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Extrusión

Publicado: 28 de julio de 2014
Por: Matias Juncos, Ingeniero Agronomo. JJ Proyectos Agroindustriales (Traduccción del Manual: "Process Description Pet food production Wenger" , Prepared by: Wenger Pet food Process Team; Galen Rokey, Processing Technology Manager and Brian Plattner, Process Engineer)
Materia Prima: Características y selección.
La formulación de ingredientes crudos (materia prima), selección del equipo de procesamiento y las condiciones de procesamiento son regiones independientes de control que deben ser puestas en práctica durante la confección de extrusados. Si bien, son regiones independientes, la discusión de una de ellas, deberá incluir los otros aspectos.  En esta sección se tratará la selección de ingredientes y cómo reaccionan durante el proceso de extrusado.
La utilización de la materia prima y el costo de la formulación son factores operacionales claves. La habilidad de alterar las condiciones de proceso y las formulaciones de materia prima para mantener los costos de formulación al mínimo, mientras se mantiene alta calidad y costos de operación mínimos, es un desafío para todos los procesadores.
La selección de los ingredientes tiene un tremendo impacto en la textura, uniformidad, extrudabilidad, calidad nutricional y viabilidad económica del producto. Entre ciertos límites, determinados por un nutricionista, la extrusión puede producir un amplio rango de productor.
En general, durante el proceso de extrusado de grano de cereal y mezclas de proteínas, el material granulado humedecido y los materiales harinosos, se convierten en una masa.
Los compuestos almidonosos se gelatinizan, resultando en un incremento sustancial de la plasticidad de la masa.
Algunos constituyentes proteicos pueden impactar en la elasticidad que es característica de la masa hidratada. Otros materiales proteicos, con proteínas de baja solubilidad como la harina de carne o de pescado, pueden contribuir en menor medida a las propiedades de adhesividad y de elasticidad.
Almidón.
El almidón es en principal carbohidrato que se encuentra en el alimento para mascotas. Los niveles de almidón pueden variar desde cantidades muy pequeñas, cercanas a un 5%, hasta niveles que llegan al 60% de la formulación. Cuando ocurre la gelatinización como consecuencia de la cocción que sucede durante el extrusado, el almidón se torna soluble y absorbe grandes cantidades de agua. El almidón es una importante fuente de energía en el alimento para mascotas. Muchos estudios han demostrado que los perros no pueden digerir el almidón crudo, pudiendo provocar diarrea. El almidón también contribuye tanto a la expansión, como a la aglutinación del producto final.
La fracción de amilosa del almidón tiene mayores propiedades aglutinantes del producto que la fracción de amilopectina.  El almidón cuyo origen proviene de tubérculos de papa y tapioca, que poseen altos porcentajes de amilosa, son las mejores opciones como aglutinantes para mejorar la cohesión del producto final. El almidón pre-cocido, a veces es utilizado en las formulaciones, aunque su elevado costo limita su uso.
Los niveles de almidón en el producto final, son determinados por los requerimientos nutricionales y por la densidad deseada de la masa. Incrementos del contenido de almidón, puede conllevar a disminuir la densidad del producto extrusado. En gatos y cachorros, niveles de almidón del 30%  son los más utilizados. En perros adultos, suele utilizarse un nivel de 40% de almidón.
Proteína.
Cuando se realiza la formulación y procesado del alimento de mascotas por extrusado, es importante entender que los granos de cereal como único ingrediente, no pueden cubrir los requerimientos de aminoácidos para un crecimiento apropiado y mantenimiento del estado corporal. Por lo tanto, se utilizan ingredientes proteicos para completar la dieta. Estos, ocupan un 25 a 70 % de la formulación.
Las proteínas se dividen en proteínas de origen vegetal y animal.
Las proteínas de origen vegetal, se incluyen en harina de soja, harina de gluten, y harina de gluten de maíz. Esta proteína vegetal contribuye en gran medida a los aspectos nutricionales y estructurales del alimento de mascotas.
Debido a su tratamiento a bajas temperaturas, poseen buenas propiedades “funcionales” y colaboran con la expansión y aglutinado durante la extrusión. Pueden ser utilizadas como fuente de proteína en un alimento formulado, o bien, pueden ser procesadas directamente para servirse como suplemente en alimentos secos y enlatados.
No se pueden utilizar exclusivamente proteínas de origen vegetal en el alimento, ya que no proveen los aminoácidos esenciales para el correcto desarrollo y crecimiento de la mascota.
