Autor: dipl. ing. Radmilo Čolović

.

Uvod

Ekstruderi su u osnovi pužne pumpe kroz koje se materijal prisiljava da teče, uz jedan ili nekoliko tipova mešanja, zagrevanja ili smicanja, kroz matricu čiji je zadatak oblikovanje i/ili nadimanje i sušenje sastojaka. To je uređaj kojim se obavlja oblikovanje i restrukturiranje sastojaka hrane. Ekstrudiranje je vrlo prilagodljiva operacija koja se može primeniti u mnogim procesima obrade namirnica. Ekstruderi se mogu upotrebiti za kuvanje, oblikovanje, mešanje, teksturiranje i završno oblikovanje prehrambenih proizvoda pod uslovima koji pogoduju održavanju kvaliteta, uz veliku produktivnost i male troškove. Sada je dostupan veliki broj mašina za ekstrudiranje koje se mogu primeniti za dobijanje širokog spektra proizvoda, ali ćemo se mi uglavnom bazirati na objašnjenje jednopužnih “suvih ekstrudera”.
.

Terminologija suvih ekstrudera

Pojam “suvi ekstruder” označava poseban tip jednopužnih uređaja, koji su dizajnirani za obrađivanje celog sojinog zrna. Za ovu operaciju dodavanje vlage nije potrebno zbog visokog sadržaja ulja u sojinom zrnu, koje se ponaša kao lubrikant.

Skorija iskustva pokazala su da ovi uređaji mogu da efikasnije obrađuju celo sojino zrno ukoliko se vrši predkondicioniranje sa vodenom parom. Ovakva saznanja, zajedno sa ostalim skorijim istraživanjima koja su pokazala da ovi jednostavni ekstruderi mogu biti napravljeni u mnogo varijanti i da mogu biti još efikasniji u oblastima proizvodnje smeša za ishranu životinja (kao što su hrana za ribe ili hrana za kućne ljubimce) ukoliko se sirovine prekondicioniraju sa vodenom parom pre ekstruzije, dovela su do dogradnje parnih kondicionera u mnoge od ovih “suvih ekstrudera” i izazvali nejasnoće oko toga koja je razlika između “suvih” i “vlažnih/parnih” ekstrudera. Zbog toga je postalo malo zbunjujuće i dalje nazivati ove uređaje “suvi ekstruderi”. Ipak, uprkos činjenici da su skorija istraživanja dovela do toga da ovakav naziv možemo smatrati zastarelim mi ćemo ove jednostavne jednopužne uređaje nastaviti da zovemo “suvi ekstruderi” pošto je to postao njihov opšte prepoznatljivi naziv.
.

Primena suve ekstruzije

Ekstruderi su uređaji koji imaju veoma širok spektar primene. Mi ćemo ovde navesti nekoliko od brojnih primera mogućnosti primene:
.

Prerađivanje semena uljarica i mahunarki

Mnoga semena uljarica i mahunarke sadrže inhibitorne faktore koje sprečavaju njihovu upotrebu kao komponente hrane za životinje u sirovom stanju. Suva ekstruzija je odličan način inaktivacije ovih inhibitivnih komponenti omogućavajući upotrebljivost semena uljarica i mahunarki kao komponenata hrane za životinje. U osnovi, ovaj efekat inaktivacije zavisi od osetljivosti inhibitorne komponente na denaturaciju toplotom. Semena uljarica i mahunarke, koje mogu biti efektivno prerađene suvom ekstruzijom, obuhvataju: sojino zrno, seme lana, pasulj, grasak, kikiriki, sočivo, repicu, itd.
.

Prerađivanje ostalih komponenata hrane za životinje

Hranljiva vrednost cerealija i suvog skroba iz korena i stabla žitarica može se poboljšati ekstruzijom. Ovo je naročit slučaj kod ishrane mesojeda ili nerazvijenih svaštojeda (životinje sa krznom, mačke, psi, ribe, telad, prasići, ždrebad, itd.). Ekstruzija takođe može biti upotrebljena za preradu sastojaka koji imaju određene inhibitorne efekte kod ishrane stoke, kao što su ureazno-skrobne kombinacije.
.

Industrijski produkti

Ekstrudirani želatinozni skrob može se upotrebiti kao adheziv za papir, za povezivanje briketa, za zgušnjavanje, i kao učvršćivač peletirane hrane za životinje. Ekstruzija se takođe može upotrebiti u fermentacionoj industriji u cilju poboljšanja fermentacionih osobina nekih skrobova i u proizvodnji ekspandovanog biorazgradljivog materijala za pakovanje.
.

Kompletna smeša za ishranu životinja

Širok spektar specijalizovane hrane za životinje može se proizvesti postupkom suve ekstruzije. Ovo uključuje: hranu za kućne ljubimce, hranu za konje, hranu za laboratorijske životinje, hranu za životinje zoološkog vrta, hranu za ribe, hranu za prasiće, itd.
.

Hrana za ljudsku ishranu

Cerealije za doručak, teksturirani biljni protein, premazi za hranu, pekarski proizvodi i grisine mogu se proizvesti suvom ekstruzijom.
.

Prerada vlažnih organskih otpadnih produkata

Osobina suvih ekstrudera da sterilizuju i delimično dehidriraju materijale može se iskoristiti za reciklovanje materijala kao što su riblji otpadni produkti, otpadni produkti peradi, mesnih ostataka, otpadnih produkata u proizvodnji sira, itd.
.

Proizvodnja jestivog ulja

Suva ekstruzija ovde ima dve mogućnosti primene. Materijali kao što su rižne mekinje mogu se preraditi suvom ekstruzijom radi sprečavanja razvitka užeglosti denaturacijom enzima unutrašnje lipaze. Ovo daje prednost pri skladištenju ovakvih materijala u odnosu na konvencionalnu ekstrakciju ulja, sa manjom bojazni od degradacije kvaliteta ulja. Takođe, ekstrudiranjem materijala kao što je sojino zrno kapacitet proizvodnje ulja može biti znatno poboljšan. Ova tehnika je pogodna za male kapacitete opreme.
.

