اکستروژن یکی از مهمترین فناوریهای فرآوری مواد غذایی است که طی چند دهه گذشته از یک روش ساده شکلدهی به یک فرآیند پیچیده ترمومکانیکی (Thermomechanical Processing) تبدیل شده است. در این فناوری، ماده اولیه تحت تأثیر همزمان عواملی مانند حرارت، فشار، رطوبت، برش مکانیکی و زمان ماند قرار میگیرد و در نهایت از یک قالب با هندسه مشخص عبور میکند. ترکیب این عوامل میتواند ساختار فیزیکی و شیمیایی اجزای ماده غذایی را در مدت زمانی کوتاه بهطور قابل توجهی تغییر دهد.
امروزه اکستروژن در تولید طیف گستردهای از محصولات غذایی از جمله غلات صبحانه، اسنکها، پاستا، محصولات فوری، غذاهای کودک، آردهای پیشپخته، محصولات با پایه حبوبات و پروتئینهای بافتدار گیاهی مورد استفاده قرار میگیرد. اهمیت این فناوری در آن است که برخلاف بسیاری از روشهای سنتی، عملیات اختلاط، انتقال، پخت، شکلدهی و بافتدهی میتواند در یک سیستم پیوسته انجام شود.
از دیدگاه علمی، آنچه اکستروژن را به فرآیندی منحصربهفرد تبدیل میکند، تنها افزایش دما نیست؛ بلکه برهمکنش همزمان انتقال حرارت و جرم، فشار، برش و تغییرات رطوبت است که موجب تغییر ساختار مولکولی نشاسته، دناتوراسیون پروتئین، ذوب و جابهجایی لیپیدها و در نهایت ایجاد ساختار جدید در محصول میشود.
اکستروژن چگونه انجام میشود؟
در یک اکسترودر معمولی، ماده اولیه ابتدا وارد بخش تغذیه دستگاه شده و سپس توسط یک یا دو مارپیچ (Screw) به سمت جلو منتقل میشود. در طول مسیر، ماده تحت تأثیر اختلاط، فشردهسازی، اصطکاک و برش قرار میگیرد. همزمان انرژی حرارتی از طریق سیستم گرمایش و همچنین انرژی مکانیکی حاصل از چرخش مارپیچ به ماده منتقل میشود.
با حرکت ماده در طول اکسترودر، رطوبت و دما افزایش یافته و ساختار مواد اولیه به تدریج تغییر میکند. در اکستروژن پخت، شرایط به گونهای تنظیم میشوند که ماده در مدت کوتاهی به دمای بالا برسد و سپس تحت فشار از Die عبور کند.
هنگامی که ماده از قالب خارج میشود، فشار ناگهان کاهش پیدا میکند. اگر میزان رطوبت و شرایط فرآیند مناسب باشد، بخشی از آب موجود در ماده بهصورت بخار آزاد شده و انبساط سریع ماتریس غذایی اتفاق میافتد. این پدیده یکی از عوامل اصلی ایجاد ساختار متخلخل و افزایش حجم در محصولاتی مانند اسنکها و برخی غلات صبحانه است.
بنابراین، اکسترودر را میتوان یک راکتور پیوسته ترمومکانیکی در نظر گرفت که در آن مواد غذایی در مدت کوتاهی تحت مجموعهای از تغییرات فیزیکی و شیمیایی قرار میگیرند..
پارامترهای اصلی مؤثر بر اکستروژن
عملکرد اکستروژن تنها به دمای دستگاه وابسته نیست. ویژگی محصول نهایی حاصل برهمکنش چندین پارامتر فرآیندی و ویژگی ماده اولیه است. در میان این عوامل، رطوبت ماده اولیه، دمای فرآیند، سرعت مارپیچ، نرخ تغذیه، میزان برش، فشار، هندسه مارپیچ و اندازه و شکل Die اهمیت ویژهای دارند.
- دما: افزایش دما معمولاً سرعت واکنشهای شیمیایی و تغییرات ساختاری را افزایش میدهد و میتواند ژلاتینهشدن نشاسته و دناتوراسیون پروتئین را تسهیل کند. با این حال، دمای بیش از حد میتواند واکنشهای نامطلوب مانند تخریب برخی ترکیبات حساس به حرارت و واکنشهای قهوهایشدن غیرآنزیمی را افزایش دهد. بنابراین، دمای بالاتر الزاماً به معنای محصول بهتر نیست و باید در کنار رطوبت، زمان ماند و شدت برش ارزیابی شود.