Los aminoácidos de origen animal, generalmente, no contribuyen estructuralmente al extrusado del alimento. Durante su preparación, con frecuencia, son sometidos a tratamientos de altas temperaturas, provocando que las proteínas se conviertan en “No funcionales”. La excepción sería en productos que son utilizados frescos o procesados de manera que conserven la solubilidad proteica como harina de sangre deshidrata. La adición de proteína animal en la formulación, permite completar un perfil de aminoácidos que será entregado al animal. Las fuentes de proteína animal más comunes son: carne fresca, harina de subproductos de ave, harina de pescado, carne y hueso, harina de sangre, y gelatina.
Grasas.
Las grasas o lípidos son una excelente fuente de energía en alimentos de mascotas. Los niveles de grasas pueden exceder el 30% pero usualmente comprende porcentajes menores al 20% de la receta completa.  Si la extrusión se realiza  a baja humedad (con porcentajes de humedad menores al 20%) y temperaturas altas (mayores a 150°C), es muy probable que se formen complejos [lípidos-almidón] y [lípidos-proteína]. Ácidos grasos libres y lípidos polares son especialmente reactivos a esta situación. Análisis de grasa de alimentos extrusados deben incluir hidrólisis y no sólo el método Soxhlet, debido a que este método, no es capaz de romper estos complejos. Es importante aclarar, que el complejo formado por lípidos con proteínas y almidón, no perjudican la digestibilidad del producto.
Los niveles de grasa añadidos durante el extrusado, puede afectar las características finales del producto. La siguiente tabla, nos muestra a modo de guía, el efecto de la grasa  en la calidad del producto según los niveles añadidos.
Tabla N°1: Efecto de los distintos niveles de grasa en el producto.
Extrusión - Image 1
No sólo el nivel de grasa, sino también el origen de la misma, provocará distintos efectos de la tasa de expansión durante el extrusado. Por ejemplo, un 15% de grasa en la fórmula, donde el origen de la misma, es suministrado adicionando Canola, tiene menor efecto en la expansión que si se añade el mismo porcentaje de grasa a través de aceite de canola.
Un calentamiento a 40  - 60°C a las fuentes de lípidos, previo al mezclado, minimizará la viscosidad dependiente de la temperatura, asistiendo a la cocción-extrusado del producto final y reduciendo el efecto de expansión-depresión.
Las fuentes más comunes de grasas son: sebo, grasa de ave, aceites vegetales, aceites marinos, y mezclas de distintas fuentes. La selección de grasas duras (con altas temperaturas de fusión), pueden ser utilizadas para minimizar los efectos de migración de la grasa al mínimo en los envases durante el almacenamiento.
Fibras.
Alimentos de bajas calorías para mascotas obesas o inactivas, son cada vez más habituales en el mercado. Estas dietas poseen altos niveles de celulosa y hemicelulosa. Las condiciones de extrusión rara vez son tan severas como para afectar la digestibilidad de la  fibra. Sin embargo, ingredientes ricos en fibras poseen densidad de la masa y propiedades de hidratación bastante distintas a los ingredientes tradicionales, por lo que requieren una configuración de la Extrusora bastante diferente otorgando distintas condiciones de procesado.
Altos niveles de ingredientes fibrosos, tienen a provocar una ruptura en la continuidad de la matriz de carbohidratos del producto final extrusado, resultando en una apariencia áspera y con una excesiva proporción de finos. El contenido de almidón de algunos ingredientes fibrosos como afrechillo de trigo o de arroz, pueden variar desde un 16 a un 40% dependiendo de la variedad, condiciones de crecimiento y propiedades de molienda del grano. La variabilidad de los niveles de almidón, pueden afectar dramáticamente el proceso de extrusión.
Ingredientes menores.
Las vitaminas son una categoría importante dentro de los ingredientes menores. Cada vitamina tiene su propio comportamiento característico durante el procesamiento térmico, y algunas son inestables durante el almacenamiento. La estabilidad de la vitamina durante la cocción por extrusión se ve afectada por la humedad, la presión, corte, y temperatura. Las vitaminas liposolubles, que incluyen las vitaminas A, D, y E, son bastante estables durante la extrusión, aunque se han experimentado pérdidas del 15 al 20% (Tabla 2). El nivel de humedad de extrusión tiene el mayor efecto en cuando a la retención de vitaminas. Como regla general, los niveles de humedad más altos mayor retención de vitaminas.