Uticaj ekstrudiranja na pojedine komponente hrane

Pre razmatranja kako se ekstrudiranjem mogu proizvesti gotovi proizvodi za ishranu životinja, korisno je posvetiti pažnju uticaju procesa ekskruzije na svaku od glavnih komponenata hrane za životinje ili na sirovine za njenu proizvodnju. Naglasak se daje na uticaj ekstruzije kuvanjem na glavne konstituente hrane za životinje, dok se uticaj hladne ekskruzije neće razmatrati.
.

Uticaj na skrob

Sirovi skrob dobijen iz cerealija i korena žitarica pojavljuje se u formi granularnih aglomerata molekula. Ove granule apsorbuju relativno malo vode na sobnoj temperaturi. Ipak, grejanjem u prisustvu vode granule skroba bubre, a zatim se raspadaju. Njegovi gradivni molekuli zauzimaju homogeniju i ređe pakovanu strukturu koja je u stvari gel. Ovaj gel ima veliki kapacitet adsorbovanja vode. Proces konverzije skroba od sirovog stanja do ovog želatinoznog stanja naziva se želatiniranje.

Ovaj proces se javlja uglavnom kod svih ekstrudera i generalno je veoma poželjan. Želatinizirani skrob ima izražene vezivne karakteristike i može da povezuje ostale konstituente u uniformno oblikovan finalni produkt. Takođe, želatinizirani skrob je digestibilniji od sirovog skroba, a i nutritivna vrednost skroba se povećava nakon ekstruzije.

U uslovima povišene temperatura i pritiska koji se pojavljuju unutar ekstrudera, jednom formirani gel će ostati u elastičnom viskoznom stanju dok god produkt ne izađe iz kalupa ekstrudera. U ovom trenutku iznenadni pad pritiska bi uzrokovao evaporaciju vlage produkta u okolnu paru i drastično povećanje zapremine produkta. Ovo izaziva naduvavanje elastičnog skrobnog gela koje će ostati trajno nakon hlađenja i sušenja gela (uz očekivano minimalno skupljanje), tako da prisustvo skroba u smeši sirovog materijala može poslužiti omogućavanje potencijala za proizvodnju ekspandovanog finalnog proizvoda.

Kapacitet vezivanja vode može da posluži kao empirijski test stepena želatiniziranja skroba. Ipak, potreban je oprez kod ovakvog ogleda jer pod pojedinim uslovima ekstrudiranja može da dođe do promene strukture skroba, poznatom kao dekstrinovanje.

Pod dekstrinizacijom možemo smatrati fazu posle želatiniziranja pri kojoj molekuli skroba počinju da se kidaju u manje molekule kao što je dekstrin. Ovi manji molekuli se rastvaraju u vodi radije nego što je apsorbuju. Normalno, ekstruzija na povišenoj temperaturi i u uslovima povećane vlage rezultuje razumnim nivoom želatiniziranja i niskim nivoom dekstrinovanja. Ukoliko se temperatura povišava, a stepen dodatka vlage smanjuje, i želatiniziranje i dekstrinovanje se povećava. Ukoliko se ovaj proces povišenja temperature i snižavanja pritiska nastavi doći će do tačke u kojoj je sav skrob želatiniziran, a jedan njegov deo dekstrinovan. Od ove tačke dalje se povećava dekstrinovanje, a količina želatiniziranog skroba počinje da opada jer se molekuli skroba raspadaju do dekstrina i drugih manjih molekula.

Efekat svega navedenog je da se kapacitet vezivanja vode i rastvorljivosti linearno povećava sa promenom parametara ekstruzije, sa povećanjem temperature i opadanjem vlage, dok se ne dostigne tačka u kojoj se rastvorljivost nastavlja dalje povećavati, ali adsorbtivni kapacitet počinje da opada. Ovde vidimo da se osobine ekstrudiranog skroba mogu menjati variranjem procesnih parametara.
.

Uticaj na proteine

U kontekstu ekstruzije u osnovi postoje dve forme proteina koje bi trebalo razmatrati:
denaturisani protein i nedenaturisani protein.

Denaturisani proteini su oni proteini koji su bili prethodno izloženi kuvanju do stepena pri kojem su neki od lanaca aminokiselina pokidani do pojedinačnih aminokiselina ili do kraćih lanaca (mesni obrok, riblji obrok, ekstrahovani sojin obrok). Ovi proteini nisu u mogućnosti da želatiniraju tokom ekstruzije, tako da oni ne doprinose vezivnim osobinama smeše sirovih materijala.

Nedenturisani proteini su oni proteini koji nisu prethodno bili tretirani. Njihove aminokiselinski lanci su neoštećeni i pod određenim uslovima ekstruzije oni mogu da formiraju gelove na isti način kao i skrob. Oni mogu da se ponašaju kao vezivni materijal i, u stvari, teksturisani biljni protein može se napraviti koristeći denaturisani protein kao praktično jedini sastojak. Nedenaturisani protein može u kompleksu sa skrobom da formira stabilan proizvod u odnosu na vodu. Pa ipak, ukoliko su uslovi ekstruzije preoštri, nedenaturisani protein će proći kroz stanje gela i vratiti se u inertno denaturisano stanje.

Često je poželjno pažljivo denaturisati protein ekstruzijom. Umereno raskidanje proteinske strukture poboljšava svarljivost. Takođe, neki proteinski sastojci inhibiraju normalnu svarljivost ili smanjuju životni vek proizvoda. Na primer, ureaza sojinog zrna je nepoželjan enzim koji se lako inaktivira ekstruzijom.

Pri ekstruziji materijala bogatih proteinima u prisustvu redukujućih šećera mogu se, interakcijom ove dve komponente hrane, formirati produkti Maillard-ove reakcije. Ovo može da utiče na smanjenje nutritivne vrednosti finalnog produkta.
.

Uticaj na vlaknaste materije

Ekstruzija ima mali uticaj na vlaknaste materije. Ipak, ukupna gustina vlaknastog sadržaja se povećava ekstruzijom. Ovo je verovatno posledica mehaničke akcije u ekstruderu pri kojoj se kidaju i kompresuju vlaknaste niti.

Ekstrudiranjem vlaknastih materija u prisustvu jakih baza, kao što je natrijum-hidroksid, može poboljšati svarljivost ovih materijala u kontekstu isharane preživara.
.

Uticaj na masti

Ekstruzija ima mali uticaj na masti, ali masti imaju važnu fizičku funkciju pri ekstruzionom procesu koja se ogleda u njihovoj osobini da se ponašaju kao lubrikant i da teže da ograniče ekspanziju.

