Extrusión termoplástica de almidones y productos amiláceos Publicado el: 25/10/2017 Autor/es: José Luís Ramirez Ascheri, Investigador, Embrapa Agroindústria de Alimentos. Brasil "Me gusta" de Referentes: Pablo Manrique Vergara, Silvana Saru 1. Introducción
El almidón está contenido en una gran variedad de plantas, como los cereales (50-80%), leguminosas (25-50%) y tubérculos (60-95%). Entre las nuevas técnicas físicas de procesamiento usadas en alimentos para m ateriales amiláceos, la cocción por extrusión ha ganado notable importancia por ser considerado como un proceso versátil y de costo relativamente r elativamente bajo. Desde 1930, la producción industrial por extrusión térmica y en frío se desarrolló sobre bases muy empíricas. Sin embargo, a partir de esa fecha, la mayoría de los estudios que se han desarrollado se refieren principalmente al efecto de las variables del proceso de extrusión en las propiedades funcionales del producto extruido final. La mayoría de los trabajos científicos hechos sobre cocción por extrusión se publican en periódicos científicos. Sin embargo, otro frente de conocimiento pertinente es la literatura de patentes, donde las informaciones están diseminadas. diseminadas. En nuestro abordaje se discutirán las transformaciones de los materiales amiláceos, en función de las características del extrusor y de las condiciones de operación. 2. Modificaciones moleculares del almidón
los almidones nativos son mezclas heterogéneas de al m enos dos polímeros distintos de la glucosa: amilosa y amilopectina. La amilosa, es esencialmente lineal y consiste en varios miles de unidades de glucosa ligadas por unión alfa 1-4. La amilopectina es una molécula ramificada similar a un árbol, con mayor grado de polimerización mayor (104 - 105) (W histler & Paschall, 1967). Se verificó en varios trabajos que el monómero D-glucosa y los dos tipos de enlaces alfa (1-4) y alfa (1-6) no son modificados por la extrusión. Por lo tanto, la estructura química primaria del almidón es preservada, demostrando que ninguna nueva unión se forma, incluso en condiciones de alta temperatura que pueden ocurrir en la extrusión. La transformación del almidón en moléculas menores por el proceso de extrusión fue sospechado desde los primeros trabajos, pero su extensión fue cuantificada apenas recientemente. Mercier & Feillet (1975), estudiando el material extrudado proveniente de gritos de maíz y almidón de varios cereales, usando un extrusor de rosca doble (Clextral), verificaron la ausencia de oligosacáridos cortos o glucosa. Otros autores, usando diversos productos amiláceos, así como diversos extrusores, también verificaron la no formación de pequeños azúcares, por la extrusión. En algunos casos se observó una licuefacción parcial del almidón y la formación de productos de quiebra de alto peso molecular. A pesar de ser conocida, conocida, la degradación degradación térmica del almidón almidón (termolisis) (termolisis) ocurre bajo calentamiento prolongado (20 h a 80ºC 8% de humedad), formando moléculas de bajo peso molecular (residuos con 8- 12 glicosis). Sin embargo, este tipo de reacción es poco probable en los extrusores debido al tiempo muy corto c orto de procesamiento. Sin embargo, en algunos casos, un aumento en el contenido de azúcar puede ocurrir, siendo atribuido a la hidrólisis enzimática de oligosacáridos mayores, en condiciones de extrusión que no inactivan completamente las enzimas amilolíticas. El interés dado a estos azúcares pequeños está justificado por su implicación en las reacciones de Maillard, y que llevan al desarrollo de coloración y "sabor" característicos. La degradación molecular del almidón se ha demostrado usando almidones puros. Para probar que los polímeros del almidón se degradan en componentes moleculares más pequeños, se pueden utilizar métodos de cromatografía de permeado en gel y medidas de viscosidad intrínseca. Además de estos, se pueden utilizar determinaciones comparativas de la viscosidad del extrudado, así como la determinación de la cantidad de amilosa solubilizada de los extruidos. Con el uso de esta metodología es posible mostrar diferencias en la distribución del peso molecular de los componentes del almidón, antes y después de la extrusión. Como las
estructuras químicas primarias no son modificadas por la extrusión, cualquier disminución en la viscosidad intrínseca corresponde a un descenso en el peso molecular. De esta forma, el nivel de degradación puede expresarse por la relación entre las viscosidades intrínsecas del producto final y de la materia prima. Las determinaciones directas de la viscosidad intrínseca, después de fraccionamiento de la amilosa y amilopectina, demuestran claramente una escisión de cadena aleatoria, que ocurre con la misma accesibilidad para todas las conexiones de las cadenas, independientemente de sus ubicaciones en las mismas. Los componentes del almidón se compararon después de los procesos de extrusión o secado en rollos. El secado en rollos consiste básicamente en la dispersión de una pasta de almidón caliente entre rollos, produciendo un producto floculado seco. Los copos de almidón instantáneos, obtenidos por secado en secadores de r odillos, son conocidos como almidones prégelatinizados, por el hecho de tener la propiedad de dispersión en agua fría. Se observó que el peso molecular de la amilopectina disminuyó ligeramente en la muestra seca en rollos, mientras que el mismo disminuyó grandemente en las muestras extruidas, en comparación con el peso molecular de la amilopectina nativa. Para la amilosa, los pesos moleculares disminuyeron