Tabla N°2: Pérdidas de vitaminas durante la extrusión.
Extrusión - Image 2
Se deben considerar las siguientes opciones para mantener un nivel de vitaminas recomendado en los productos de mascotas:
  1. Utilizar excedentes para compensar las pérdidas ocurridas durante el almacenamiento y procesado.
  2. Utilizar formas termo-estables: Formas encapsuladas de silicona y gelatina que mejoran la estabilidad térmica.
  3. Adicionando vitaminas con revestimientos tópicos como grasa: Grasa fortificada en vitaminas que puede ser rociada en el alimento extrusado, esta práctica es efectiva en el mantenimiento de estabilidad durante el almacenamiento posterior. Sin embargo si la grasa es conservada bajo altas temperaturas por periodos prolongados de tiempo, las pérdidas de vitaminas pueden ser elevadas.
Colorantes y pigmentos, son generalmente adicionados al alimento de mascotas para atraer al humano y para provocar una distinción entre productos, orientada al humando, más que al consumidor: La mascota.
Generalmente los colorantes de comida, drogas, y cosméticos son estables ante el proceso de extrusión. Su intensidad suele disminuir si la expansión es mayor. Añadiendo  pequeños niveles de dióxido de titanio, puede reducir el nivel de colorante.
Alimentos semi-húmedos para animales domésticos son estabilizados y protegidos de la descomposición, sin refrigeración. Los sistemas de conservación están integradas dentro de la formulación con el fin de ajustar la actividad del agua del producto final (Aw) a un nivel (0.65), donde se impide el crecimiento de microorganismos o es reducido en gran medida. La Aw disminuye a través del uso de humectantes (azúcares, jarabes, sales, y alcoholes polihídricos tales como propilenglicol).
Estos alimentos para animales domésticos se estabilizan adicionalmente mediante el ajuste del pH a los niveles de (4,0 a 5,5) que son demasiado bajos para el desarrollo y supervivencia de gran gama de  microorganismos. Esto se realiza incorporando uno a dos por ciento  de ácido fosfórico o ácido láctico. La inclusión de agentes antimicóticos tales como sorbato de potasio en niveles de 0,2 a 0,3 por ciento protege adicionalmente contra el crecimiento de moho. Las formulaciones suelen reflejar la preferencia por lo dulce por parte de los perros y la preferencia por los sabores ácidos por parte de los gatos.
Puede ser deseable la incorporación de potenciadores de sabor para aumentar la palatabilidad. Estos potenciadores incluyen la grasa animal, extracto líquido de carne, aceites vegetales o de pescado, extracto de grasa animal, cebolla, azucares, productos deshidratas de leche, etc. Estos ingredientes pueden ser mezclados por revestimiento por spray o inmersión en el producto terminado o bien, pueden ser mezclados con las otras materias primas antes de la extrusión. La decisión en cuanto al uso de estos ingredientes y donde incorporarlos, afectará consecuentemente la palatabilidad del producto.
Una serie de ensayos condujeron a ilustrar estos conceptos incluyeron la extrusión de alimento seco para perros a base de carne fresca y grasa blanca, introducidos en diferentes etapas del proceso. Los productos resultantes fueron utilizados para alimentar perros y de esta manera, determinar la palatabilidad. El índice de palatabilidad en un término creado para indicar la preferencia relativa de los perros, demostrada para diferentes productos. La tabla 3, resume los resultados.
Tabla N°3: Efectos de los potenciadores de palatabilidad y lugar de introducción
Extrusión - Image 3
Formulaciones típicas.
Los alimentos comerciales para mascotas pueden ser categorizados en 4 tipos:
  1. Alimentos secos
  2. Semi-húmedos o alimentos blandos
  3. Golosinas
  4. Enlatados o congelados
Los alimentos secos es el segmento más largo de las 4 categorías. El producto final se encuentra expandido o semi-expandido. Poseen entre un 8 y 10% de humedad y son confeccionados a partir de granos de cereal, productos derivados de cereal, productos de soja, productos animales, productos derivados de leche, grasas, aceites, minerales y vitaminas.
Los productos semi-húmedos no han crecido rápidamente en la industria de la alimentación de mascotas. Estos, poseen una humedad  comprendida entre el 22 y 30% y requieren de la implementación de algún sistema de preservación controlando la actividad del agua de la formulación. Poseen ingredientes similares a los alimentos secos. Es esencial la utilización de ingredientes harinosos o de partícula chica.
Las golosinas extrusadas generalmente tienen formas de galletas, huesos, varillas, obleas o tiras y entran en la categoría de alimentos semi-húmedos. Su tamaño, forma y perfil nutricional, los diferencia de las otras categorías, aunque se utiliza la extrusión como proceso para su confección.
Los enlatados, son alimentos realizados con fórmulas nutricionalmente completas o como suplementos. Contienen al menos un 65% de humedad y utilizan prácticamente los mismos ingredientes que los otros productos. Aunque el producto final no es usualmente extrusado, los ingredientes o componentes individuales pueden sufrir una cocción por medio de extrusado.
Preparación de la materia prima.
El tamaño de partícula de la materia prima afectará la textura y uniformidad del producto final. El proceso de extrusión puede utilizar un gran espectro o tamaño de partículas de los ingredientes. Es deseable, pero no necesariamente esencial, que las partículas tengan un tamaño y densidad uniforme para evitar la segregación de los ingredientes durante el mezclado y transporte previo a la extrusión. Más importante aún, un tamaño uniforme de la partícula, promueve una cocción o absorción de  humedad uniforme durante la extrusión. Esto nos permite prevenir la obtención de partículas duras y parcialmente cocidas en el producto final.
Cuando los granos enteros son recibidos en la planta de manufactura, deben ser sometidos a una pre-molienda que origina partículas capaces de pasar a través de una apertura de 1000 micrones o mayor, previo a la mezcla. La formulación inicial, luego es molida previo a la extrusión para alcanzar el tamaño de partícula deseado. Cuando las aperturas de la matriz son de 3 mm de diámetro o mayores, es común para esta última molienda que se realice a través de una matriz con orificio de 1,2 mm. Con matrices de aperturas menores a 3 mm de diámetro, el tamaño de partícula máximo deberá ser un tercio del tamaño de apertura. La tabla 4 contiene un análisis de tamaños de partículas típicos de molienda a través de aperturas de 1,2 mm.
Tabla N°4: Análisis de tamaño de partícula en alimentos para mascotas
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Selección de equipos
La elección de los equipos de procesamiento para una planta de manufactura es muy importante. Deben ser elegidos aquellos equipos de mayor eficiencia operativa, mayor versatilidad y de menor costo total. Cuando se dimensiona el equipamiento para cualquier fábrica, es importante determinar a qué ritmo o capacidad, operará la fábrica. También debe ser considerada la posibilidad de un crecimiento o expansión.
Por ejemplo, puede ser un costo extra pero muy pequeño, la adición de un transportador o tolva de almacenamiento cuya capacidad sea el doble de la necesidad actual. El equipamiento en las plantas de alimentos para mascotas es requerido para las siguientes funciones: Recepción, almacenamiento, molienda, mezclado, transporte, extrusado y cocción, secado y enfriado, bombeo, revestimiento y envasado.
La fracción de extrusión requiere: un alimentador, preacondicionador, extrusora con dado y cuchillas ensambladas, como se muestra en la figura 1.
Cada componente está diseñado para cumplir una función específica en el proceso de cocción y confección del producto de alimento de mascota. Las condiciones de operatividad pueden ser ajustadas para variar las características del producto terminado.
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Figura N°1: Sistema de extrusión.
Alimentador
El alimentador provee un medio de ingreso uniforme y preciso de la materia prima al preacondicionador y consecuentemente a la extrusora. Este flujo de materia prima debe ser ininterrumpido y de velocidad controlable. El alimentador controla la velocidad de la materia prima o el rendimiento del sistema completo. Se pueden utilizar sistemas de tornillos o sinfín, de velocidad variable para medir volumétricamente los ingredientes que ingresan al sistema.
Estos mismos dispositivos pueden ser diseñados para  actuar con un sistema de alimentación gravimétrico  por pérdida de peso (Loss-in-weight) montando el alimentador en celdas de carga e ir controlando continuamente su peso.
Preacondicionador
La uniforme y completa penetración de humedad en las materias primas, mejora sustancialmente la estabilidad de la extrusora y optimiza la calidad del producto. Adicionalmente, aumenta la plasticidad de la materia prima previo a la extrusión, disminuyendo en gran medida el desgaste de la extrusora por el material abrasivo utilizado.
