закругленными краями, трубочек типа макарон, колбасок, пластин, колечек и т.д. Форма экструдата определяется формой отверстий матрицы, конструкцией ножа и характером его работы. Согласно В. Афанасьеву [2002], существует несколько типов экструдеров, различающихся по параметрам обработки продукта.

В экструдерах, основанных на принципе кратковременного высокотемпературного воздействия, процесс протекает следующим образом:

  • на первом этапе проводится кондиционирование — обработка продукта паром при атмосферном давлении и относительно невысокой (66-99 °С) температуре;
  • на втором этапе достигается равномерное увлажнение всей массы продукта;
  • третий этап — обработка продукта в экструдере в тестообразном состоянии;
  • на четвертом этапе длительностью 10-20 с обеспечивается резкое повышение температуры до 110-205°С; этот этап является основным для формирования окончательных свойств продукта;
  • на заключительном этапе осуществляется выпрессовывание продукта сквозь фильеры матрицы и его формирование в виде готового экструдата.

В другом типе экструдеров, которые основаны на применении высокого давления, сырье подается в прессовую камеру при одновременной подаче пара под давлением от 0,2 до 0,8 МПа. На втором этапе обработка продукта в экструдере идет в течение 10 с. Готовый экструдат выпрессовывается сквозь матрицу и формируется в виде гранул (с последующей сушкой и охлаждением).

Третий тип экструдера — "сухой". Обработка сырья здесь осуществляется только за счет трения без применения пара или воды. Аппараты просты в эксплуатации и имеют невысокую стоимость. Производительность их невелика, а область применения достаточно ограничена. Обычно они используются в фермерских хозяйствах для обработки зерна или сои. Преимущество — могут работать в любых условиях, необходимо только наличие энергии для привода. Готовый экструдат не требует сушки, достаточно охлаждения при обычной температуре.

Большое разнообразие современных экструдеров можно свести к двум категориям — одношнековые и двухшнековые. Первые более просты и удобны в эксплуатации, менее энергоемкие. Вместе с тем двухшнековые конструкции позволяют осуществить более глубокую обработку продукта, обеспечивают переработку практически любого сырья и его композиций с получением продукта с заданными свойствами. Как правило, одношнековые экструдеры применяются при производстве комбикормов для сельскохозяйственных, домашних животных и рыб, двухшнековые — в пищевой промышленности, а также в кормопроизводстве для объектов аквакультуры.

Плотность получаемых гранул зависит от степени взрыва экструдатов и, соответственно, от рецепта комбикорма (в частности, соотношения крахмалистых и некрахмалистых компонентов и жирности продукта). Как правило, при использовании одношнековых экструдеров не представляет большой проблемы получить вспученные (плавающие) гранулы. В то же время зачастую не удается получить комбикорма со 100%-ной погружаемостью. В практике имеют место случаи, когда потребитель заказывает тонущие экструдированные корма, а при употреблении оказывается, что часть гранул тонет, а часть плавает. В отдельных хозяйствах это не имеет большого значения, однако в таких как тепловодные осетровые хозяйства бассейнового или садкового типа, с током воды плавающие гранулы выносятся из рыбоводных емкостей и теряются. Использование плавающих гранул в условиях прудовых карповых и садковых форелевых хозяйств также иногда не дает эффекта из-за выедания птицами.

 

Регулирование плотности экструдатов осуществляется путем подбора соответствующего технологического режима производства комбикорма на экструдере. В частности, регулируют количество и параметры подаваемого пара, ввод воды, температуру процесса в различных зонах ствола экструдера, в том числе за счет охлаждения рубашки, скорости прохождения материала, подачи жира.