Kada se masti ekstrudiraju u kombinaciji sa ugljenim hidratima, oni teže da formiraju slab kompleks koji smanjuje rastvorljivost masti u etru. Ovo se mora uzeti u obzir pri analizi ekstrudiranih masnih produkata tako što se mora primeniti kiselinska hidroliza masti pre konvencionalne determinacije. Formiranje skrob/mast kompleksa može biti poželjno jer se dobija produkt koji ima teksturalne i ukusne karakteristike koje ukazuju na niži nivo masti od stvarnog, a svarljivost masti nije promenjena.
.

Uticaj na minerale i vitamine

.
Ekstruzija nema uticaja na većinu materijala.

Vitamini A, C, tiamin, niacin i neki drugi su osetljivi na toplotu i deo ovih vitamina će biti uništen propuštanjem kroz ekstruder. Ovo se može preduprediti dodavanjem većih količina vitamina pre ekstruzije ili dodavanjem ovih vitamina posle ekstrudiranja.
.

Uticaj na aditive

Mnogi aditivi koji se dodaju u hranu za životinje kao što su arome, inhibitori plesni i ostali stabilizatori su osetljivi na uticaj ekstruzije. Na primer, aroma može biti narušena ekstrudiranjem tako što se formira totalno drugačiji ukus od onog koji smo nameravali da dobijemo i, u svakom slučaju, mnogo arome se ispere sa parom na izlazu i mašine.
.

Prerađivanje sojinog zrna ekstruzijom

.

Osnovni principi prerade sojinog zrna ekstruzijom

Od šezdesetih godina prošlog veka, kada se počelo sa upotrebom celog sojinog zrna u intenzivnoj animalnoj proizvodnji, došlo je do velikog povećanja u količinama proizvedene soje u svetu. Globalna proizvodnja soje u 1993-94. godini bila je preko 113 miliona tona sa SAD, Brazilom, Kinom i Argentinom kao najvećim svetskim proizvođačem. Iako je veći deo ove proizvodnje bio u oblastima dobijanja niza korisnih produkata, od margarina do mastila, značajan deo je korišten kao punomasna soja za ishranu životinja. Deo ovog povećanja u proizvodnji punomasnog sojinog obroka i njegove upotrebe je izazvan prepoznavanjem prave vrednosti ovog materijala kao koncenrovanog izvora nutritijenata.

Visoki energetski i proteinski sadržaj punomasnog sojinog zrna čini ga posebno korisnim za formulaciju visokonutritivnih smeša za intenzivnu stočarsku proizvodnju. Ukoliko se porede energetske vrednosti, zajedno sa svarljivošću masti i aminokiselina, punomasne soje sa smešom ekvivalentnih količina obroka od sojinog zrna i sojinog ulja uočljivo je da je veoma mala nutritivna razlika između njih, pa se stoga odluka za koju ćemo se od ove dve opcije odlučiti donosi na osnovu poređenja troškova.

Treba naglasiti da će tačan nutritivni sastav punomasnog sojinog zrna varirati u zavisnosti od sorte sojinog zrna, vremenskih uslova tokom uzgajanja i žetve i od primenjene procesne tehnike.

Pored visoko kvalitetnog proteina i visoke energetske vrednosti, punomasna soja je dobar izvor linoleinske kiseline (9%), lecitina (0,72%), i niza minerala od kojih je sumpor (2850 ppm) od posebnog značaja jer učestvuje u stvaranju hidrosulfidnih radikala koji omogućavaju stvaranje rezervi metionina u nekim metaboličkim procesima. Punomasno sojino zrno je takođe izvor niza vitamina od kojih je vitamin E od posebne važnosti zbog njegove uloge kao antioksidanta koji omogućuje očuvanje kvaliteta prerađenog punomasnog sojinog zrna.

Sirovo sojino zrno ne može biti upotrebljeno u većim količinama kod nepreživarskih dijeta zato što sadrži biološki aktivne antinutritivne faktore koji mogu da negativno da utiču na produktivnost i zdravlje životinja. Dva najvažnija od ovih faktora su proteaza inhibitori (tripsin i himotripsin) i hemogluteni. Sojino zrno takođe sadrži i lektine, ureazu, saponine, faktore inhibicije tiroidne žlezde, faktore koji izazivaju rahitis, alergenske faktore i metalo-helatne faktore, koji svi imaju negativan uticaj na životnjski organizam.

Srećom, mnogi od ovih anti-nutritivnih faktora su termolabilni, pa adekvatni termički tretman čini obrok od punomasnog sojinog zrna bezbedan za upotrebu u nepreživarskim dijetama. Iz tog razloga ulaganjem sredstava u toplotnu obradu dovodi do oktrivanja nutritivnog potencija ove vredne sirovine.

Suvi ekstruderi generišu toplotu i pritisak mehanički kao rezultat frikcionih i sila smicanja nastalih u bubnju ekstrudera. Adekvatna operativna temperatura je dostignuta na oko 130 do 150°C, i kombinacija ove temperature zajedno sa pritiskom je dovoljna za denaturaciju važnih antrinutritivnih faktora u sojinom zrnu i omogućavanje upotrebe takvog materijala za ishranu. Takođe, mlevenje materijala izazvano pužem ekstrudera može da poveća dostupnost nutritienata kidanjem ćelijskih zidova čime se oslobađa ulje koje je sada biološki dostupnije. Isto tako i lecitin i prirodni tokoferol u zrnu mogu biti oslobođeni ovim mlevenjem.

Ukoliko se sojino zrno izloži prevelikom pritisku i temperaturi može da dođe do trajnog oštećenja proteinske komponente, a time i smanjenja svarljivosti i dostupnosti nepreživarima. Stoga, ovaj proces mora biti pažljivo kontrolisan da bi se osigurala dovoljna količina toplote za denaturaciju antinutritivnih faktora, a sa druge strane izbegla previsoka temperatura koja bi dovela do oštećenja proteinske komponente.

Suvi ekstruderi mogu uspešno prerađivati soju bez dodatnog parnog kondicioniranja što može biti prednost u pogledu dostupnosti ulja. Ipak, upotreba parnog kondicionera u kombinaciji sa suvim ekstruderom povećava protok, poboljšava razaranje inhibitora i poboljšava biološku vrednost proteina u finalnom produktu.