apenas 3-10% para las muestras secas en rollos, y el 33- 48% para las extruidas. La extensión de esta degradación macromolecular, es función de los parámetros de extrusión: temperatura, humedad y velocidad de la rosca. Se comprobó por Davidson (1984), usando un extrusor Brabender de rosca única, que el número de conexiones rotos, en la fracción de mayor peso molecular, aumentó con el aumento de la temperatura de extrusión y con la disminución del nivel de humedad inicial. En la mayoría de los casos, la mayoría de las personas que sufren de depresión, que no se sienten atrapadas en el proceso de deshidratación, o la rotación de la rosca de los extrusores. Varios trabajos concluyeron que en la despolimerización del almidón, los efectos mecánicos prevalecen sobre los efectos térmicos. a modificación molecular fue menor cuando los lípidos estaban presentes, sugiriendo que actúan como lubricantes en la extrusión, cada tipo de lípido presentando un efecto distinto. Se ha demostrado el efecto lubricante del aceite de coco y del ácido oleico en el proceso de extrusión, utilizando el almidón de mandioca que presenta un contenido muy bajo de lípidos (<0,1%), por Colonna & Mercier (1983). Mientras que el almidón nativo es insoluble en agua, los almidones extruidos son parcialmente solubles, proporcionando fracciones solubles en agua altamente turbia. Se encontró que la turbidez se debió a agregados de componentes amiláceos, ligados por enlaces de hidrógeno, una vez que desapareció por el calentamiento o por la adición de álcali o urea. Esta licuefacción del almidón, sin hidrólisis enzimática, también puede ocurrir bajo presión y cizallamiento. De acuerdo con Mercier & Feillet (1975), no se observa la formación de malto-dextrinas, aunque los almidones de los cereales se presenten parcialmente solubles en agua fría, después de extrusión a 170 y 200ºC, en extrusor con rosca doble. Carr et al. (1982), publicaron un proceso de licuefacción enzimática continua, en el cual una parte de almidón de maíz es precondicionada por la mezcla a 95-100ºC con una parte de solución de alfa-amilasa, siendo luego extrudido usando extrusor de rosca doble Baker Perkins, y finalmente hidrolizado por la acción de la alfa-amilasa termo-estable y amiloglucosidasa. La conversión de almidón en glucosa obtenida fue de 80-86%. Linko et al. (1984) describieron el proceso de licuefacción del almidón de cebada, utilizando el extrusor Creusot-Loire BC 45 con doble tornillo, en varios niveles de humedad y tem peraturas, con adición de alfa amilasa termoestable Termamil. Para la extracción de jarabe de glucosa, se añadió al producto extruido la glucosamilasa de Aspergillus niger, y para el jarabe de maltosa, se añadió beta-amilasa y pululanasa. Los mayores valores de Dextrosa Equivalente (DE) en el jarabe de glucosa después de 24 horas de sacarificación, de 96 a 98, fueron obtenidos después de la extrusión-licuefacción a 135ºC, con contenido de humedad del 60% y 1,5% (p / p bs) ) de alfa-amilasa. El mayor contenido de maltosa, después de 25 horas de sacarificación, del 87,5%, fue obtenido después de extrusión a 125ºC, contenido de agua del 19%, y sin adición de alfaamilasa.
Todos estos procesos presentan algunas ventajas que generalmente se asocian con la tecnología de extrusión, es decir, reducciones de gasto en energía, consumo de agua, contaminación microbiana y costo. Según algunos autores, podrían integrarse en la producción de etanol.
3. Modificaciones estructurales del almidón
Durante la cocción por extrusión, el almidón que presenta inicialmente una forma granular, es progresivamente comprimido y transformado en un material denso, sólido y compacto, desapareciendo su estructura cristalina y granular. La cocción por extrusión puede destruir la estructura cristalina organizada del almidón, como han demostrado estudios hechos usando las técnicas de difracción de rayos X. Esta destrucción puede ser parcial o completa, dependiendo de las variables de extrusión, tales como el contenido de humedad y cizallamiento, y también de la relación de amilosa / amilopectina del almidón en uso. Es muy claro que los gránulos de almidón pueden resistir la "quiebra" de su estructura típica en la extrusión en condiciones de alta humedad y bajo grado de cizallamiento; sin embargo, aumentando la severidad del tratamiento térmico, por ejemplo a la humedad del 19% y 150ºC, los gránulos pierden sus estructuras organizadas. (Figura 1). Con almidones de tubérculos, como patata y mandioca, los cuales son prácticamente exentos de lípidos (<0,1%), y en almidón de maíz ceroso, que no presenta amilosa, la reducción de la cristalinidad se observó a temperaturas tan bajas como 70ºC. A temperaturas más grandes, la estructura fue completamente destruida, obteniéndose un difratograma de rayos X típico de un estado amorfo (Charbonnière et al., 1973). En el caso de que se produzca un cambio en la calidad de los alimentos, se debe tener en cuenta que, en la mayoría de los casos, .
4. Propiedades funcionales
Dependiendo del tipo y grados de tratamiento térmico, los productos extruidos y secos pueden ser caracterizados por su estructura expandida, por la cohesión, por la forma y / o sensación en la boca. Después de la molienda, los productos extruidos presentan una solubilidad, que conduce a un comportamiento espesante ya una alta susceptibilidad a la acción de enzimas amilolíticas. Estas propiedades están altamente influenciadas por el origen del almidón y las condiciones del proceso de extrusión.
Figura 1. Modelo propuesto para la degradación del almidón durante la extrusión.