Поскольку процесс экструдирования проводится при повышенной влажности кормосмеси экструдаты необходимо высушить, а затем охладить. Имеются как отдельные конструкции сушилок и охладителей, так и их комбинированные системы. Наиболее распространены горизонтальные агрегаты, в которых сушка экструдатов осуществляется на медленно движущихся сетчатых лентах при продувании горячим воздухом. В таких конструкциях экструдаты не деформируются, сохраняя свою форму. В зависимости от производительности и вида комбикормов сушилки могут быть одно- и двухэтажными. Температура экструдатов, вышедших из сушилки, составляет 50-60 °С, поэтому требуется их охлаждение до комнатной температуры. Влажность экструдированных комбикормов, как правило, должна составлять 7-8% (допускается до 12%).

При изготовлении комбикормов для рыб нормальный экструзионный эффект обеспечивается при выполнении следующих условий:

  • предварительного измельчения сырья до частиц размером не более 0,6-0,8 мм;
  • равномерного увлажнения кормосмеси паром и водой до достижения ею влажности на уровне 16-26% в зависимости от состава комбикорма, типа экструдера и требуемого качества конечного продукта;
  • тепловой обработки при высокой температуре под давлением в течение короткого периода.

Важнейшим эффектом экструзии, повышающим питательность кормового сырья, является клейстеризация (желатинизация) крахмала. Она начинается с поглощения гранулами (или зернами) крахмала небольшого количества воды. При этом гранулы немного набухают, сохраняя свою форму. Далее, с повышением температуры и давления сорбция воды резко усиливается. В результате образуется гомогенная масса с высокой вязкостью и клеящими свойствами. Одновременно происходит разрушение молекул крахмала, и образуются разноразмерные декстрины. При глубокой клейстеризации декстрины мельчают, распадаясь на большое количество сахаров различной молекулярной массы.

У оклейстеризованного крахмала резко повышается сорбционная емкость. Он приобретает способность поглощать не только много воды, но и много пищеварительных соков. Процесс ферментативного гидролиза крахмала в пищеварительном тракте значительно облегчается, что существенно повышает его доступность для организма животных.

Следует отметить, что высокая степень клейстеризации крахмала при обработке зерновых является обязательным условием для вспучивания экструдата [Афанасьев, 2002].

Деструкция лигно-целлюлозного комплекса и других некрахмалистых полисахаридов клеточных стенок растений происходит в зоне сжатия и в зоне экструзии при быстром передвижении сырья из области высокого давления в область атмосферного. Здесь, в зоне взрыва, осуществляются дальнейший разрыв клеточных стенок и гидролиз биополимеров, а также вспучивание продукта. В результате этих преобразований частично разрушенные некрахмалистые полисахариды становятся более доступными для пищеварения у сельскохозяйственных животных.

Параллельно с изменением свойств углеводов наблюдается изменение белкового комплекса, в частности улучшение переваримости белка в результате его денатурации [March, Hiokling, 1982]. По другим данным [Deacon et al., 1988], этот эффект на фоне рапсового и подсолнечного шрота не наблюдался. Описано и отрицательное воздействие экструзии на растворимость белка и доступность незаменимых аминокислот в зависимости от времени воздействия температуры и давления на сырье. Оно проявляется в нарушении структуры протеина корма, когда свободные ε-аминогруппы лизина вступают в химическую реакцию с восстанавливающими веществами (в основном с сахарами) и при этом понижается их доступность, или свободные карбоксильные группы белка взаимодействуют с амино- и оксигруппами, содержащимися в остатках других аминокислот, в результате чего образуются перекрестные связи, которые недоступны действию пищеварительных ферментов.

По данным Дамбера и Латвениекс [1972] и Плакаса с соавторами [Plakas et al., 1985], при воздействии на продукты высокой температуры, влажности и изменений pH содержание аминокислот (особенно лизина — одной из основных лимитирующих аминокислот в растительных белках) существенно уменьшается в результате взаимодействия свободных ε-аминогрупп с карбонильными группами восстанавливающих сахаров.