- رطوبت: رطوبت یکی از تعیینکنندهترین عوامل در رفتار ماده داخل اکسترودر است. آب در این سیستم تنها یک جزء فرمولاسیون نیست، بلکه بهعنوان Plasticizer عمل میکند و بر حرکت زنجیرههای پلیمری، ویسکوزیته، انتقال حرارت و شدت برش اثر میگذارد.
در شرایط رطوبت پایین، اصطکاک و انرژی مکانیکی اعمالشده به ماده معمولاً افزایش مییابد و فرآیند میتواند شدت بیشتری پیدا کند. در مقابل، افزایش رطوبت معمولاً باعث کاهش ویسکوزیته و تغییر رفتار جریان میشود. به همین دلیل، حتی در یک دمای ثابت، تغییر رطوبت خوراک میتواند ساختار و خواص محصول نهایی را بهطور محسوسی تغییر دهد.
- برش مکانیکی: مارپیچ اکسترودر علاوه بر انتقال ماده، نیروهای برشی قابل توجهی ایجاد میکند. این نیروها باعث تغییر شکل ذرات، اختلاط اجزا و در شرایط شدیدتر، شکستن بخشی از ساختارهای مولکولی میشوند. شدت برش به سرعت چرخش مارپیچ، هندسه Screw، میزان پرشدگی اکسترودر، ویسکوزیته ماده و سایر شرایط فرآیند وابسته است. بنابراین، Screw Speed را نمیتوان بدون در نظر گرفتن سایر پارامترها بهعنوان یک عامل مستقل ارزیابی کرد.
- زمان ماند: زمان ماند (Residence Time) مدت زمانی است که ماده در سیستم اکستروژن باقی میماند. اگر زمان ماند افزایش پیدا کند، ماده فرصت بیشتری برای دریافت حرارت و قرار گرفتن در معرض برش و فشار خواهد داشت. با این حال، افزایش بیش از حد آن میتواند تخریب حرارتی یا واکنشهای نامطلوب را افزایش دهد. به همین دلیل، در اکستروژن صنعتی هدف صرفاً دستیابی به دمای مشخص نیست؛ بلکه باید ترکیب مناسب دما، رطوبت، برش و زمان ماند ایجاد شود.
چه اتفاقی برای نشاسته در اکسترودر میافتد؟
نشاسته معمولاً مهمترین جزء بسیاری از مواد اولیه مورد استفاده در اکستروژن است و تغییرات آن نقش اساسی در تعیین بافت، انبساط، قابلیت هضم و ویژگیهای عملکردی محصول دارد. در حالت طبیعی، گرانول نشاسته دارای ساختار نیمهبلوری است و مولکولهای آمیلوز و آمیلوپکتین در آن آرایش نسبتاً منظمی دارند. هنگامی که نشاسته در حضور آب تحت حرارت قرار میگیرد، آب وارد گرانول شده و حرکت زنجیرههای مولکولی افزایش مییابد. در ادامه، نظم بلوری گرانول کاهش یافته و فرآیند ژلاتینه شدن رخ میدهد. در اکستروژن، ژلاتینهشدن نشاسته تحت شرایطی متفاوت از پخت معمولی اتفاق میافتد، زیرا همزمان با حرارت، فشار و نیروهای برشی نیز اعمال میشوند. در نتیجه، ساختار گرانول میتواند بهشدت تخریب شود و بخشی از زنجیرههای نشاستهای شکسته شوند.
در شدتهای بالاتر فرآیند، علاوه بر ژلاتینهشدن، تجزیه مولکولی نیز اتفاق میافتد. در این مرحله، برخی پیوندهای موجود در زنجیرههای نشاسته شکسته شده و وزن مولکولی پلیمر کاهش پیدا میکند. مطالعات نشان دادهاند که آمیلوپکتین، بهویژه در نزدیکی نقاط شاخهای، میتواند تحت تأثیر تخریب بیشتری قرار گیرد.
این تغییرات مولکولی مستقیماً با ویژگیهای محصول ارتباط دارند. کاهش اندازه و تخریب ساختار نشاسته میتواند بر ویسکوزیته، جذب آب، حلالیت، بافت و قابلیت هضم نشاسته تأثیر بگذارد.
