Guía práctica de Extrusión.

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1 Guía práctica de Extrusión.
Temario: Definición de EXTRUSIÓN y términos asociados. Fenómenos físicos y químicos involucrados en la extrusión. Tipos de extrusores. Herramientas útiles para caracterización de ingredientes. Selección de Materias Primas para extrusión. Insertos. Temas especiales.

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La palabra extrusión proviene del latín “extrudere” que significa forzar un material a través de un orificio.

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Para el ramo de alimentos podríamos definirlo como: “La Extrusión de alimentos es… un proceso en el que un material (grano, harina o subproducto) es forzado a fluir, bajo una o más de una variedad de condiciones de mezclado, calentamiento o cizallamiento, a través de una placa/boquilla diseñada para dar forma o expandir los ingredientes”.

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En alimentos utilizamos el proceso de extrusión para diversos propósitos como por ejemplo: lo usamos para producir churros, cheetos, pellet, cereal de desayuno, entre otros. Extruído para Snacks. Cereal para desayuno.

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TIPOS DE EXTRUSORES. Extrusor de Laboratorio. Extrusor para churros. Extrusores para Tortilla.

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Tipos de extrusores: Para el proceso de extrusión de Pellet o extrusión directa se pueden manejar desde un tornillo, que en Inglés se llama SINGLE o de Doble Tornillo o TWIN. Extrusor Mapimpianti (Single). Extrusor Bühler (Twin).

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El proceso de extrusión es diferente en cada uno de estos productos dependiendo la naturaleza de los ingredientes a utilizar, su tratamiento previo y el producto final que necesitemos. Por ejemplo: para el caso de Cheetos necesitamos un producto con gran expansión, para el Pellet un producto que se pueda almacenar para freír o explotar después y para Churros un producto que tenga la forma y sea fríto en el momento.

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Con el proceso de Extrusión podemos lograr lo siguiente: 1.-Cocción 2.-Pasteurización 3.-Expansión 4.-Reducción de Humedad 5.-Homogeneización y reestructuración. 6.-Durante la extrusión el material sufre cambios físicos y químicos

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Durante el proceso de extrusión se llevan a cabo los siguientes procesos: Amasado Desarrollo de Sabores Mezclado Evaporización Homogenización Presurización Texturización Expansión Formado Calentamiento Enfriamiento Coloreado Fusión

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Esquema Básico de un equipo de extrusión para alimentos:

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Variente con acondicionador de material de alimentación.

12 Extrusor de Pasta

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Diferencias entre Extrusor Single (un solo tornillo) Zona de plastificación Zona de transporte sólido. Zona de transporte fundido Zona de plastificación

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Diferencias entre Extrusor Twin ( doble tornillo). Elementos Twin Extruder.

15 Extrusor de Maíz

16 Sistema de Alimentación extrusor.

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Elementos básicos de un Extrusor. Tornillos o elementos: Estos son segmentos que dependiendo de su configuración (paso, ángulo y espesor) pueden ser de transporte, de cocción, reversos, o cónicos (parte final) Barril: Son los elementos que recubren los tornillos y el eje. Los barriles pueden ser enchaquetados o no, e inclusive circular refrigerantes o vapor e incluso fluidos a alta temperatura.

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Elementos básicos de un Extrusor. Dados o Insertos : este es la parte final del extrusor y es el responsable por dar la forma final al producto. El dado es el elemento mas importante para generar presión en sentido opuesto al flujo lo que produce el incremento de la presión y la temperatura en el extrusor. Cuchillas de corte: Las cuchillas son obviamente utilizadas para cortar el producto final; pero dependiendo del producto las cuchillas puede ser rígidas, flexibles y también solo un hilo de acero (productos altos en humedad).

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Productos: Equipos: Operaciones que se llevan a cabo. Condiciones de operación: Extrusión Directa. Cheetos, twistos, American E., Wenger, Clextral, Schaaf, Tipos: Single, Twin Mezclado, Cizalla, Gelatinizado, Formado. Humedad Mezcla: 14-16% Temperaturas: °C Pellet. Sabriton Pavan, Clextral Tipos: Single, Twin Mezclado, Amasado, Cizalla, Gelaltinizado, Formado. Humedad Mezcla: 24-30% Temperaturas: °C Cereal de Desayuno. Zucaritas, Chococrispis Bonnot Bhüler Single o Twin. Mezclado, Amasado, Gelaltinizado, Formado ó solo Formado Rolado Maíz. Fritos, Churros Extrusor tipo pistón. Formado Humedad de masa: 45-50%

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En el proceso de extrusión de Pellet o Cereal de Desayuno por medio de extrusión generalmente usamos mezclas de harinas. Esto se hace por diversas razones: para reducir costos, obtener propiedades específicas como textura, expansión, entre otras. Las harinas se elaboran a partir de cereales, como por ejemplo: maíz, trigo, cebada y en otras ocasiones de tubérculos como la papa, la tapióca, entre otras. Las harinas están compuestas por almidón el cual se encuentra en forma de agregados moleculares poliméricas denominadas gránulos.

