Формование пищевых продуктов

формование пищевых продуктов проводят в экструдерах путем размягчения или пластификации и придания им формы продавливанием через экструзионную головку, сечение которой соответствует конфигурации изделия. Экструдировать, что буквально означает «выталкивать наружу », можно различными способами.

Экструзия бывает холодной, теплой и горячей (варочной). При холодной – происходит только механическое формование пластического сырья в результате продавливания его через матрицу. Этот вид экструзии применяют при выработке мучных изделий, макарон, плавленых сыров, конфетных масс, мясного фарша и других продуктов. Теплую экструзию используют для частичной клейстеризации крахмалсодержащих материалов влажностью 20...30 % с последующей обжаркой или выпечкой. При горячей (варочной) экструзии во время нагревания (температура процесса обработки сырья превышает 100 ºС) в перерабатываемом материале происходят необратимые биохимические изменения, прежде всего, белков, крахмала и клетчатки. Этот процесс проводится при высоких скоростях и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепловую. Полученный таким образом экструдированный продукт затем сушат или обжаривают и покрывают вкусовыми добавками. Способом варочной экструзии получают сухие завтраки, хлебцы, сухие напитки, супы, мясопродукты, детское питание, гранулированные корма.

Применение двухшнековых (многошнековых) экструдеров в пищевой промышленности имеет значительное преимущество и гораздо большие перспективы перед одношнековыми.

Двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками, имеют перед одношнековыми преимущество лишь в лучшем перемешивании. Подобно одношнековым машинам они являются экструдерами трения и поэтому имеют те же недостатки, применяются в процессах холодной экструзии.

Необходимо отметить тенденцию производства экструдеров с использованием конических шнеков (рис. 6, а), это позволяет добиться ряда преимуществ перед традиционными цилиндрическими шнеками: возможность создавать большие давления, интенсифицировать перемешивания перерабатываемого продукта, повысить надежность и долговечность подшипникового узла экструдера. Из недостатков можно отметить только лишь сложность при изготовлении шнеков и корпуса экструдера.

Главным элементом конструкции шнекового экструдера является его рабочий орган – шнек. Шнеки бывают как цельными (рис. 6, а), так и наборными (рис. 6, б) с различной конфигурацией шнековых элементов.

Следующее достоинство экструдеров состоит в том, что высокотемпературная обработка ведется практически в герметичном объеме. Создать в нем температуру порядка 200 ºС несложно. Осуществлять экструдирование с давлением сжатия 10 МПа и более не представляет особого труда. При таком высоком давлении в экструдере возникают большие силы сдвига, благодаря чему появляется возможность, например, формовать волокнистую структуру из белков растительного происхождения (т. е. получать изделия, имитирующие мясо), что невозможно в условиях традиционной технологии тепловой обработки. Благодаря высокому давлению значительно сокращается время варки. Кроме того, когда в условиях такого давления на выходе профилирующего устройства давление резко падает до атмосферного, происходит разбухание, что позволяет осуществлять формовку вязких материалов. Перегретый пар буквально взрывает выдавленный материал, что приводит к увеличению его объема (вспучиванию). Процесс экструзии позволяет направленно изменять свойства и структуру перерабатываемого материала, обеспечивает непрерывность процесса, а также возможность подачи в обрабатываемый материал ароматизаторов, красителей, пластификаторов и вкусовых добавок.

Достоинство экструдеров состоит также в том, что они обеспечивают равномерность перемешивания в течение короткого промежутка времени.

Экструдеры позволяют за счет высокого давления, температуры, больших сдвиговых напряжений значительно уменьшить продолжительность технологических операций. При этом за счет совмещения нескольких операций сокращается продолжительность всего технологического процесса, что позволяет уменьшить трудоемкость и снизить энергопотребление.

Процесс варочной экструзии осуществляется следующим образом. Подготовленное исходное сырье в виде гранул или порошка из бункера/питателя через загрузочное отверстие поступает к шнеку, который перемещает его вдоль корпуса (рис. 7).

Продукт внутри рабочей камеры движется по сложной траектории, при этом увеличивается степень сжатия, которая определяется отношением площади рабочего канала к суммарной площади фильер на выходе продукта из профилирующей матрицы. Таким образом, в ходе процесса исходный крахмалсодержащий материал, подвергнувшись термомеханической деструкции, переходит из дисперсного сыпучего состояния в упруговязкопластичную массу (гель), характерную для крахмальных клейстеров высоких концентраций и денатурированных белков. Эти превращения происходят при действии на сырье, с необходимым количеством влаги (до 20 %), высоких температур (до 200 ºС) и давления (до 25 МПа). Нагревается продукт как в результате преобразования механической энергии рабочих органов машины в тепловую энергию (продукт, уплотняясь, прогревается за счет сил трения частиц о поверхности вращающихся рабочих органов и деформаций сдвига в самом продукте) – автогенный режим работы, так и вследствие дополнительного регулируемого нагрева от внешнего источника тепла, например, электрообогрева – политропный режим работы. Образующаяся масса перемещается шнеком к матрице и при определенном давлении выпрессовывается через ее отверстия.