اکستروژن و قابلیت هضم نشاسته
یکی از جنبههای مهم اکستروژن، تأثیر آن بر قابلیت هضم نشاسته است. نشاسته طبیعی به دلیل ساختار گرانولی و نواحی بلوری خود نسبتاً در برابر هضم آنزیمی مقاومتر است. ژلاتینهشدن این ساختار را تغییر داده و معمولاً دسترسی آنزیمهای گوارشی به زنجیرههای نشاسته را افزایش میدهد. با این حال، رابطه میان اکستروژن و قابلیت هضم نشاسته ساده و خطی نیست. شدت فرآیند، نوع ماده اولیه، میزان رطوبت و شرایط پس از اکستروژن میتوانند باعث تغییرات متفاوتی در ساختار نشاسته شوند. حتی تشکیل مجدد ساختارهای منظم پس از فرآیند، یعنی Retrogradation، میتواند بخشی از نشاسته را به فرمهایی با هضم کندتر تبدیل کند. از این رو، اکستروژن میتواند بهعنوان ابزاری برای مهندسی قابلیت هضم نشاسته مورد استفاده قرار گیرد؛ به شرط آنکه شرایط فرآیند بر اساس ویژگی مطلوب محصول طراحی شوند.
تغییرات پروتئین در فرآیند اکستروژن
پروتئینها نیز تحت تأثیر شدید شرایط ترمومکانیکی اکستروژن قرار میگیرند. حرارت و برش میتوانند ساختارهای ثانویه و سوم پروتئین را تغییر داده و باعث دناتوراسیون شوند. در دناتوراسیون، برهمکنشهایی که ساختار طبیعی پروتئین را پایدار نگه میدارند دچار تغییر میشوند و بخشهایی از زنجیره پروتئینی که پیشتر درون ساختار قرار داشتند، در معرض محیط قرار میگیرند. پس از آن، زنجیرههای پروتئینی میتوانند با یکدیگر برهمکنش داشته و ساختارهای جدیدی ایجاد کنند.
در سیستمهای غنی از پروتئین، بهخصوص در اکستروژن با رطوبت بالا، این تغییرات میتوانند زمینه تشکیل یک ماتریس پروتئینی پیوسته را فراهم کنند. چنین ساختاری اساس تولید بسیاری از Texturized Vegetable Proteins (TVP) است.
در این شرایط، برهمکنشهای هیدروفوبیک، پیوندهای دیسولفیدی و سایر نیروهای بینمولکولی میتوانند در تشکیل ساختار نهایی نقش داشته باشند. مطالعات انجامشده درباره اکستروژن مواد پروتئینی نشان میدهند که تغییرات ساختاری و ایجاد برهمکنشهای جدید میان مولکولهای پروتئین از عوامل مهم در ایجاد بافت محصول هستند
از نظر تغذیهای نیز اکستروژن در بسیاری از شرایط میتواند قابلیت هضم پروتئین را افزایش دهد، زیرا دناتوراسیون باعث بازشدن ساختار پروتئین و افزایش دسترسی آن به آنزیمهای پروتئولیتیک میشود. با این حال، فرآیندهای شدید حرارتی ممکن است واکنشهای نامطلوبی مانند کاهش دسترسی به برخی اسیدهای آمینه ضروری، بهویژه لیزین، ایجاد کنند.
رفتار چربیها در اکستروژن
لیپیدها نیز در طول اکستروژن تحت تأثیر دما، فشار و برهمکنش با سایر اجزای ماده قرار میگیرند. بخشی از چربیها میتواند در اثر افزایش دما ذوب شده و در ماتریس غذایی توزیع شود. یکی از پدیدههای مهم در این زمینه، تشکیل کمپلکسهای لیپید-نشاسته است. آمیلوز میتواند با برخی اسیدهای چرب و لیپیدها کمپلکس تشکیل دهد. تشکیل چنین کمپلکسهایی میتواند ویژگیهای فیزیکوشیمیایی نشاسته و همچنین قابلیت هضم آن را تحت تأثیر قرار دهد.
از طرف دیگر، اگر ماده اولیه حاوی مقادیر قابل توجهی چربی غیراشباع باشد، شرایط حرارتی نامناسب میتواند احتمال اکسیداسیون لیپیدها را افزایش دهد. بنابراین، شدت حرارت باید به گونهای انتخاب شود که ضمن ایجاد تغییرات مطلوب در ساختار ماده، از تخریب غیرضروری ترکیبات حساس جلوگیری شود.