Stepen razaranja tripsin inhibitora uslovljen je sadržajem vlage kao i temperaturom i vremenom trajanja procesa. Upotrebom suvih ekstrudera najveća redukcija u aktivnosti tripsin inhibitora (TIA) se javlja u opsegu temperatura od 138 do 150°C i sadržajem vlage u procesu od 20%. Skoro je nemoguće dostići ove parametre bez upotrebe parnih predkondicionera pošto se ubrizgavanje vode direktno u bubanj ekstrudera može uspešno izvesti samo ako se ubrizgava u jako ograničenim količinama tokom procesa prerade soje. Ovo je dovelo do toga da su mnogi korisnici suvih ekstrudera ugradili parne kondicionere u njihove uređaje u cilju pripomoći u proizvodnji punomasnog sojinog zrna. Podsticaj za ugrađivanje predkondicionera je pokrenut činjenicom da tako napravljen uređaj ima mogućnost da preradi i do 70% više soje nego ista takva mašina bez predkondicionera, habanje komponente bubnja ekstrudera je smanjeno za 20%, a skupljanje finalnog proizvoda, izazvano gubitkom vlage, u odnosu na polaznu sirovinu je eliminisano. Osim toga, stepen proteinske efikasnosti (PER- mera efikasnosti korištenja proteina iz hrane od strane životinja) punomasnog sojinog zrna generalno je veći za predkondicionirani materijal i lakše je napraviti fino teksturisani krajnji produkt ukoliko se koristi predkondicioner.

Uz pažnju tokom rada, punomasni sojin obrok može biti proizveden uz upotrebu parnog kondicionera, a bez obaveze dodavanja sušnice u proizvodnu liniju, pošto proizvod gubi vlagu i u matrici ekstrudera i tokom hlađenja. Ipak, mogućnost korištenja sušnice povećava fleksibilnost pri vođenju procesa i mogućnost dobitka proizvoda bolje održivosti.

Većina standardnih suvih ekstrudera se pravi tako da je brzina obrtanja glavne osovine oko 550 obrtaja/minuti (r.p.m.). Ova brzina obrtanja je idealna za opštu upotrebu gde se ekstruder koristi za razne svrhe, od cerealnog skroba do punomasnog sojinog zrna. Međutim, ukoliko se ekstruder koristi samo za obrok od punomasnog sojinog zrna potrebne su nešto veće brzine obrtanja (oko 620 obrtaja/minuti) u kombinaciji sa produženim trokomornim bubnjem što omogućava veće protoke bez narušavanja kvaliteta proizvoda.

Skorija istraživanja u Australiji pokazala su da se, kod ubrizgavanja vode u bubanj, efikasnost procesa veća kod ubrizgavanja tople vode (80°C i više), nego kod ubrizgavanja hladne vode.
.

Prednosti ekstruzije kao procesne metode

Na međunarodnom tržištu postoji niz različitih produkata koji se prodaju kao punomasni sojin obrok. Ovi produkti su napravljeni variranjem različitih procesnih parametara od kojih svaki od njih ima različit uticaj na nutritivnu vrednost proizvoda i njegov kvalitet u kontekstu nivoa antinutritivnih faktora. Sledeće operacije mogu se primeniti u proizvodnji punomasnog sojinog obroka: kuvanje/autoklaviranje, pečenje/tostiranje, tretiranje mikroniziranje, tretiranje mlazom vrelog vazduha (jet-sploding®) i ekstrudiranje (vlažno ili suvo).
.

Efikasnost procesa

Ekstruzija je kontinualan proces koji ima očigledne prednosti nad jednostavnim šaržnim procesima kuvanja, odnosno autoklaviranja. Takođe je i brži proces od kuvanja jer je kod kuvanja potrebno držati proizvod na temperaturi ključanja u trajanju od 30 minuta da bi se postigao odgovarajući nivo razaranja inhibitora.

Glavni parametri procesa prerade sojnog zrna, zajedno sa kvalitetom proizvoda i efikasnošću procesa, su vreme, temperatura, sadržaj vlage i stepen oštećenja potreban da omogući bolju svarljivost ulja. Ekstruzija je lako kontrolisan proces gde se temperatura, vreme (do određenog obima), sadržaj vlage i stepen fizičkog oštećenja mogu lako varirati. Ukupan rezultat toga je da se pravilnom upotrebom ekstruzionog procesa može dobiti visokokvalitetan proizvod.

Ipak, moraju se razmatrati i troškovi. Neke ekstruzione tehnike imaju manji kapacitet proizvodnje nego neke alternativne tehnike i mogu biti skuplje u pogledu energetskih ulaganja. Kada je ovo slučaj, troškovi moraju biti izbalansirani sa nutritivnom vrednošću proizvoda.

Generalno, troškovi električne energije po toni ekstrudiranog proizvoda mogu se smanjiti za 40% ukoliko se koristi predkondicioniranje. Ipak, dodatni troškovi proizvodnje vodene pare (oko 100kg/toni proizvoda) moraju se uvesti u proračun pri poređenju ova dva procesa. Takođe, trebalo bi imati u vidu da veći protok smanjuje cenu radne snage po toni dobijenog proizvoda.

Pouzdane cifre o uticaju svih procesnih alternativa na cenu bilo bi teško primeniti univerzalno s obzirom da troškovi električne energije, agrarni troškovi uzgajanja sirove soje i komparativna vrednost i dostupnost alternativnih nutritivnih izvora variraju u zavisnosti od lokacije. Ono što je evidentno je da je ekstruzija široko prihvaćena od strane pojedinaca ili kompanija kao prooizvodna tehnika.
.

Kvalitet proizvoda

Dve glavne determinante kvaliteta punomasnog sojinog obroka su retenciona vrednost azota in vivo (ona je pokazatelj stepena razaranja antinutritivnih faktora i stepena mogućeg razaranja proteina pregrevanjem) i dijetetska energetska vrednost.
.