Величина давления в значительной мере обусловлена сопротивлением отверстий матрицы, конфигурацией шнека и структурно-механическими свойствами обрабатываемой массы. После выхода продукта из отверстий матрицы в результате резкого перепада температуры и давления (между зоной высокого давления (~ 25 МПа) и зоной атмосферного давления) происходит мгновенное (1,2·10^-4 с) испарение влаги, аккумулированная продуктом энергия высвобождается со скоростью примерно равной скорости взрыва, что приводит к образованию пористой структуры и вспучиванию экструдата.

Теоретические основы

Процесса прессования

Сыпучий продукт уплотняется вследствие относительного смещения составляющих его частиц, а также в результате остаточных (необратимых) и упругих (обратимых) деформаций. В процессе уплотнения непрерывно изменяются структурно-механические свойства сжимаемого тела (рис. 10).

На первой стадии процесса уплотнения сближаются частицы, подгоняются их формы друг к другу. Из области высоких давлений частицы перемещаются в область более низких. Уплотнение происходит, главным образом, в результате изменения порозности частиц без значительного их деформирования. На этой стадии уже незначительное приращение давления приводит к заметному уплотнению обрабатываемого продукта.

Во второй стадии процесса происходят необратимые деформации - хрупкие и пластичные. Хрупкие деформации протекают с разрушением частиц, приводят к их более плотной укладке, а пластические - без разрушения частиц.

В третьей стадии преобладают упругие деформации, при этом даже значительные повышения давления приводят к незначительному увеличению плотности. Конечно, провести четкую грань между этими стадиями нельзя.

Следовательно, происходит сближение частиц, и в результате проявления сил сцепления образуются прочные агломераты. Сцепление частиц объясняется капиллярной, коллоидной, молекулярной и другими теориями. Наиболее распространена молекулярная теория, объясняющая сцепление отдельных частиц проявлением сил межмолекулярного взаимодействия. В процессе прессования частицы настолько тесно сближаются между собой, что силы межмолекулярного притяжения становятся весьма заметными. Капиллярная теория объясняет сцепление частиц действием сил капиллярного давления вогнутых менисков. Для этого необходимо достаточное количество влаги, заполняющей образовавшиеся капилляры между поверхностями частиц.

В начальный период (рис. 10) прессования до толщины брикета продукт сжимается без особых усилий (первая стадия прессования). Затем увеличение давления хотя и приводит к дальнейшему уменьшению высоты брикета, но этот процесс идет с затухающей скоростью (вторая стадия). Наконец, даже значительное повышение давления не приводит к сколько-нибудь заметному изменению высоты брикета. Она при снятии давления увеличивается до значения , и продолжает увеличиваться с течением времени до в результате проявления упругих деформаций и расширения запрессованного в продукт воздуха.

Показателем плотности брикета является коэффициент уплотнения

(32)

где - объем прессуемого продукта, м³; - объем брикета, м³.

Кроме того, процесс брикетирования характеризуется величиной относительного упругого расширения брикета

(33)

где - объем брикета, м³; - минимальный объем брикета при максимальном давлении, м³.

В процессе прессования необходимо стремиться к увеличению показателя и снижению . На показатели и оказывают влияние как условия процесса, так и физико-химические свойства прессуемых продуктов.

К числу первых относят давление прессования, продолжительность выдерживания продукта под давлением, кратность нагружения, температуру рабочих органов и материала, конструктивные особенности и техническое состояние рабочих органов. Среди второй группы факторов можно выделить химический состав продукта, его дисперсность, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, гигроскопические свойства, количество и свойства связующих веществ.

С увеличением давления прессования повышается плотность и прочность прессованных продуктов, большая продолжительность выдерживания продукта под давлением вызывает релаксацию напряжений в нем, снижение коэффициента упругого расширения брикета.

Важным фактором, влияющим на протекание процесса прессования, является температура продукта, т. к. она определяет состояние влаги и прочность ее связи с продуктом. Повышение температуры способствует миграции влаги, пластифицирует продукт, снижая величину показателя упругого расширения брикета . С повышением влажности увеличивается сцепление частиц, но избыток влаги препятствует их сближению.