واکنشهای شیمیایی در اکستروژن
در طول فرآیند اکستروژن، مجموعهای از واکنشهای شیمیایی نیز میتوانند اتفاق بیفتند. یکی از مهمترین آنها واکنش مایلارد (Maillard Reaction) است که بین گروههای کربونیل قندهای احیاکننده و گروههای آمینی اسیدهای آمینه یا پروتئینها رخ میدهد و میتواند در ایجاد رنگ، عطر و طعم محصولات اکسترودشده نقش داشته باشد. در عین حال، شدت بیش از حد واکنش مایلارد میتواند باعث کاهش دسترسی برخی اسیدهای آمینه و تشکیل ترکیباتی مانند آکریل آمید در سیستمهای غذایی حاوی پیشسازهای مناسب شود. به همین دلیل، کنترل دما، رطوبت و زمان ماند در اکستروژن از نظر کیفیت و ایمنی غذایی اهمیت دارد.
رابطه بین شدت اکستروژن و کیفیت محصول
یکی از مفاهیم کلیدی در فناوری اکستروژن، Extrusion Severity یا شدت فرآیند است. شدت اکستروژن حاصل یک پارامتر منفرد نیست، بلکه نتیجه برهمکنش دما، رطوبت، سرعت مارپیچ، زمان ماند، فشار و ویژگیهای ماده اولیه است.
افزایش شدت فرآیند میتواند ژلاتینهشدن نشاسته، دناتوراسیون پروتئین و تخریب ساختاری را افزایش دهد، اما در صورتی که شدت بیش از حد باشد، ممکن است کیفیت تغذیهای و حسی محصول کاهش پیدا کند. در مقابل، شدت ناکافی ممکن است باعث ژلاتینهشدن ناقص، بافت نامطلوب یا کاهش انبساط شود.
به همین دلیل، طراحی فرآیند اکستروژن باید بر اساس هدف محصول انجام شود. برای تولید یک اسنک منبسطشده، شرایط مورد نیاز با شرایط مناسب برای تولید پروتئین بافتدار یا آرد پیشپخته یکسان نیست. پژوهشهای انجامشده روی غلات نیز نشان میدهند که تغییر پارامترهای فرآیند میتواند به تغییرات قابل توجه در ویژگیهای فیزیکی، عملکردی، حرارتی و تغذیهای محصول منجر شود.
اثر اکستروژن بر ارزش تغذیهای
اکستروژن میتواند هم اثرات مثبت و هم اثرات منفی بر ارزش تغذیهای مواد غذایی داشته باشد. از یک طرف، فرآیند میتواند قابلیت هضم نشاسته و پروتئین را تغییر دهد، برخی عوامل ضدتغذیهای را کاهش دهد و قابلیت دسترسی برخی مواد مغذی را افزایش دهد. از طرف دیگر، حرارت شدید میتواند موجب تخریب برخی ویتامینهای حساس به حرارت شود و واکنشهای قهوهایشدن غیرآنزیمی نیز ممکن است دسترسی برخی اسیدهای آمینه را کاهش دهند.
بنابراین نمیتوان اکستروژن را ذاتاً فرآیندی «افزایشدهنده ارزش تغذیهای» یا «کاهنده ارزش تغذیهای» دانست. نتیجه نهایی به ماده اولیه، فرمولاسیون و شدت فرآیند وابسته است.
کاربردهای اکستروژن در صنایع غذایی
انعطافپذیری اکستروژن باعث شده است این فناوری در بخشهای مختلف صنایع غذایی مورد استفاده قرار گیرد. در محصولات غلاتی، اکستروژن برای تولید غلات صبحانه، اسنکها، محصولات فوری و برخی آردهای پیشپخته استفاده میشود. در محصولات پروتئینی، از اکستروژن برای ایجاد ساختارهای فیبری و بافتدار در پروتئینهای گیاهی استفاده میشود.
علاوه بر این، اکستروژن میتواند برای اصلاح ویژگیهای عملکردی مواد اولیه مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، تغییر در ساختار نشاسته میتواند قابلیت جذب آب، ویسکوزیته و رفتار پخت را تغییر دهد. به همین دلیل، Extrusion Modification به عنوان روشی برای تولید مواد اولیه با ویژگیهای عملکردی جدید مورد توجه قرار گرفته است.
ثبت ديدگاه