Koekstruzija sojinog zrna sa ostalim leguminozama

Leguminoze, kao što je Phaseolus vulgaris, takođe sadrže antinutritivne faktore, kao što je tripsin inhibitor i lecitin. Ipak, za razliku od sojinog zrna, mnoga od ovih zrna različitih leguminoza nemaju visok sadržaj ulja, što može da oteža njihovu ekstruziju. Zajednička ekstruzija takvih zrna leguminoza zajedno sa sojinim zrnom omogućava lakšu ekstruziju i efektniju razgradnju inhibitora (Myer i Froseth, 1989.). Kao što je slučaj i sa čistom sojom (Cambell i sar. 1986.), dodavanje vlage takvim smešama zrnevlja (2 do 8% m/m) pre ili tokom prerade povećava efikasnost smanjenja aktivnosti tripsin inhibitora i lecitina (Myer i Froseth, 1989.).
.

Proizvodnja teksturisanog biljnog proteina

U skorije vreme veliki deo istraživanja i razvoja fokusiran je na proizvodnju teksturisanog biljnog proteina (TVP) kao analoga mesa na modifikovanim suvim ekstruderima sa specijalnim puževima, bubnjevima, matricama i parnim kondicionerima. To je rezultiralo razvitku proizvodnog procesa gde delimično odmašćeno i delimično denaturisano sojino brašno može biti konvertovano u odrezak teksture slične mesu koji je otporan na vlagu. Iako je glavna primena ovih produkata u proizvodnji hrane za ljudsku ishranu, od velike je važnosti i njihova primena u oblastima proizvodnje hrane za kićne ljubimce i vodootporne hrane za ishranu riba.
.

Poboljšavanje vlažnih organskih sporednih produkata suve ekstruzije

.

Ekstruzioni potencijal

U većini zemalja donose se sve rigoroznije zakonske mere koje se tiču odlaganja sporednih produkata animalne produkcije i industrije proizvodnje hrane. Pored problema i troškova koji se tiču bacanja ovakvog otpada dodatna stavka je i reciklaža ovakvog materijala.

Mnogi animalni sporedni produkti su potencijalno vredan izvor nutritijenata. Prečišćavanje je najšire korišteni proces poboljšanja, ali je oprema potrebna za njega najčešće prevelika i iziskuje velike kapitalne troškove.

Tretman otpada na bazi suve ekstruzije sada nudi jeftiniju alternativu manjeg gabarita u odnosu na konvencionalno prečišćavnje. Ovo je oblast primene gde klasični suvi ekstruderi dolaze na svoje. Ovde parni kondicioneri nisu potrebni. Takvi sistemi suve ekstruzije imaju potencijal u poboljšavanju kvaliteta sporednih produkata kao što su:

1. Ostaci riba/rakova: cele ribe, riblje kosti, krljušt, glave, itd.
2. Sporedni produkti peradi: cele kokoške, otpad od izleganja, iznutrice, glava, perje.
3. Otpadni produkti klanica: iznutrice, svinjske dlake, krv.
4. Ostaci proizvodnje hrane: otpad proizvodnje sira, otpadni produkti perkarske industrije, otpadni produkti konditorske industrije.

.

Principi obrade vlažnog otpada

.

Prednosti ekstruzije

Tolota i para generisane u suvom ekstruderu imaju kapacitet inaktivacije bakterija (i gram pozitivnih i gram negativnih), kao i plesni i virusa. Ekstruzija se pokazala u značajnoj redukciji količine nekih bakterija i egzotoksina gljiva. Ipak, moraju se dostići odgovarajuće temperature i pritisci tokom procesa ekstruzije i mora se izbeći kontaminacija u periodu nakon ekstruzije. Stoga, ekstruzija može da služi za sterilizaciju otpadnog materijala.

Tokom rada ekstrudera veliki deo unutrašnje vlage proizvoda se gubi u atmosferu kao para. Ovo je posledica visokih temperatura koje se javljaju tokom procesa u kombinaciji sa stalnim padom pritiska izlaskom materijala iz ekstrudera. Stoga, ekstruzija može takođe da služi za dehidrataciju materijala.

Pošto je materijal koji prolazi kroz ekstruder izložen dejstvu temperature u ograničenom trajanju (manje od 30 sekundi), u poređenju sa vremenom boravka potrebnom u konvencionalnom šaržnom ukuvaču (do 1h i više) ekstruzija izaziva manja oštećenja nutritijenata kao što je aminokiselina lizin, što rezultuje većom biološkom vrednosti finalnog proizvoda.
.

Ograničenja

Samo se do 50 % ukupnog sadržaja vlage materijala koji se prerađuje izgubi na izlasku iz uređaja. Suvi ekstruderi generišu toplotu kao kao rezultat sila trenja i smicanja i jako je teško postići adekvatnu temperaturu procesa ukoliko je ukupan sadržaj vlage materijala koji ulazi u mašinu veći od 30%. Visoki sadržaj masti može takođe da stvori probleme. U praksi, da bi bi napravili stabilan finalni produkt početni sdržaj vlage mora biti ispod 22-24%.
.

Procesna tehnika

Proizvodni proces može se raščlaniti na sledeće faze:
.

Skladištenje sirovina i njihova priprema

Većina animalnih otpadnih produkata se kvari veoma brzo. Posledica toga je da je potreban neki od metoda stabilizacije pre ekstruzije. Postoje dve mogućnosti za stabilizaciju ovih otpadnih produkata. To su stabilizacija i enzimsko varenje.

Sa metodom zamrzavanja, ulazni materijal skladišti na hladno pre upotrebe. Ukoliko je potrebno sitnjenje, savetuje se da je bolje da se usitnjeni materijal skladišti na hladnom pre uporebe, nego da se odmrzava, pa onda usitnjava pre prerade. Ovo se radi zbog toga što se sitnjenjem drastično podiže temperatura i inicira proces kvarenja koji će nastupiti ubrzo nakon toga. Sitnjenjem ubrzo nakon hlađenja ovaj problem je izbegnut.

Sitnjenje je potrebno za materijale kao što su sporedni produkti peradi, riblji komadići, komadići mesa, ljuske od jaja, glave od rakova i njihove ljušture. Za otpadne produkte peradi i komadiće mesa potreban je usitnjavač od 50KS, sa podešenim promerom ploče od 5mm. Za ljuske jaja i otpadne produkte rakova potreban je promer ploče od 2mm.

Sa metodom enizmatskog varenja, materijali kao što su perje i životinjske dlake zahtevaju predtretman da bi se postigla odgovarajuća svarljivost finalnog proizvoda. Protein u ovim materijalima je prisutan u obliku keratina. Enzimi mogu biti upotrebljeni da bi se raskinule disulfidne veze u ovoj smeši, čime se dobija biološki dostupniji protein. Ovo se postiže tako što se steriliše vlažno sirovo perje ili dlaka, a zatim dodaju enzimi u vreli kotao sa mešanjem da bi se razorio keratin. Rezultujući produkt je tečan i može biti pasterizovan i konzervisan upotrebom kiselina ili bakterija koje produkuju kiseline .

Komadići mesa, riba i iznutrice mogu takođe biti predprocesirani i konzervisani upotrebom enzima i bakterija koje produkuju kiseline. Ovaj metod nudi pouzdan način za separaciju mesa od kostiju. Materijal je samleven propuštanjem kroz ploču od 10mm i zatim tretiran sa enzimskim rastvorom i držan u vrelom kotlu sa mešanjem u trajanju od 5 do 24h. Na isteku ovog vremena kosti se mogu ukloniti prosejavanjem, ulje se može dekantovati, a finalni tečni protein može biti pasterizovan i konzervisan kiselinama ili bakterijama koje produkuju kiseline.
.

Uklanjanje vode

Od velike važnosti je da uočimo da uklanjanje vlage postaje progresivno teže opadanjem vlage materijala. Ekstruzija je veoma dobar način uklanjanja poslednjih 10% vlage, koje je najteže ukloniti iz materijala, ali nije odgovarajuća tehnika za uklanjanje velikih količina vode. Posledica toga je da se sadržaj vlage nekih materijala, kao što su voćna pulpa i samlevena riba, mora redukovati pre ekstruzije centrifugiranjem ili presovanjem. Sušnica se takođe može koristiti pod određenim okolnostima.
.

Mešanje sa materijalima koji imaju sposobnost isušivanja

U normalnim uslovima poželjno je postići sadržaj valge manji od 22% u materijalu koji se propušta kroz ekstruder. Da bi se ovo postiglo često je neophodno mešati vlažan otpadni materijal sa materijalima koji imaju sposobnost isušivanja da bi se proizvela homogena smeša sa podesnim sadržajem vlage.

Obroci od biljnih proteina, kao što je obrok od sojinog zrna, su najkorisniji kao materijali koji imaju sposobnost isušivanja.Cerealije i ostali materijali bogati skrobom su manje podesni. Razlog za ovo je to što cerealije teže da povezuju materijal u pelete koje ekspanduju na izlazu iz matrice ekstrudera. Vlaga tada biva zarobljena u ekspandovanom materijalu i nema mogućnost da bude uklonjena u vidu pare.

Ponekad se bentonit dodaje u smešu da stvori dodatni otpor u bubnju ekstrudera, što izaziva porast temperature procesa. Ovo posebno slučaj kod visokog nivoa masti.

Horizontalne trakaste mešalice od nerđajućeg čelika su u globalu podesne za mešanje.
.

Ekstruzija

Transportna oprema između miksera i i usipnog koša eksatrudera trebalo bi da bude od nerđajućeg čelika. Za napajanje ekstrudera preporučuje se upotreba usipnog koša sa pomičnim dnom sa temperaturom od 150°C. Preporučuje se upotreba poklopca na izlazu iz ekstrudera za paru nastalu tokom procesa ekstruzije.
.

Hlađenje/Isušivanje

Materijal na izlazu iz ekstrudera mora da se do temperature koja se razlikuje od sobne za 5 do 10°C pre pakovanja. Ukoliko je početni sadržaj vlage u smeši sirovog materijala iznad 22%, tada je potrebna ugradnja postekstruzione sušnice.
.

Kontrola kvaliteta

Zbog različite prirode većine otpadnih materijala, veoma je poželjno ispitati kvalitet finalnog proizvoda, sa naglaskom na vlagu i nutritivne karakteristike proizvoda, pre konačne ocene. Mikrobiološka analiza je takođe poželjna.
.

Primena

Postoji veliki spektar primene ove tehnike. Suplementi proteina/masti, sirovine hrane za životinje i svi finalni produkti mogu biti proizvedeni upotrebom kombinacija raznih otpadnih materijala i isušivajućih agenasa. Nekoliko različitih otpadnih produkata mogu se kombinovati (npr. Krv, perje i iznutrice) za dobijanje specifičnog proteinskog koncentrata. U ovom kontekstu, ne treba zanemariti ulogu isušivajućih agenasa. Npr. perje sadrži veliku količinu aminokiselina sa sumporom, metionina i cisteina, ali ima nizak sadržaj lizina, dok je obrok od sojinog zrna bogat lizinom, a ima nizak sadržaj ove dve aminokiseline, tako da je kombinacija ova dva materijala sinergična.

Može biti veoma isplativo ukoliko se za finalni produkt, kao što je hrana za ribe ili hrana za kućne ljubimce, koristi vlažni otpad kao jedna od polaznih sirovina. Pošto je ekstruzija neophodna, tretman otpada ne pretstavlja dodatni trošak procesa. Ipak, mora se imati u vidu da je dehidratacioni kapacitet ograničen sklonošću produkta ka ekspanziji.
.

Prozvodnja ekstrudirane hrane za akvakulture

.

Potencijal ekstrudiranja

Proizvodnja hrane za akvakulture je sektor globalne industrije hrane za životinje koji se najbrže razvija. Iako se velike količine hrane za akvakulture i dalje proizvod konvencionalnim postupkom peletiranja, ekstruzija se koristi u sve većem obimu i ima nekoliko prednosti nad peletiranjem:

• Može se kontrolisati brzina tonjenja, pa se tako može proizvesti plutajuća i sporotonuća hrana;
• Ekstrudirana hrana može obično imati veći sadržaj masti od peletirane;
• Za mnoge životinjske vrste ekstrudirana hrana povećava dostupnost ugljenih hidrata;
• Ekstruzija potpomaže destrukciju mikroorganizama i nekih kontaminanata;
• Ekstrudirane pelete generalno imaju veći fizički integritet i manje se otiru;
• Pod određenim okolnostima kod ekstrudiranih peleta postiže se veća stabilnost u odnosu na vodu;
• Vlažni materijali kao što su sveža mlevena riba mogu se lako inkorporirati u ekstrudirani proizvod.

