Эффективность ингредиентов аквакорма при экструзии

Изменение рецептуры корма может потребовать повторной оптимизации процесса и замены оборудования
Изменение рецептуры корма может потребовать повторной оптимизации процесса и замены оборудования

Формулы водных кормов представляют собой сложную смесь ингредиентов, предназначенных для удовлетворения потребностей в питании целевого вида. Кроме того, что каждый ингредиент в формуле играет важную роль в количестве питательных веществ, которые содержит, каждый из них также взаимодействует с другими ингредиентами в процессе получения конечного продукта. В зависимости от условий обработки и используемых ингредиентов могут быть получены различные продукты, такие как плавающие или тонущие экструдированные корма.

Процесс экструзии

Экструзионное приготовление включает в себя применение механической энергии, обеспечиваемой сдвиговым и смешивающим действием шнеков экструдера. В ходе процесса смесь рецептур превращается из порошкообразной сыпуче-текучей муки в плотный, спресованный порошок. По мере повышения температуры и давления в последней секции экструдера происходит твердая фаза плавления, образуя так называемую жидкую фазу расплава. В последней секции экструдера вода, содержащаяся в расплаве, перегревается и находится в жидкой фазе.

Схематический вид одношнекового экструдера с его различными зонами показан на рис. 1. Первая секция — это зона подачи, где смесь рецептур добавляется в экструдер. Данная зона характеризуется наличием глубоких канальных винтов, предназначенных для подачи.

Рис. 1: Зоны одношнекового экструдера
Рис. 1: Зоны одношнекового экструдера

Следующая зона — это зона сжатия, с меньшим ходом, шнеками и меньшей глубиной канала. Цель состоит в том, чтобы начать подавать механическую энергию к смеси, тем самым инициируя процесс приготовления. В данной зоне материал начинает плавиться.
В конечной зоне расплавленные материалы превращаются в пластичный аморфный расплав, и именно здесь достигаются самые высокие давления и температуры. Шнековые элементы имеют еще более мелкие каналы и откачивают расплавленную фазу через матрицу. При выходе из матрицы расплав резко подвергается воздействию атмосферного давления, вызывая падение давления, которое превращает перегретую воду в пар и приводит к так называемому расширению (рис. 2).

Типичная формула корма для креветок содержит следующую категорию ингредиентов: источники белка (рыбная мука, мука из соевых бобов, мука из других морских субпродуктов); источники крахмала (пшеничная мука и рисовая мука); вода; жиры и масла (рыбий жир); клетчатка (в составе некоторых ингредиентов); и второстепенные ингредиенты, такие как витамины и минералы. Каждая группа ингредиентов влияет на конечный продукт и условия обработки. По мере изменения рецептуры ингредиентов необходимо учитывать, что условия обработки в экструдере также нужно изменить. В некоторых случаях требуется другая конфигурация шнека, чтобы приспособиться к радикальным изменениям формулы.

Рис. 2: Схема процесса расширения.
Рис. 2: Схема процесса расширения.

Белки

Белки образуются из цепочек аминокислот и, в зависимости от источника, могут иметь разные размеры и классифицируются в соответствии с их растворимостью следующим образом:

1. Растворимые в воде: альбумины;

2. Растворимые в солевом растворе: глобулины;

3. Растворимые в 40-процентном спирте: глиадины (часть пшеничной клейковины);

4. Нерастворимые в 40-процентном спирте: глютенин (часть пшеничной клейковины).

В процессе экструзии белки образуют дисперсную фазу внутри крахмальной матрицы. Под воздействием сдвигового усилия и температуры некоторые белки, в частности растворимые в воде, такие как альбумины, денатурируют и коагулируют. Однако, благодаря сдвиговому действию шнеков, белок растирается на очень мелкие частицы.

Белки из семян масличных культур, такие как соевый шрот и пшеница (клейковина), образуют вязкоупругое тесто, поскольку они гидратируются водой, но по мере увеличения сдвига под действием шнеков и других частиц, трущихся друг о друга, белки также расщепляются на более мелкие частицы. На рис. 3 показана фаза расплава белка в жидком состоянии, окружающая гранулы крахмала, которые не разорвались. Белки мышечного происхождения наоборот (рыбная мука, мука из мяса птицы и т.д.) более устойчивы к силе сдвига, чем белки из семян масличных культур, и могут сохранять тот размер частиц, который они первоначально имели при поступлении в экструдер.