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Almidón de maíz Almidones: 1. trigo    2. centeno;     3. maíz;    4. arroz;    5. papa;      6. legumbre

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Los Gránulos de Almidón se componen de: Amilosa y Amilopectina. El porcentaje de una u otra varía dependiendo su orígen: La amilosa está formada por cadena larga, que se dispone enrollada con estructura en hélice. La amilopectina tiene mayor tamaño molecular que la amilosa. La disposición básica es similar a la de la amilosa, pero se distingue por poseer ramificaciones que se desprenden de esta cadena lineal.

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En que nos influye la Relación de Amilosa – Amilopectina en nuestro proceso de Extrusión? Básicamente el Gránulo de almidón es una cápsula cubierta con una capa de proteína, cuya función es evitar que se este se rompa y el alto contenido de amilosa puede dificultar la adecuada gelatinización del almidón por su naturaleza cristalina, resultando en una expansión pobre. La amilopectina por su parte tiene un grado de cristalinidad inferior a al de la amilosa, por lo que no tiende a recristalizar, poseyendo un alto poder de retención de agua. Esto nos da una mejor expansión en nuestro producto.

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Gelatinización: Los gránulos de almidón no son solubles en agua fría, pero pueden tener la capacidad de contener agua al aumentar la temperatura, es decir los gránulos de almidón sufren el proceso denominado gelatinización o gelificación. Durante la gelatinización se produce la solubilización de la amilosa, la gelatinización total se produce normalmente dentro de un intervalo más o menos amplio de temperatura, siendo los gránulos más grandes los que primero gelatinizan. Los diversos estados de gelatinización pueden ser determinados.

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Estos estados son: la temperatura de iniciación (primera observación de la pérdida de birrefrigerancia), la temperatura media, la temperatura final de la pérdida de birrefrigerancia (TFPB, es la temperatura a la cual el último gránulo en el campo de observación pierde su birrefrigerancia), y el intervalo de temperatura de gelatinización. Al final de este fenómeno se genera una pasta en la que existen cadenas de amilosa de bajo peso molecular altamente hidratadas que rodean a los agregados, también hidratados, de los restos de los gránulos. Durante la extrusión el material circula a medida que se somete a las condiciones de alta temperatura y presión, así como el cizallamiento, cambia a un estado viscoelástico (Fluído no Newtoniano)

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Relación Amilosa – Amilopectina de algunos cereales. Arroz Trigo Maíz Papa Amilosa (%) 18.5 25 24 20 Amilo-pectina 81.5 75 76 80

27 Características de algunos almidones usados en la industria alimenticia
Tipo Amilopectina (%) Amilosa (%) Temperatura de gelatinización (°C) Tamaño de gránulo (micras) Maíz 69-74 26-31 62-72 5-25 Maíz rico en amilasa 20-45 55-80 67-80 Papa 73-77 18-27 58-67 5-100 Arroz 83 17 62-78 2-5 Tapioca 82 18 51-65 5-35 Maíz céreo 99-100 0-1 63-72 Sorgo céreo 67-74 Trigo 76 24 58-64 11-41

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Gelatinización: Temperaturas de Gelatinización: Dependen del Ingrediente a utilizar: Trigo: 58 – 65 °C Papa: 59 – 68 °C Maíz: 62 – 72 °C Arroz: °C Generalmente en los procesos de Gelatinización se sigue un perfil de temperaturas en el extrusor siempre de menor a mayor. En caso de extrusores de un solo tornillo con una sóla resistencia de calentamiento usar la máxima temp. En una mezcla de ingredientes utilizaremos como perfil de temperatura el mayoritario dentro de la fórmula.