La expansión conduce a la mayor familia de productos alimenticios extruidos, definida "snacks". La primera generación de "snacks" se basa en la expansión directa en la matriz del extrusor. La estructura de productos expandidos por extrusión depende principalmente de la gelatinización del almidón y de la subsiguiente expansión del vapor de agua originada por la caída de presión en la salida del material por la matriz del extrusor. La presión dentro del cuerpo del extrusor aumenta debido a la restricción en la zona de descarga del mismo, donde la presión varía de 30 a 110 bar. Cuando el almidón fundido sale por la matriz, el paso repentino de la humedad interna a estado gaseoso, debido a la caída de presión, causa una expansión del producto. La pérdida de 3-5% de agua en la salida de la matriz provoca un enfriamiento sustancial y rápido del producto. El enfriamiento posterior ocurre lentamente debido a la baja conductividad térmica del almidón. En la segunda generación de "snacks", los cereales se trabajan en forma de masa, producida con diferentes harinas y / o almidones de cereales y / o tubérculos. La masa se forma en pequeñas piezas, usando un extrusor simple o de doble tornillo, siguiendo el secado y el almacenamiento. Estos "snacks" generalmente se amplían y se listan para el consumo. Los "snacks" de tercera generación, denominados también "half-products" o "pellets" se realizan en condiciones similares a las de la segunda generación, con la diferencia de que los "pellets" no
se expanden. Al salir del extrusor, las piezas elaboradas tienen una forma determinada por las características de la matriz, y siguen un controlado proceso de secado (Guy & Horne, 1988; Ascheri et al., 1995). La expansión de estos productos ocurre posteriormente, a través de fritura, calentamiento con aire caliente o por m icroondas. La expansión del producto depende, principalmente, de la composición del material y de las condiciones de procesamiento, y resulta de expansión longitudinal, o de la expansión diametral, o de ambas. La expansión del producto depende de la intensidad de vaporización del agua y de las propiedades de flujo del almidón fundido. Según launay (1983) y Lisch (1984), el agua no es el factor limitante, siendo las propiedades reológicas del material fundido las variables principales, una vez que las expansiones, longitudinal y diametral, son dependientes de la viscosidad y de la elasticidad del material fundido , respectivamente. Usualmente la expansión se expresa por la relación entre el área de la sección transversal del extrudado y el área de la matriz, o por la relación entre los diámetros del producto extruido y de la matriz. Se observó que en los productos extrudados expandidos, el aire ocupa de 85 a 92% del volumen total, excepto para muestras extrudadas a baja temperatura. De esta forma, se obtienen extruidos con valores de densidad en el intervalo de 0,04 a 0,38 g / cm3. El grado máximo de expansión se puede predecir sobre la base del contenido de almidón. En almidones puros la expansión puede llegar al 500%, seguida por los granos integrales (400%), varias mezclas ("pet food") para alimentación de animales (200-300%) y semillas oleaginosas (150200%). El contenido de almidón en estos materiales es de 100, 65-78, 40-50 y 0-10%, respectivamente. De acuerdo con algunas referencias, el límite mínimo de almidón en un producto, para que ocurra la expansión es de 60 a 70%. El aumento en el nivel de almidón dañado en los ingredientes crudos conduce a productos compuestos, textura suave, mayor solubilidad y carácter pegajosos cuando se comía. El tamaño de las partículas se ha señalado también como un factor importante en la expansión, principalmente cuando se utilizan extrusores con rosca única. Las partículas pequeñas son m ás rápidamente fundidas y la masa resultante, de baja viscosidad, no es transportada apropiadamente. Este problema puede, en estos casos, ser eliminado por la reducción de humedad. En contraste, cuando la utilización de un extrusor Clextral de doble rosca, el tamaño de partícula se consideró relativamente sin importancia. Según algunos trabajos, la relación amilosa / amilopectina es relevante en la determinación de las propiedades de los productos extrudados a base de almidón (Figura 2). Las mezclas experimentales de almidones de maí z ceroso y con alto contenido de amilosa mostraron que a 130ºC el índice de expansión disminuyó cuando el contenido de amilosa aumentó; a 225ºC se observó una tendencia opuesta. La amilopectina produjo ligereza, elasticidad, textura y superficie regular, pero con características de pegajosidad. En contraste, la amilosa condujo a productos más duros y menos expandidos. Por esta razón no se recomiendan almidones con un nivel de amilosa del 5-20%, para obtener extruidos adecuadamente crocantes y de textura aceptable.
Figura 2. Efecto de la concentración de amilosa en el índice de expansión. (Chinnaswamy &
Hanna, 1988) Por otro lado se observó que la fuerza de cizallamiento de almidones extruidos aumenta con el aumento de los niveles de amilosa (Figura 3).
Figura 3. Efecto de la concentración de amilosa en la fuerza de cizallamiento. (Chinnaswamy &
Hanna, 1988) En cuanto al efecto de los lípidos, la expansión aumentó con niveles crecientes de grasa hasta el 5%, siendo observada una rápida caída por encima de este nivel. Sin embargo, el contenido de humedad y la temperatura final de la extrusión pueden adecuarse adecuadamente para
minimizar el efecto adverso de los lípidos en materiales que presentan altos niveles. En contraste, otros autores mostraron que la a dición de lípidos sólo tuvo una pequeña influencia en la expansión del extrudado. La sacarosa, en cantidades superiores al 15%, aumentó la expansión, y el efecto se dobló con la inclusión del 5% de cloruro de sodio. Antila et al. (1984) encontraron que el enriquecimiento proteico es en muchos casos beneficioso, debido a la estabilización de la estructura y mejora en la textura y el gusto. La expansión de las mezclas extruidas es modificada por la naturaleza de la proteína agregada. Si el producto final deseado es un cereal listo de desecho totalmente cocido y denso, la materia prima básica deberá ser una harina de trigo duro, salvado de trigo, y / o "middlings" del trigo. Por otro lado, si se desea un producto expandido, crujiente y ligero, se debe utilizar harina con baja fuerza de gluten (para facilitar la expansión) y bajo contenido de grasa (para minimizar la dureza), tales como las harinas de maíz, arroz , trigo blando o una combinación de ellas. La temperatura del producto inmediatamente antes de la expansión se ha estudiado ampliamente. Se observó que las muestras no comenzaron a expandirse hasta que se alcanzó la temperatura de unos 100ºC. El grado de expansión aumentó con el aumento de la temperatura, cuando el contenido de humedad fue inferior al 19,5%. Esto podría ser resultado de la disminución de la viscosidad, permitiendo que el material fundido se expanda más rápidamente, o del aumento en la presión de vapor, causando mayor expansión al final de la matriz. Según varios trabajos, se constató que el índice de expansión aumenta a medida que el contenido de humedad decrece y la rotación de la rosca aumenta (Figuras 4 y 5).
Figura 4. Efecto de la humedad de procesamiento en el índice de expansión. (Chinnaswamy &
Hanna, 1988)
Figura 5. Efecto de la velocidad del tornillo en el índice de expansión.
A bajas temperaturas de extrusión, la expansión diametral es reducida, porque el almidón no es totalmente fundido, dando una expansión longitudinal también reducida. A medida que la temperatura aumenta, el grado de expansión alcanza un máximo de alrededor de 170ºC, independientemente del equipo usado. El descenso de la expansión, a temperaturas más grandes (Figura 6), se atribuye a la dextrinización excesiva y al debilitamiento del estructurado almidón.