Gore navedeni faktori pokazuju da se ekstrudirana hrana efikasnije koristi, što povećava stepen konverzije hrane i smanjuje zagađenje vode. Uprkos svim ovim prednostima treba imati u vidu da je proces ekstruzije skuplji od procesa peletiranja i da je za neke vrste kao što su škampi diskutabilno koja tehnologija je podesnija. Skorija istraživanja sa škampima ukazuju na to da je suva ekstruzija podesna za procese manjeg kapaciteta (izlazni protok manje od jedne tone po satu).
.

Sirovine

Osnovne sirovine za proizvodnju većine tipova ekstrudirane hrane za akvakulture su:

• Žitarice (kukuruz, pšenica, itd.)
• Sporedni produkti proizvodnje žitarica (kukuruzni gluten, pšenični gluten, itd.)
• Riblji obrok
• Obrok od lignji
• Obrok od škampa
• Mesni obrok
• Krvni obrok
• Obrok od otpadnih produkata peradi
• Obrok od sojinog zrna
• Obrok od punomasnog sojinog zrna
• Ostali obroci od biljnih proteina
• Masti i ulja (uključujući riblje ulje)
• Vitaminski i mineralni premiks
• Soli i stabilizatori
• Vezivne materije

Ova iscrpna lista trebalo bi da ilustruje da su sirovine koje se koriste slične sirovinama u proizvodnji ostalih tipova hrane za životinje.
.

Proizvodnja

Proizvodnja hrane za akvakulture je kompleksnija nego konvencionalna proizvodnja hrane za životinje. Čvrstoća, veličina, održivost i stabilnost u vodi moraju se uzeti u proračun. Proizvodni proces može se razložiti u sledeće faze:

.

Odabir sirovina i njihovo skladištenje

Selekcija sirovina je kritična tačka u uspešnoj proizvodnji hrane za akvakulture. Materijali kao što je riblji obrok su veoma raznovrsni i važno je odabrati materijal najboljeg kvaliteta. Takođe, riba je jako osetljiva na kontaminante kao što su aflatoksini i ostaci pesticida. Stoga su adekvatne analize kvaliteta proizvoda od velikog značaja.
.

Sitnjenje

Za proizvodnju hrane za ribe i škampe potrebmo je dobiti veoma sitne čestice (250 do 300 mikrona za riblju mlađ i škampe). Verovatno najbolji način da se ovo postigne je da se prethodno usitne cerealne i leguminozne komponente i da se onda grupišu i spoje sa većinom ostalih sastojaka pre ponovnog sitnjenja kroz finije sito i ponovnog mešanja. Usvojena je strategija dodavanja vitamina po kojoj se oni dodaju u drugoj fazi mešanja da bi se izbegla njihova delimična destrukcija. Tečnosti takođe treba dodati u drugoj fazi mešanja.
…

.

Grupisanje i mešanje

Sirovine treba grupisati po težini i temeljno izmešati.
.

Ekstrudiranje

Operacija ekstrudiranja zahteva spretnost. Spretnost rukovaoca uređajem je jedna od primarnih determinanti karakteristika finalnog proizvoda. Na primer, brzina tonjenja i tekstura mogu se fino podesiti na razne načine manipulacijom ekstruzionog procesa i samo je rukovaoc u poziciji da uradi ovo on-line. Adekvatna obuka i prepoznavanje važnosti uloge rukovaoca je neophodna. Načini na koje se mogu varirati karakteristike procesa variranjem formulacije i procesnih uslova biće objašnjeni detaljnije u sledećem poglavlju.
.

Hlađenje/Sušenje

Oprema za hlađenje/sušenje mora biti usklađena sa tipom ekstruzionog uređaja koji se koristi. Upotreba odvojenih operacija hlađenja i sušenja omogućuje presvlačenje mastima u međufazi procesa, što je idealno, ali većina proizvođača pravi kombinovani uređaj koji onemogućuje tu međufaznu operaciju. Skorija istraživanja u oblastima hlađenja i sušenja uključuju proizvodnju uređaja sa promenjivim protokom koji zahteva minimalan prostor u proizvodnoj liniji.
.

Sitnjenje

Širok spektar veličina čestica se proizvodi za razne životinjske vrste. Sitniji materijal se, upotrebom usitnjivača, proizvodi za proizvodnju ekstrudiranih peleta. Najčešće se materijal propušta kroz set valjaka za sitnjenje, a zatim se sortira po veličini, pri čemu se najkrupnije i najsitnije čestice uklanjaju i vraćaju na doradu. Ukoliko je potrbno dobiti veoma sitne čestice ceo proces se može ponoviti upotrebom sledećeg seta valjaka i sita.

Ukoliko je dodato previše masti u smešu čestice proizvedene u ekstruderu mogu biti previše guste ili mogu imati manji vek trajanja. Takođe, neki vitamini, posebno vitamin C, se degradiraju ekstruzijom. Iz ovih razloga dodatno ulje i usitnjeni vitamin C se dodaju posle ekstruzije. Presvlačenje uljem daje peleti stabilnost u odnosu na vodu i poboljšava ishranu.
.

Pakovanje

Proizvod se najčešće prenosi do skladišta i poželjno je da se proseje još jednom pre pakovanja. U ishrani akvakultura potrebne su veoma sitne čestice i čestice odbačene prosejavanjem u ovoj fazi presvučene su mastima, pa treba voditi računa da se ne mešaju sa materijalom iz normalnog ekstruzionog procesa.

.

Finalna provera kvaliteta

Poželjno je proveriti kvalitet proizvoda pre distribucije.
.

Podešavanje brzine tonjenja i stabilnosti u vodi hrane za akvakulture manipulacijom procesa i varijacijom sastava

.

Brzina tonjenja

Za proizvodnju pelete za ishranu životinja veličine 4-6mm koja pluta kada se stavi u vodu potrebno je dobiti finalni proizvod gustine oko 550g/l ili manje. Produkt gustine iznad 650g/l teži da tone, a između 550 i 650g/l postignuta je delimična flotacija ili sporo tonjenje. Ove vrednosti gustina se razlikuju za različite veličine peleta.

Gustina čestica se podešava variranjem stepena ekspandovanja. Ekspandovana peleta se može proizvesti ukoliko je u sastav uključen skrob. U normalnim uslovima, što je veći sadržaj skorba lakše će se proizvesti ekspandovana peleta koja ima svojstvo da pluta. U praksi je potrebno oko 20% skroba ili više da bi se dobila ekspandovana peleta. Pirinačani i krompirov skrob lakše ekspanduju od kukuruznog i pšeničnog. Fino sitnjenje skroba potpomaže želatiniranje i ekspanziju.