En un preacondicionador atmosférico, la humedad es adicionada uniformemente en forma de agua y/o vapor para llegar a un contenido de humedad de 10-25%. El agua es incorporada desde la parte superior  del preacondicionador utilizando pulverizadores para atomizar el agua reduciendo así, la carga de mezcla en el preacondicionador. Por otro lado, el vapor se añade desde la base del preacondicionador. El diseño de tubería del vapor debe ser diseñado para proveer de un flujo constante de vapor.
Los preacondicionadores que se utilizan desde 1960 para el proceso de extrusión, contienen uno o dos elementos de mezclado/transporte. Estos consisten en  ejes rotativos con paletas anexas de manera radial. Para el periodo de preacondicionado, se utilizarían cámaras atmosféricas o presurizadas. Estas últimas, pueden llegar a temperaturas más elevadas pero tienen un potencial de destrucción de nutrientes, también mayor, al igual que los costos operativos. De Meulaere (1969) ha reportado perdidas de lisina correspondientes a valores entre el 13 y 28% en preacondicionadores presurizados, a diferencia de unas pérdidas cercanas al 3% en las atmosféricas.
La adición de humedad total, temperatura del producto y tiempo de retención son condiciones del proceso que pueden ser controladas, según los resultados a los que se pretende llegar. La inyección de vapor por sí misma,  puede elevar la humedad no más de un 5-7%. Es la adición de agua la que nos permitirá llegar a niveles de humedad mayores. A niveles de humedad del 20% o menores, el grado de cocción del material en el preacondicionador, rara vez superará el 20%.
Hay numerosos estudios que indican que es necesario un mínimo del 30% de humedad en alimentos balanceados para lograr completar la gelatinización.
Los flujos de vapor y agua usualmente están balanceados de manera que nos permitirán llevar la temperatura de la mezcla a unos 70-90°C en el momento de la descarga del preacondicionador.
En esta fase, se pueden adicionar aditivos líquidos e ingredientes como carne fresca, aceites, saborizantes, colorantes, asegurando una mezcla completa y continua de todos los ingredientes que componen el alimento antes de entrar a la fase de extrusado.
Si se añaden grasas en forma líquida, suele realizarse cerca de la descarga del preacondicionador para permitir un acondicionado óptimo. La grasa tiende a revestir cada partícula individual, dificultando la absorción de humedad y la transferencia de energía térmica que nos permite completar la gelatinización. Por otro lado, si se añaden altas cantidades de grasa (15-20%) durante el proceso de extrusado, una porción de la misma, deberá ser inyectada cerca del área de descarga del barril del extrusado. Extendiendo los tiempos de retención en el preacondicionador, podremos mejorar la gelatinización en fórmulas con alto contenido de grasa.
La figura 2, muestra el efecto de la adición de vapor en el grado de cocción para una formulación típica de alimentos para mascotas.  Esta fórmula utilizada para el ensayo contiene 30% de almidos y 20% de proteína. La cocción se define como el porcentaje de almidón que se ha tornado susceptible a la hidrolisis por amiloglucosidasa.
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Cuando el vapor es añadido a una tasa que supera el 10% en base de materia seca, hay pérdidas de vapor considerables que ocurren desde el preacondicionador al ambiente. Debemos notar que los primeros 120 segundos del tiempo de retención, cuando se expone al vapor inyectado a una presión atmosférica en el preacondicionador, son los más importantes en el proceso  cocción del producto final.
Avances recientes en los diseños con preacondicionadores montados sobre celdas de carga acoplado a un sistema de medición en la descarga del preacondicionador, permiten controlar completamente el vaciado para una utilización de materias primas más eficiente evitando la contaminación cruzada entre distintas fórmulas.
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Matías Juncos
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JUAN MANUEL NANNI
18 de abril de 2016
ESTIMADO ESTAMOS DESARROLLANDO EXTRUSION DE HARINA DE TRIGO EN UNA EXTRUSORA MONOTORNILLO. EL PROBLEMA ES QUE EL PRODUCTO NO SE EXPANDE HOMOGÉNEAMENTE, A SABER, ALGUNOS CHUNKS SALEN MAS EXPANDIDOS Y OTROS MENOS EXPANDIDOS. A QUE SE LE PUEDE ATRIBUIR? DESDE YA, MUCHAS GRACIAS Y CORDIALES SALUDOS
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