Figura 6. Efecto de la temperatura en el índice de expansión. (Chinnaswamy & Hanna, 1988).
El papel de la matriz en la definición de la textura de los productos extruidos es generalmente poco considerado en la literatura científica. El efecto de la matriz se puede considerar independientemente del tipo de extrusor utilizado. Una matriz pequeña e n un extrusor de rosca única aparentemente aumenta la relación de expansión; la expansión máxima fue obtenida con muestras de humedad 19,5%, usando matriz con diámetro de 12,7 mm. Se observó recientemente que un aumento en el tamaño de la matriz resultó en el descenso de la expansión y aumento de la densidad del producto final, usando un extrusor de doble rosca y almidones de maíz y trigo. Esto estaría relacionado con reducción en las fuerzas de cizallamiento, disminución de la presión de salida en la m atriz, y un aumento en la viscosidad debido al bajo nivel de cizallamiento y temperatura. Otros investigadores mostraron que las variables más importantes en lo que se refiere al grado de expansión son la temperatura, el contenido de humedad y la geometría de la matriz
Por otro lado, se ha comprobado que en condiciones de temperatura y humedad constantes, el índice de expansión aumenta con el aumento de la velocidad de alimentación hasta alcanzar un máximo y luego declina considerablemente (Figura 7). Figura 7. Efecto de la velocidad de alimentación en el índice de expansión (Mercier & Feillet,
1975). Las características de expansión de varios almidones extruidos a 135ºC y 225ºC, con un 22% de humedad inicial y usando un extrusor de rosca doble Clextral BC-45, se presenta en la Figura 8. Se observa en la figura que los mayores porcentajes de amilopectina en los almidones disminuyen la expansión y que el efecto de la temperatura es significativo para los almidones con mayor cantidad de amilosa. Figura 8. Índices de la expansión de diferentes tipos de almidones a una temperatura de 135ºC
y 225ºC en un extrusor de doble rosca Clextral BC-45. (Mercier & Feillet, 1975). 4.2 Cohesividad y fuerza mecánica
Las propiedades mecánicas de los productos extruidos se caracterizan generalmente usando pruebas de impacto mecánico como el "Kramer Shear Press" y el "Instron Universal" que miden la velocidad de deformación del producto extruido. Se llama "fuerza de rotura", la energía necesaria para inducir la quiebra de los extruidos. La fuerza (resistencia) asociada a la textura puede ser descrita por la deformación compresiva de sólidos, cuando son sometidos a la alta presión (esfuerzo). Las propiedades mecánicas de los alimentos bajo alto grado de esfuerzo corresponden más de cerca a las propiedades sensoriales de crocance ("crujido"), ya que la masticación implica una deformación con alto grado de esfuerzo, ( Bhattacharya et al., 1986a, 1987b). Faubion (1982) estudió el efecto de la adición de proteína en la extrusión de almidón y harina de trigo. El efecto causado en el producto extruido dependió del tipo y de la concentración de proteína agregada. El uso del 11% de gluten redujo la expansión y la textura, mientras que, en concentraciones equivalentes, el aislado proteico de soja tuvo efecto inverso. Las Figuras 9-a y 9-b muestran la variación de la fuerza de rotura de extruidos de almidón de trigo con varios niveles de adición de aislado proteico de soja y gluten, respectivamente. Figura 9a. Variación de la fuerza de rotura de extruidos de almidón de trigo con varios niveles
de aislado proteico y soja agregada, Faubion (1982) Figura 9b. Variación de la fuerza de rotura de extruidos de almidón de trigo con varios niveles de gluten añadido, Faubion (1982). La extrusión en niveles crecientes de humedad parece ser perjudicial a la capacidad del extrudado de resistir a las fuerzas de cizallamiento y de rotura. 4.3. Forma
La forma del producto extrudido está determinada básicamente por la geometría de la matriz y el grado de expansión del producto. Sin embargo, la reproducibilidad de la geometría de un extrudado depende principalmente de las propiedades reológicas de la masa durante el proceso de extrusión. Se observó que la forma de la matriz influye en el formato y la textura del producto final. Los orificios de la matriz que presentan una disminución gradual se extruyen con una superficie más lisa; En la mayoría de los casos, las matrices con cambio brusca y longitud corta, causan un mayor daño mecánico en los componentes del alimento (mayor grado de cizallamiento), conduciendo a productos con estructura de célula más finas, textura más blanda (aspecto esponjoso), poros pequeños, mayor solubilidad y, menor resistencia mecánica. 4.4. Solubilidad
Las principales propiedades funcional de los almidones extruidos, cuando se dispersan en exceso de agua, son la absorción de agua y la solubilidad en agua. Como es conocido, el almidón nativo casi no absorbe agua a temperatura ambiente y su contribución a la viscosidad es prácticamente cero. Sin embargo, el almidón extruido absorbe agua rápidamente, formando una pasta a temperatura ambiente, sin ningún calentamiento. Esta
pasta está formada por las macromoléculas solubilizadas y también incluyen partículas entumecidas por agua (gel). Estas propiedades están fuertemente influenciadas por el tamaño de partícula: cuanto más pequeñas las partículas, mayores serán la velocidad y el nivel de solubilización. El Índice de Absorción de Agua (IAA) es el peso del gel obtenido por gramo de muestra seca, y es generalmente determinado por el método de Anderson et al. (1969). El valor del IAA correlaciona bien con la viscosidad de la pasta en frío, porque sólo los gránulos de almidón dañados absorben agua e hinchan a temperatura ambiente, resultando en el aumento de la viscosidad. Después de alcanzar un máximo, con relación al grado de almidón dañado, el IAA disminuye con el inicio de la dextrinización. El Índice de Solubilidad en Agua (ISA) expresa el porcentaje de la materia seca recuperada después de la evaporación del sobrenadante de la determinación de absorción de agua (Anderson, 1969). El ISA está relacionado con la cantidad de moléculas solubles en la muestra seca y mide la dextrinización. La solubilidad en agua del almidón está también relacionada con la expansión y sigue las mismas variaciones con las condiciones de extrusión. La característica de "pegajoso" de algunos productos extrudados de almidón está relacionada con su alta solubilidad. Este problema puede ser reducido complejamente a la amilosa soluble con ácidos grasos o monoglicéridos, los cuales actúan simultáneamente en el retraso de la retrogradación del material extruido. Se observaron diferencias marcadas entre almidones extruidos cuando se usaron almidones con diferentes relaciones de amilosa / amilo-pectina. Algunos autores han demostrado que durante el proceso de extrusión, el almidón forma nuevas estructuras, similares al complejo amilosa butanol. Esta estructura aparece a 135ºC para los almidones de maíz normal, trigo y arroz (22-25% de amilosa), a 90ºC para Amylon V (52% de amilosa) ya 70ºC para Amtilio VII (61% de amilosa), y no se observó para el maíz ceroso. Los efectos del contenido de amilosa del almidón en las características de los productos extruidos se estudiaron a 135 y 225ºC, y se representan en las Figuras 10 a 10, b, 10 y b). (Charbonniere et al., 1973, Chinnaswamy y Hanna, 1988a, b). Figura 10a. Efecto del contenido de amilosa en la absorción de almidones extruidos a 135ºC y
225ºC, Charbonniere et al. (1973). Figura 10b. Efecto del contenido de amilosa en la viscosidad de almidones extruidos a 135ºC y 225ºC, Charbonniere et al. (1973). Figura 10c. Efecto del contenido de amilosa en la solubilidad en agua de almidones extruidos a 135ºC y 225ºC, Charbonniere et al. (1973). Es bien aceptado que el ISA aumenta con la severidad del tratamiento térmico. Varios trabajos usando gritos de maíz, almidón de maíz y almidón de trigo, mostraron que el ISA aumentó con decrecimiento del contenido de humedad. Sin embargo, se observa que el nivel de cizalla en el cuerpo del extrusor también es un factor importante. Se verificó que la reducción del ISA de la harina de trigo, causada por el aumento del contenido de humedad de 0 a 25% fue mayor usando tornillo de alto cizallamiento (variando del 46,4% al 23,8%) que el de bajo (desde el 38,9 al 24,6%). En cuanto a la temperatura de extrusión, los ISA de varios productos, (gritos de maíz y sorgo, arroz, harinas de trigo, centeno, cebada y avena, semolina de trigo) alcanzaron valores máximos a 180-200ºC. Una caída fue observada a temperaturas mayores debido a la intensa degradación del almidón. Tanto los valores de IAA como los de ISA pueden ser interpretados en base a las interacciones de almidón, las cuales son gobernadas por la estructura de la fase sólida del almidón procesado. Los bajos valores de IAA reflejan el restringido acceso del agua a los almidones extruidos, asignados a una estructura compacta. Por otro lado, la solubilidad puede relacionarse con el peso molecular más pequeño de los componentes del almidón, que pueden separarse m uy fácilmente entre sí debido a la interacción más limitada entre ellos. Los valores de ISA e IAA pueden ser utilizados para estimar la adecuación del uso de productos amiláceos extruidos en suspensiones o soluciones. Las aplicaciones en medios con cantidad limitada de agua se basan en estas dos propiedades funcionales e implican frecuentemente la capacidad de conexión de los puentes de hidrógeno. 4.5. Espesamiento
El comportamiento de la pasta de los productos a base de almidón es generalmente caracterizado por las medidas de consistencia y viscosidad. La consistencia se puede m edir usando el consistómetro de Botwick, que mide la longitud del flujo de una suspensión hidratada sobre un plano horizontal. Sin embargo, la mayoría de los resultados se expresan en términos de consistencia Brabender, a una determinada temperatura, o por la curva de consistencia versus temperatura, usando el viscoamilógrafo Brabender. En los últimos años, los investigadores vienen usando un nuevo viscosímetro: el Rapid Visco Analyzer (RVA) cuyas ventajas en la determinación de la consistencia son significativas, tanto en relación al menor tiempo del análisis (aproximadamente 10-14 min.) En cuanto a la pequeña cantidad (1- 3 g) de muestra necesaria (Walker et al., 1988). El comportamiento de los almidones extruidos durante el calentamiento, en exceso de agua, como puede observarse con el viscoamilógrafo Brabender, se caracteriza por la ausencia de un pico de gelatinización durante el calentamiento, por la alta viscosidad en frío (antes de la calefacción), por el declive continuo de la viscosidad de 50 a 96ºC, y por el fuerte descenso de la viscosidad en el intervalo de 90-96ºC con un punto de inflexión (Figura 11). La viscosidad de la pasta en frío depende principalmente del grado de gelatinización de los gránulos de almidón y de la extensión de su quiebra molecular durante el proceso de extrusión. La viscosidad de la pasta en frío se refiere a la viscosidad de la suspensión amida-agua a la temperatura ambiente, sin necesidad de calefacción. Se observó que la viscosidad inicial en frío aumentó hasta alcanzar un valor máximo, y luego disminuyó con el aumento de la severidad de la extrusión. Si se analizan las curvas de la Figura 11, se observa que la viscosidad de la pasta de almidón extruido decrece gradualmente con el aumento de la temperatura; sin embargo, a la temperatura en torno a 85-90ºC, ocurrió una caída acentuada, sugiriendo la ocurrencia de una transición estructural. Esta transición sería análoga a la que ocurre en la segunda etapa de entumecimientoolubilización de almidones nativos de cereales y leguminosas, la cual se basa en la transición estructural que implica la organización y distribución del almidón en la suspensión. Por lo tanto, el tratamiento de suspensiones acuosas y almidones modificados térmicamente (extruidos, en el caso) a una temperatura inferior a 85ºC, llevaría a carpetas con propiedades reológicas relacionadas con la absorción de agua de las partículas sólidas, que se determinan principalmente por la porosidad de las m ismas. Figura 11. Influencia de las condiciones de extrusión en los viscoamilogramas de los almidones de trigo nativos y extruidos:
A = Curva de la temperatura del viscoamilógrafo (Temp. Máx.95 oC) B = Curva del trigo nativo C = 180ºC, 23,9% de humedad D = 130ºC, 24,4% humedad E = 180oC, 34,7% de humedad F = 125oC, 34,7% de humedad, Walker et al. (1988). Por otro lado, la formación de la pasta del mismo almidón extruido a una temperatura superior a 90ºC, llevaría la suspensión con mayor número de moléculas solubilizadas. Se ha comprobado que los valores de la viscosidad en frío de las pastas de almidón extruidos dependen del contenido de humedad inicial del producto antes de la extrusión, la temperatura del proceso y también la rotación de la rosca. Sin embargo, el efecto de las variables del proceso en las características del producto extruido será abordado posteriormente. Los valores máximos de la viscosidad de la pasta en frío fueron obtenidos cuando el almidón, en la extrusión presentaba contenido de humedad inicial del 17-24% y temperaturas de 160 a 205ºC, siendo utilizado almidón de maíz y extrusor Brabender de rosca única. Fuera de estas condiciones citadas se observó una reducción de los valores de la viscosidad en frío. La viscosidad de la pasta en caliente puede medirse después de la calefacción de una suspensión en un reactor con termostato o después del ciclo de calentamiento en el viscoamilógrafo Brabender. Los gránulos de almidón pregelatinizados en la extrusión, que resultaron de la ruptura de la estructura y desintegración, pierden su capacidad de hincharse en agua caliente, lo que causa la disminución de la viscosidad en caliente de la pasta. La intensidad de esta ruptura del almidón depende del tipo de almidón (origen), de la temperatura, del cizallamiento mecánico y de agentes químicos presentes durante la gelatinización del almidón. Cuanto mayor sea el grado de cocción (gelatinización), menor será la viscosidad de la pasta en
caliente. Sin embargo, la interacción entre la velocidad de la rosca y la temperatura del extrusor es también altamente significativa. Sin embargo, se observó que para cualquier temperatura, la viscosidad de la pasta en caliente disminuye rápidamente cuando el contenido de amilosa aumenta. El efecto conjunto de las variables del proceso de extrusión en los valores de la viscosidad en caliente será discutido posteriormente. En comparación con los productos obtenidos por otros tratamientos, la principal diferencia de los almidones extruidos fue su reducida viscosidad de pasta. En contraste, mostraron baja dispersión en agua fría, pero rápida dispersión en agua caliente, formando productos de varias consistencias, lo que permite su uso industrial en alimentos instantáneos. En comparación con los almidones después del secado en rollos, con almidones después de la cocción por extrusión, en un mismo nivel de absorción de agua, se observó que la solubilidad en agua tiende a ser mayor en los almidones que sufrieron la cocción por extrusión, pero sus viscosidades después de la cocción fueron normalmente inferiores. Se observó también que la retrogradación de las pastas de almidón extrudidas es función, principalmente, del contenido de humedad, temperatura y velocidad de rotación del extrusor. Los almidones con altos contenidos de humedad produjeron extruidos con alta capacidad de retrogradación, usando rotación de la rosca moderada; sin embargo, los extruidos de almidón con bajo contenido de humedad, presentaron capacidad de retrogradación muy baja. 5. Efecto de las variables del proceso de extrusión en las transformaciones (propiedades funcionales) del almidón
Las características funcionales de los almidones pueden ser alteradas por las condiciones de extrusión, dependiendo de los parámetros operacionales del proceso (contenido de humedad inicial, temperatura del extrusor, rotación de la rosca, diámetro de la matriz, flujo de masa y configuración de la rosca), de los parámetros del sistema (grado de alza, temperatura del producto, tiempo de residencia y presión del sistema) y de los parámetros estructurales (ligados a la materia prima). Estas variables son responsables de la extensión de la ruptura estructural del almidón, de la cual depende, entre otros factores, el comportamiento de solubilidad y viscosidad del producto extruido. Los parámetros operativos y estructurales del sistema, involucrados en el proceso de extrusión, determinan reacciones muy complejas, que resultan en una diferenciación limitada de la influencia individual de las variables, en los cambios de las características finales del almidón extruido. 5.1. Influencia de las variables operativas en la transformación (propiedades funcionales) del almidón
La literatura científica sobre extrusión ha descrito hasta ahora principalmente las propiedades físicas y químicas de los productos extrudados, que resultan del uso de condiciones específicas de extrusión en diversos tipos de extrusores. Entre las condiciones operativas de extrusión, son de fundamental importancia en el control del proceso especialmente la temperatura del extrusor, el contenido de humedad de la materia prima y la rotación de la rosca. 5.1.1. Rotación de rosca
El aumento de la rotación de la rosca tiene como efecto primero el aumento del grado de cizalla y en segundo lugar el descenso del tiempo de residencia. Como estos dos efectos son competitivos, los resultados experimentales no son a menudo obvios. El aumento de la rotación de la rosca, mantenido a caudal de alimentación, disminuye el volumen del material en el extrusor causando la disminución del tiempo de r esidencia. Algunos estudios mostraron que cuando la rotación de la rosca fue aumentada, se observó una pequeña caída en la presión y la temperatura, mientras que otros afirman que permanecieron bien estables. Utilizando el extrusor Brabender de rosca única, a una temperatura constante de 250ºC, ya un bajo contenido de humedad, los cambios en la rotación de la rosca no resultaron en cambios en el grado de gelatinización del almidón de maíz; pero a medida que el contenido de humedad de la materia prima aumentó, el efecto de la r otación de la rosca se volvió más crítico, y los aumentos relativamente pequeños en la rotación resultaron en el aumento en el grado de gelatinización, evidenciado por el bajado de la viscosidad de la pasta en caliente . A bajas revoluciones se obtuvieron grados de gelatinización mínimos, en el rango de temperaturas de 145-205ºC. El trabajo realizado por Chiang (1977), usando el extrusor Brabender de rosca
única, mostró que a medida que la rotación de la rosca aumentó, el grado de gela tinción del almidón decreció (Figuras 12 a 12, 12-be 12-c) . Figura 12a. Efecto de la rotación de la rosca en la gelatinización del almidón (18% de
humedad), Chiang (1977). Figura 12b. Efecto de la rotación de la rosca en la gelatinización del almidón (21% de humedad), Chiang (1977). El aumento de la rotación de la rosca disminuyó el tiempo de retención de la muestra en el extrusor, causando un descenso en la gelatinización del almidón. Figura 12c. Efecto de la rotación de la rosca en la gelatinización del almidón (24% de
humedad), Chiang (1977). Figura 12d. Efecto de la rotación de la rosca en la gelatinización del almidón (27% de humedad), Chiang (1977). Sin embargo, algunos estudios recientes, también usando un extrusor de rosca única, mostraron que la transformación del almidón de trigo aumentó con el aumento de la rotación de la rosca. En consecuencia, la modificación en la rotación de la rosca tiene dos efectos opuestos: en el grado de cizalla y en el tiempo de residencia. Como consecuencia pueden obtenerse varios resultados con relación a la transformación del producto y de las características funcionales del almidón. 5.1.2. Temperatura de extrusor
Se ha confirmado, en varios trabajos, que el aumento de la temperatura de la camisa del extrusor provoca un aumento en la temperatura del producto en el mismo orden, principalmente por conducción, lo que acarrea el descenso en la viscosidad sin cambios importantes en el tiempo de residencia. En consecuencia, el aumento en la temperatura de la camisa tiende a producir un producto más transformado, pero en una extensión limitada, por el hecho de la disminución de la viscosidad causar el descenso en la generación de calor. Este comportamiento fue confirmado en un extrusor de rosca única, observándose la disminución de la viscosidad intrínseca del almidón de trigo con el aumento de la temperatura de la camisa. El trabajo realizado por Chiang (1977), usando el extrusor Brabender de rosca única, mostró que la gelatinización del almidón aumentó bruscamente con el aumento de temperatura, para humedad de 24 o 27%; sin embargo, el aumento fue más intenso para las poblaciones de 18 y 21% (Figuras 13 a 13, 13-b, 13-c e13-d). Figura 13a. Efecto de la temperatura en la gelatinización del almidón (18% de humedad),
Chiang (1977). Figura 13b. Efecto de la temperatura en la gelatinización del almidón (21% de humedad), Chiang (1977). Figura 13c. EEfecto de la temperatura en la gelatinización del almidón (24 % de humedad) Figura 13d. Efecto de la temperatura en la gelatinización del almidón (27% de humedad) 5.1.3. Humedad inicial del producto
El aumento del contenido inicial de agua acarrea normalmente el descenso en la viscosidad del producto, que tiene como primer efecto la bajada de la generación de calor y, como segundo efecto, el descenso de la presión del producto en la salida por la matriz. Esto explica por qué la temperatura y la presión disminuyen cuando el contenido de agua aumenta. Debido a la disminución en la temperatura, la transformación del producto es generalmente también disminuida. El trabajo realizado por Chiang (1977), usando extrusor Brabender de rosca única, mostró que la gelatinización del almidón decreció ligeramente con el aumento del contenido de humedad a bajas temperaturas de extrusión (65 y 80ºC); pero a temperaturas más altas (95110ºC), el aumento del contenido de humedad aumentó significativamente la gelatinización del almidón (Figuras 14 a 14, 14-b, 14-c y 14 d) .
Figura 14a. Efecto del contenido de humedad inicial en la gelatinización del almidón (a 65oC). Figura 14b Efecto del contenido de humedad inicial en la gelatinización del almidón (a 80oC)..
Figura 14c. Efecto del contenido de humedad inicial en la gelatinización del almidón (a 95oC),
Chiang (1977). Figura 14d. Efecto del contenido de humedad inicial en la gelatinización del almidón (a 110oC), Chiang (1977). 5.1.4 Matriz
La matriz, además de responsable del formato final del extrudado, tiene también la importante función de restringir (limitar) el flujo del material en extrusión, causando el desarrollo de presión y cizallamiento necesarios antes de la salida del producto. Estos efectos producidos por la matriz pueden ser mayores o m enores, dependiendo del tipo de producto que se desea producir. Para la producción de alimentos expandidos y secos para animales, la matriz final puede ser simple, compuesta de una pieza única que contiene un número predeterminado de orificios. Sin embargo, para la producción de "snacks" y "breakfast cereals", la matriz puede ser compuesta de dos o más piezas, donde la primera aumenta la resistencia al flujo y ayuda a aumentar el corte del producto extruido, y la segunda tiene la función de dimensionar y formar el extrudido forzándolo a pasar a través de un número predeterminado de orificios. En el trabajo realizado por Chiang (1977), usando extrusor de rosca única, se estudió el efecto del tamaño de la matriz del extrusor en la gelatinización del almidón. Se utilizó harina de trigo condicionada al 20% de humedad, rosca con tasa de compresión de 3: 1, 100 rpm y temperatura de 100ºC. En estas condiciones se observó que, a medida que el tamaño de la matriz aumentó, la gelatinización del almidón disminuyó (Figura 15). Probablemente los descensos en la presión y el grado de cizallamiento causaron disminución de la gelatinización del almidón debido al menor tiempo de residencia de la harina en el extrusor. Figura 15. Efecto del diámetro de la matriz en la gelatinización del almidón, Chiang (1977). 5.2. Efecto de los parámetros del sistema en la transformación (propiedades funcionales) del almidón
Los parámetros del sistema que corresponden a las variables operativas que llevan la introducción de energía, son: temperatura del producto, presión del sistema, tasa de cizalla y tiempo de residencia . 5.2.1. Temperatura de produto
Es conocido que la temperatura de la masa participa en la ruptura de los gránulos de almidón por el proceso de la gelatinización. Este fenómeno ocurre a la temperatura que depende del contenido de humedad: mayores niveles de agua posibilitan una menor temperatura de gelatinización. La alteración en la temperatura modifica las propiedades reológicas, que generalmente inducen cambios en el tiempo de residencia. En los extrusores de rosca única, la temperatura del producto aumenta regularmente a lo largo del extrusor: en caso de "grits" de maíz, las temperaturas son de hasta 175-210ºC. En el caso de extrusores de rosca doble (mismo sentido), la temperatura del producto aumenta principalmente en la última parte de la rosca, anterior a la matriz, y cuando el producto sale por la matriz es entonces normalmente registrada una caída de temperatura de 10-20ºC. Los valores máximos de temperatura están entre 150 y 210ºC dependiendo del producto que está siendo extruido (gritos de maíz, almidón de trigo y almidón de maíz): el valor más bajo (100ºC) fue citado para almidón de patata. 5.2.2. Presión
Nunca se describió el efecto directo de la presión en sí en relación a la transformación del producto, ni en términos de la ruptura del gránulo de almidón, ni como degradación de la molécula. Por eso es improbable que la presión tenga directamente un efecto importante en la transformación del producto. Sin embargo, la presión es necesaria para compactar el almidón y para que pueda obtenerse una fase fusionada continua por la transferencia y la generación de calor, y un cambio en la presión debe ser equilibrada por el cambio en la longitud de la sección que contiene el producto fundido, induce un cambio en el tiempo de residencia.
5.2.3. Cisala
No es posible una medida directa del cizallamiento. Sin embargo, el efecto indirecto de alto grado de cizallamiento es el aumento de la temperatura por la alta generación de calor, debido a la naturaleza macromolecular del almidón. 5.2.4. Tiempo de residencia
La distribución del tiempo de residencia se suele estudiar mediante la adición de trazas de colorante en el producto en la etapa de alimentación. En escala de laboratorio, los extrusores de rosca única con productos amiláceos, tienen el tiempo de residencia medio de unos 30 a 80 segundos. En los extrusores de rosca doble (que giran en la misma dirección) y con productos amiláceos, el tiempo de residencia medio varía de 10 a 40 segundos. En máquinas mayores este valor puede ser entre 40 y 50 segundos (Clextral BC y BC 105). El efecto del tiempo en la transformación del producto es obvio: cuanto mayor es el tiempo, más el producto es transformado, lo que ha sido constatado por varios autores con diversos productos.
6. Optimización de la extrusión. elección de las condiciones del proceso La mayoría de los estudios sobre optimización del proceso y sobre los fenómenos básicos que ocurren dentro del extrusor son recientes, particularmente dentro del campo de la extrusión de rosca doble. El gran desafío es ser capaz de elegir racionalmente las condiciones del proceso, de modo que se obtenga el producto final con la calidad deseada. 6.1. Estudio de los parámetros
El primer camino para conocer el efecto de los parámetros del proceso en una determinada propiedad funcional es procesar las muestras en diversas condiciones diferentes y trazar la propiedad medida en función de las variables modificadas. Este fue el primer camino en los estudios sobre la extrusión y todavía está en uso actualmente, particularmente cuando se desea conocer propiedades específicas. Como se muestra en la parte previa del trabajo, los resultados son generalmente difíciles de generalizar por no c onsiderar con frecuencia la interacción entre los parámetros del proceso. 6.2. Metodologia de superfície de respuesta
Otro camino que se ha utilizado es la aplicación de la metodología de superficie de respuesta, que permite observar los cambios en las características del extrudado con cambios en dos variables al mismo tiempo. El principio básico de la metodología de superficie de respuesta es relacionar las propiedades del producto (mecánicas, funcionales, nutricionales y sensoriales) y las variables del proceso (geometría del extrusor y de la rosca, características de la m ateria prima, variables de operación con el grado de , la velocidad de la rosca, la temperatura de la camisa del extrusor) por medio de ecuaciones de regresión multiquadráticas que posibilitan describir las interrelaciones entre los parámetros que presentan una formulación matemática simple (Cochran, & Cox, 1957). Los datos se obtienen generalmente después de la concepción de un delineamiento experimental, con el número mínimo de experimentos posible. Los resultados son representados por el mapeo de la superficie de respuesta que resume gráficamente la evolución de una propiedad con dos parámetros del proceso. Las principales limitaciones de esta metodología son la pre-definición del intervalo de variables de estudio y la dependencia de los resultados de la ecuación modelo presupuesta. Además, no se tiene información sobre las variables del proceso que no están incluidas en el delineamiento experimental, aunque sus efectos sean importantes. A partir de la década de 1970 se han publicado trabajos sobre la extrusión de almidones y productos amiláceos utilizando la metodología de superficie de respuesta. La mayoría de los trabajos han mostrado los efectos de variables de extrusión como (tales como temperatura, humedad de alimentación, rotación de la rosca) en las características del producto final (tales como índice de absorción de agua, índice de solubilidad en agua, viscosidad después de la cocción , susceptibilidad enzimática, textura en el Instron Universal y sensorial, densidad aparente, índice de expansión, entre otros de particular interés).
6.3. Modelo sistemático analítico: Critério de introducción de energía
Un grado determinado de transformación del producto puede obtenerse a través de varios conjuntos de parámetros de proceso; de esta forma, un valor que refleje la transformación del producto sería muy valioso. Este valor cuantificaría la noción de severidad del tratamiento: cuanto mayor sea la severidad, más el producto se transforma. La mayoría de los autores que trabajaron en este tema, usando extrusores de rosca única y doble, propusieron que la energía agregada al producto fuera ese criterio. Esta energía se separa en energía mecánica (suministrada por el motor) y la energía térmica (que viene del sistema de calefacción). El efecto de la energía específica en la transformación del producto fue evidenciado por algunos autores. (X), los parámetros del sistema (Y), parámetros estructurales (S) y parámetros deseados (Z), según el esquema presentado en la Figura 16, con las relaciones: Z = f (S) ), S = f (Y) y Y = f (X). Los parámetros del proceso corresponden a las variables de extrusión, las cuales controlan la energía suministrada en el proceso. La introducción de la energía específica, caracterizada por los parámetros del sistema, es responsable de los cambios de la estructura del almidón. Estos cambios estructurales del almidón influyen en sus características finales en el producto extruido. Así, es posible conocer el efecto de los parámetros de extrusión (diámetro de la matriz, temperatura de la camisa y contenido de humedad) en la energía mecánica específica suministrada al sistema, y también el efecto de la energía en la solubilidad del almidón extruido. Figura 16. Esquema de la ecuación de los parámetros de extrusión y sus respectivos efectos. 7. Referencias bibliográficas
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