Masne materije u proizvodu teže da onemoguće ekspanziju, jednim delom zbog toga što se ponašaju kao lubrikant, a jednim delom zbog stvaranja kompleksa sa skrobom čime se inhibira formiranje gela. U praksi se preporučuje da se nivo masti u ekstrudiranoj smeši drži na vrednosti od 6% i manje ukoliko se želi dobiti peleta koja pluta. Ukoliko je iz nutritivnih razloga potrebno napraviti peletu većeg sadržaja masti onda bi trebalo mast dodati u vidu spreja nakon ekstruzije.

Ekspanzija koja se javlja pri ekstruziji je izazvana vlagom zarobljenom u smeši koja teži da pređe u okolnu paru kada proizvod napušta matricu. Jedan gram vode zagrejane na 150°C će stvoriti oko 385cm³ pare. Ovo izaziva bubrenje elastičnog skrobnog gela koji nakon sušenja očvršnjava. Ukoliko je sadržaj vlage u smeši previsok (25% i više) onda će ekstrahovani skrobni gel teže da očvrsne i težiće da kontrahuje. Pri ovakvim uslovima stvara se tvrdokorna peleta sa veoma gustim punjenjem koja teži da tone. Da bi zadržali peletu u ekspandovanom stanju i sprečili skupljanje potrebno je ekstrudirati materjal sa nižim sadržajem vlage (20-25%).

Generalno, debele matrice teže ka redukovanju stepena ekspanzije finalnog proizvoda, zbog toga što materijal ima prostora da ekspanduje longitudinalno u matrici, pa su zbog toga one pogodne za stvaranje hrane koja tone (za ishranu škampa), dok su tanke matrice pogodnije za plutajuću hranu.

Ukoliko je veći stepen poroznosti na matričnoj ploči (ukoliko se koristi više rupa ili su rupe veće) postiže se manji stepen ekspandovanja usled pada pritiska u unutrašnjosti ekstrudera. Normalna vrednost pritiska suvih ekstrudera je od 25 do 40 bara. Veći pritisak izaziva veći stepen ekspanzije.

Iako se plutajuća hrana za ribe može proizvesti u suvom ekstruderu bez parnog kondicioniranja proces proizvodnje može biti težak, spor, uz veliku potrošnju energije i nemogućnost menjanja formulacije smeše. Parni kondicioner znatno poboljšava proces. Preporučuje se ugradnja parnog kondicionera u proizvodnji plutajuće hrane za ribe.

U skorije vreme su proizvedeni dvolopatasti parni predkondicioneri u svrhu suve ekstruzije. Ovi predkondicioneri imaju veće veme boravka proizvoda u kondicionoj komori čime se pomaže maksimalna i uniformna penetracija vlage. Takvi predkondicioneri su idealni za proizvodnju hrane za akvakulture.

Za proizvodnju plutajućih peleta potreban je prilično visok sadržaj vlage finalnog proizvoda. Ovakav proizvod potrebno je sušiti da bi se stabilizovao.
.

Stabilnost u vodi

Ukoliko je skrob ekstrudiran na visokim temperaturama i ukoliko je imao visok sadrzaj vlage doci će do velikog stepena dekstrinizacije i produkt će težiti da se rastvara u vodi. Da bi se postigla stabilnost potrebno je ekstrudirati proizvod sa sadrzajem vlage od 20 do 25% i na temperaturi od oko 120°C.

Pšenični gluten je idealan vezivni materijal koji omogućuje stabilnost u vodi. Međutim, treba imati u vidu da se gluten ponaša kao vezivni materijal zbog toga što je on nedenaturisani protein. Ukoliko se ekstruzija izvodi na previsokim temperaturama gluten će biti denaturisan i izgubiće vezivna svojstva pre nego što se formira peleta. Najbolje je ekstrudiranje pri većoj vlažnosti i nižoj temperaturi.

U skorije vreme proizvedena je hrana na bazi kazeina koja je stabilna u vodi. Stabilnost ovih proizvoda zavisi od formacije polimera koji može negativno da utiče na svarljivost kod mnogih akvakultura.
.

Zaključak

Ekstrudiranje je operacija koju usvaja sve više kompanija za proizvodnju hrane za životinje. To je operacija kojom je prilično teško ovladati. Kvalitet proizvoda u velikoj meri zavisi od veštine rukovaoca uređajem za ekstrudiranje, tako da je, ukoliko neka kompanija razmišlja o kupovini ovakvog uređaja, potrebna odgovarajuća obuka u cilju osposobljavanja za rad na njemu. Preporuka proizvođačima da osim opreme obezbeđuju i tehničku podršku.

U poslednjih nekoliko godina zapaža se velika brzina tehničkog razvoja u industriji hrane za životinje. Ova promena i napredak je globalan proces koji je doveo do povecanja stepena kooperacije među kompanijama različitih država, tako da ukoliko želimo tehničku ekspertizu iz oblasti ishrane škampa treba da je potražimo u državama Azije, ukoliko želimo tehničku ekspertizu u proizvodnje hrane za kućne ljubimce treba da je potražimo u Evropi ili Americi, a, ukoliko želimo da dobijemo savet o ishrani tropskih preživara, u Australiji. Prednosti međunarodne saradnje su evidentne i neophodne.
.

Literatura

1. Cambell, R.D., G.E. Combs, C.E. White, 1986. The effect of increasing the moisture content of whole soybeans prior to roasting at varying heat treatment on performance on weaning swine. Florida Agric. Exp. Sta., Dept. Anim. Res. Rep. AL-1986-5, Gainsville, Fla.
2. Mian N.R.: Extruders in Food Application, 1-2, Texas, U.S.A., 2000.
3. Myer, R.O., Froseth, J.A., 1989. Extruded bean mixtures serve as protein in swine, chicks diets. Feedstuffs, March 27., Vol 61, No. 13, 1989.
4. Schaaf Technologie GmbH: Basics Extrusion, 1995.
5. Woodroofe , J.M.: Dry Extrusion Applications in Feed Industry, Woodend, Victoria 3442, Australia, 1-14.