Рис. 3: Фаза расплава белка и набухшие гранулы крахмала
Рис. 3: Фаза расплава белка и набухшие гранулы крахмала

В процессе экструзии шаровидные белки (мука из соевых бобов, пшеничная клейковина и т.д.) при обработке в условиях высокой влажности (> 35%), температуры, превышающей 140 градусов по Цельсию, давления и усиленного сдвига могут быть диспергированы с образованием непрерывного расплава. В таком состоянии белок текучий как жидкость, но при воздействии более низких температур поток становится ламинарным и происходит сшивание.

Если позволить белковой матрице непрерывно течь при низких температурах, она будет образовывать линии потока (перекрестные связи). Как только он выйдет из матрицы, вода испарится, оставляя небольшие пустоты внутри сшитой структуры. Следовательно, в зависимости от типа белка и условий процесса (вода, скорость шнека, конфигурация шнека) можно контролировать тип структурной целостности корма. Это имеет особое значение, если цель состоит в том, чтобы изменить свойства белка, такие как растворимость и общая физическая целостность.

Белки денатурируют в экструдере, и считается, что это улучшает их усвояемость, подвергая молекулы большему количеству участков доступа к ферментам. Денатурацию белка обычно измеряют на основе растворимости белка в воде или водных растворах. Более низкая растворимость свидетельствует о процессе высокого сдвига, при котором денатурируется больше белка. Однако для некоторых белков режим с большим сдвиговым усилием для денатурации не требуется, или они могут иметь низкую растворимость. Примером этого является пшеничный белок (глютен), который может быть денатурирован при низких скоростях вращения шнека.

Жиры

Подобно избытку воды, масла и жиры действуют как смазочные материалы между частицами и шнеками экструдера. Масло уменьшает трение между частицами в смеси, а также между поверхностями шнеков и вкладышем бочек. Если добавить масло (например, рыбий жир) в количестве более 2% от общего объема смеси, это приведет к расплавлению гранул крахмала, но они не будут диспергироваться. Это приводит к снижению температуры расплавленной фазы в последней секции экструдера, но с небольшим расширением или без расширения при выходе из матрицы.

В некоторых смесях для водных кормов с высоким содержанием белка и содержанием масла более 2% могут получаться продукты с очень небольшим расширением. Это может стать проблемой, если спецификация продукта для целевого вида требует, чтобы это был плавающий корм. В большинстве случаев диеты с высоким содержанием белка требуют минимум 8% крахмала для обеспечения достаточной насыпной плотности (< 550 грамм на литр). Таким образом, если в продукт необходимо добавить масло для удовлетворения энергетических потребностей, это должно быть сделано после процесса экструзии с помощью устройства нанесения покрытия. В рецептурах с высоким содержанием жира конфигурация шнека может быть изменена на более агрессивный или более высокий энергетический профиль для увеличения механической энергии и обеспечения плавучести экструдата. Масло можно добавлять в экструдер для контроля плотности продукта. Следовательно, манипулируя добавлением масла, можно получать тонущие или медленно тонущие корма. Однако, если масло добавляется для изменения плотности продукта, это следует делать в соответствии с целевой потребностью в энергии определенного вида. Масло, добавляемое в избытке для контроля насыпной плотности, может оказать существенное влияние на потребление и/или использование корма целевыми видами. Проблемой, связанной с добавлением жиров в экструдер, является их окисление, которое может повлиять на стабильность витаминов и другие органолептические свойства корма. Нет никаких доказательств того, что в экструдере происходит окисление липидов; однако прооксидантные материалы, которые попадают в смесь в результате износа шнека, могут вызывать окисление. Кроме того, возможно, что воздушные ячейки, образующиеся при расширении, способствуют процессу окисления.

Крахмалы

Крахмалы являются источником энергии в водных кормах, но также играют важную роль в качестве естественных связующих веществ и агентов для контроля плотности. Крахмалы содержатся в зернах злаков, картофеле и маниоке. Крахмал физически присутствует в злаках в виде небольших агрегатов полимерных молекул, известных как гранулы. Существует две физические формы крахмала: амилоза и амилопектин. Амилоза представляет собой линейный полимер из звеньев глюкозы с одной или двумя ветвями. Амилопектин, гораздо более крупная молекула, чем амилоза, представляет собой разветвленный полимер из звеньев глюкозы.

В процессе экструзии и в присутствии воды гранулы крахмала сначала гидратируются и набухают. В зоне сжатия крахмал набухает еще больше, и белок начинает образовывать расплавленную фазу. По мере того, как передается больше энергии, гранулы размягчаются и в конечном итоге разрываются, образуя непрерывную плавящуюся жидкость. Если применить больший сдвиг, молекулы крахмала еще больше расщепляются на более мелкие цепочки из звеньев глюкозы. Этот процесс известен как декстринизация. Сильно декстринизированный крахмал может стать проблемой для стабильности воды. Следовательно, если подача производится в условиях сильного сдвига, можно ожидать, что гранулы (тонущие или плавающие) быстро гидратируются и будут иметь плохую водостойкость (рис. 4).