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Gelatinización: Notas Importantes: 1.-Hay que tomar en cuenta las temperaturas de gelatinización en las mezclas. Si escogemos ingredientes con diferencias grandes de gelatinización pasa que mientras uno apenas está gelatinizando el otro ya sobrepasó este rango y se dextriniza. 2.- Es importante notar que si vamos a utilizar mezclas de cereales, la granulometría tiene que ser muy parecida, ya que en caso contrario tendremos una separación por diferencia de densidad en algunos de los procesos claves de extrusión, como por ejemplo, en el mezclado y el transporte. Esto nos puede causar problemas en el extrusor, como por ejemplo un atascamiento.

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Insertos (Dies): Los insertos son los que nos dan las figuras y la variedad dentro del proceso de Extrusión. Hay que tomar en cuenta para que proceso de extrusión se van a aplicar estos insertos, ya que aunque el principio el es mismo: hacer pasar un fluido a través de un inserto. Las propiedades del fluido a extruir (reología) son diferentes. Tomando el caso más sencillo, que es el de extruír una forma para maíz. En este caso utilizamos una masa de maíz con una humedad aproximada de 50% de humedad y con sólo 32 % de gelatinización del almidón. Esto nos da características diferentes a la hora de extruir. Para este caso tenemos un fluído que no es plástico y que tiene un exceso de humedad, y no se requiere gelatinización extra.

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Insertos: En el caso del Pellet tenemos un fluído plástico o gel que está casi completamente gelatinizado y que se hace pasar a través de una cámara para igualar el flujo lo más posible y tener una figura mejor definida y con un grosor igual alrededor de toda la periferia. A continuación se muestran dos ejemplos de insertos usados para Maíz y Pellet. Note las diferencias.

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Insertos para distintos tipos de producto. Insertos para producto gelatinizado Pellet. Insertos Maíz. Barrenos Cámara

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Insertos para distintos tipos de producto.

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Distintos tipos de Pellet.

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Proceso para elaboración de Insertos.

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Todo está muy bien ¡¡¡, Pero como sé si mi producto está bien gelatinizado y puedo lograr una buena expansión ??? Dentro de las Herramientas Útiles para Extrusión tenemos el RVA ( Rapid Visco Amilizer) y el DSC ( Differential Scanning Calorimetry). Cada una nos dá una visión diferente y complementaria de la muestra a analizar materia prima, pellet, etc : El RVA nos proporciona información sobre que tan gelatinizado está una muestra, es decir nos dice que tanto almidón presente tenemos todavía. El análisis se hace calentando la muestra a un perfil dado y registrando las diferencias de viscosidades en el proceso, al calentar y después enfriar la muestra.

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El DSC es una técnica termoanalítica en la que la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura. La calorimetría de barrido diferencial puede ser utilizada para medir varias propiedades características de una muestra. Usando esta técnica es posible caracterizar procesos como la fusión y la cristalización así como temperaturas de transiciones vítreas (Tg). La DSC puede ser también utilizada para estudiar la oxidación, así como otras reacciones químicas

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Elementos del RVA Rapid Visco Analyzer

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Hinchamiento Gránulos almidón. Máxima viscosidad Estructura Gelatinizada Gránulos Dispersos Estructura Cristalina Estructura Despolimerizada Ejemplo de un RVA

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Ejemplo de un RVA

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3000 3000 2400 Raw Pk = 1800 Viscosity cP Final = 1200 Cold Pk = 600 Newport Scientific Pty Ltd 4 8 12 16 20 20 Time mins ¿Cuáles son las diferencias? , ¿Cuál va a ser el mejor producto?

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Calorimetro Diferencial de Barrido.

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Tg= Temperatura de trancisión vítrea. Tc= Temperatura de cristalización. Tm= Temperatura de fusión.

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Ejemplo de un DSC

46 Alimentación discontínua
Posibles problemas en extrusión y Soluciones rápidas. PROBLEMA. CAUSA. SOLUCION. Variación en el Tamaño. Alimentación discontínua Verificar que los dosificadores estén alimentando con un flujo constante Burbujas grandes en el extruído Exceso de humedad en la mezcla de cereales. Disminuir flujo de agua a la mezcla de harinas. Producto sin expander (Crudo) Falta de temperatura Incrementar el perfil de temperaturas. Producto muy expandido Baja Humedad en la mezcla Incrementar humedad o disminuir rpm

47 !!!..Muchas gracias por su atención..!!!

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Bibliografia: -Revisión de aplicaciones de extrusión, José García Reverter, ainia centro tecnológico. Formation of Resistant Starch by a Twin-screw extruder, 1998, Cereal Chem. “Química de los Alimentos”, Beliltz, H.D. Y Grosch, W. Ed. Acribia. -

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