Данные о влиянии экструзии на качество жиров противоречивы. А. Кочеткова с соавторами [1987] указывает, что гидролитические процессы, протекающие в фосфолипидах в присутствии влаги, создают условия для образования мезофосфатидных форм свободных жирных кислот, что отрицательно сказывается на качестве продуктов. По ряду данных, при температуре 140-155 °С кратковременная экструзия сои не ухудшает качество масел, при 180-400 °С наступает их окисление. Переваримость жира после экструзии соевых бобов составляет 90% по сравнению с 73% при поджаривании. В наших исследованиях было отмечено отрицательное влияние экструзии на питательность липидов для рыб, выразившееся в окислении и разрушении высоконенасыщенных жирных кислот [Щербина и др., 1996а]. Некоторые исследователи [Debort-Laval, Mercier, 1976] также указывают на уменьшение содержания жировых веществ зерна и риса после экструдирования, что согласуется и с данными лаборатории отдела кормов ВНИИПРХа. Согласно им, при экструдировании комбикорма К-4М отмечено снижение содержания липидов с 3,7 до 0,9% [Гамыгин, 1985].

 

Существенный недостаток экструзии — разрушающее действие на витамины, резко снижающее питательные свойства комбикормов. Вопрос о деструкции витаминов в процессе гидробаротермической обработки в экструдерах крайне важен. Установлено, что в наибольшей степени экструзионной атаке подвергается витамин С, который разрушается на 40—60% (при сухом прессовании на 15-20%). Из других витаминов, которые нестойки к экструзии, выделяют витамины А, В1, В2, В6, К3, хотя считается, что добавка в корм антиокислителей и инкапсулирование препятствуют разрушению в экструдерах группы жирорастворимых витаминов. Для страховки в состав экструдированных комбикормов некоторые производители вводят удвоенную дозу поливитаминного премикса, однако это экономически неоправданно.

Воздействие экструзии на содержание и переваримость белков зерна злаков не было существенным. Увеличилась только переваримость сырого протеина кукурузы (на 11%). Однако резко повысилась (в 1,7 раза) доступность для рыб белка отрубей, что свидетельствует о благоприятном влиянии гидробаротермической обработки на растворимость белков оболочек, алейронового слоя зерна и зародышей. Резко снизилось относительное содержание сырого протеина гороха, что, по всей вероятности, произошло за счет разрушения летучих азотистых соединений.

В то же время сила положительного влияния экструзии была различной, что обусловлено в основном особенностями химического строения семян масличных, степенью разрушения антипитательных факторов, а также уровнем деструкции и модификации основных групп питательных веществ после обработки. После экструзии в химическом составе жмыхов и шротов обнаружена тенденция к снижению уровня протеина (исключение — рапсовый шрот) и липидов (в случае подсолнечного и горчичного). Четкие изменения в углеводистой части отмечены только для горчичного жмыха и подсолнечного шрота. Они выразились в повышении уровня лигниноподобных веществ. Для соевого и рапсового шротов отмечена только подобная тенденция.

В значительно большей степени влияние экструзии проявилось на уровне пищеварительных процессов. О денатурации белков, разрушении ингибиторов протеаз и других антипитательных факторов свидетельствует повышение переваримости сырого протеина шротов: соевого — на 10%, рапсового — на 7%. Слабое повышение переваримости белков подсолнечника и горчицы (на 3-4%) дает основание говорить только о последствиях денатурации белка и стабильности действия других антипитательных факторов.

В результате модификации лигноцеллюлозного комплекса и деструкции легкогидролизуемых углеводов возросла переваримость общей суммы углеводов - на 18% горчичного жмыха и на 54% соевого шрота

Судя по показателям переваримости зольных элементов, экструзия оказала благоприятное влияние на доступность минеральных веществ. В частности, это выразилось в снижении экскреции из организма эндогенных минералов (за исключением фосфора горчичного жмыха и соевого шрота). Описанные изменения привели к тому, что общее количество питательных веществ, извлекаемое рыбой из горчичного жмыха и подсолнечного шрота, возросло на 10-13% и на 30-39% — у соевого и рапсового.

Источник: «Кормление рыб в пресноводной аквакультуре», М. А. Щербинина, Е. А. Гамыгин, 2006