Рисунок 4. Нативный крахмал и белок в зоне транспортировки или подачи (слева); крахмал и белок в зоне сжатия (справа)
Рисунок 4. Нативный крахмал и белок в зоне транспортировки или подачи (слева); крахмал и белок в зоне сжатия (справа)

Крахмал также играет важную роль в приготовлении плавающих кормов, поскольку при их изготовлении с ним достигается непрерывная фаза и расширение. В смесях с высоким содержанием белка для достижения плавучести корма требуется не менее 10% крахмала. Крахмал также помогает поддерживать целостность экструдата, когда он покидает матрицу, образуя непрерывную фазу с белком.

Клетчатка

Клетчатка в аквакормах содержится в большинстве злаковых, а некоторые составы могут включать отруби. Как и крахмал, клетчатка также представляет собой полимер из единиц глюкозы, но с другой связью между молекулами. Эта различная связь (β 1-4 в сравнении с α 1-6 для крахмала) является тем, что делает клетчатку неперевариваемой для большинства видов, за исключением бактерий, которые продуцируют фермент β-амилазу. Клетчатка не влияет на ввод механической энергии в экструдер и не очень хорошо расширяется. Частицы отрубей оказывают незначительное влияние при низкой концентрации (от 1 до 2%), но, когда уровни увеличиваются до более чем 6%, это может уменьшить расширение. Следовательно, смеси с высоким содержанием клетчатки могут давать экструдированные корма с плохим расширением, низкой плавучестью и плохой устойчивостью к воде.

Минералы

Минералы не изменяются в процессе экструзии, но некоторые из них могут способствовать увеличению образования пузырьков (участков зарождения) в дисперсной жидкой фазе расплава. Меньшие пузырьки увеличивают площадь поверхности и могут стать преимуществом при покрытии кормов маслом. Пористые поверхности на гранулах предпочтительны в новых системах нанесения покрытий вакуумного типа для достижения лучшего проникновения масла и уменьшения миграции масла из сырья в упаковочный материал.

Вода

В процессе экструзии вода содержится в ингредиентах или добавляется путем конденсации пара в устройстве предварительного кондиционирования или непосредственно в барабан экструдера. Когда вода добавляется в экструдер до уровня, превышающего 10%, биополимеры гидратируются и перемещаются более свободно. При высоком уровне вода действует как смазка и может уменьшить количество потребляемой механической энергии. Воду можно использовать для контроля плотности конечного продукта. Добавление воды в небольшом количестве приведет к повышению температуры в экструдере в результате ввода механической энергии (трения со шнеками, цилиндром и частицами). Когда вода добавляется в больших количествах, она действует как смазка, тем самым уменьшая количество потребляемой механической энергии.

При высоком уровне влажности продукт проявляет упругую отдачу, покидая матрицу. Это происходит потому, что экструдированный материал все еще остается пластичным и гибким для отскока до тех пор, пока не достигнет температуры стеклования (Tg). При более низком уровне влажности экструдированный материал очень быстро затвердевает или становится стекловидным, что приводит к образованию более крупных ячеек. Расширение, возникающее при низком и высоком уровнях воды, показано на рис. 5. Продукты, изготовленные с избыточным добавлением воды (> 30%), как правило, будут иметь более высокую плотность и в целом меньшие размеры (коэффициенты расширения), чем продукты, изготовленные с малым добавлением воды.

Рис. 5: Расширение при низком уровне воды (слева); упругое расширение при высоком уровне воды (справа)
Рис. 5: Расширение при низком уровне воды (слева); упругое расширение при высоком уровне воды (справа)

Перспективы

Формулы аквакорма должны быть разработаны таким образом, чтобы работать при оптимальном наборе параметров обработки для достижения желаемых свойств продукта при максимизации его питательной ценности и производительности экструдера. Незначительные изменения, внесенные в формулу, могут потребовать изменения параметров обработки или точной настройки процесса. Однако серьезные изменения, внесенные в рецептуру, могут потребовать повторной оптимизации процесса, которая может включать даже изменение профиля шнека. Важно иметь в виду, что не все составы кормов могут быть изготовлены с одинаковой конфигурацией шнека или одинаковым набором условий обработки.

——
www.globalseafood.org/

Раздел: Кормление рыб. Рацион, технологии, Оборудование для кормления


Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

������� Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: