Seminario de Extrusión

CAENA, Buenos Aires, Argentina

FACTORES A TENER EN CUENTA EN LA

RECETA / INGREDIENTES Joe Kearns

18 de septiembre, 2012

1) Materia prima

2) Configuración del sistema

(Hardware)

3) Condiciones de elaboración

(Software)

4) Especificaciones del producto final

Cuatro áreas importantes para

evaluar/organizar un proyecto

de extrusión de alimentos para

mascotas

Análisis del tamaño de las partículas de una receta

típica de alimentos para mascotas

20

30

40

50

60

80

Pan

850

600

425

300

250

180

0

1,00

3,00

28,00

29,00

21,00

14,00

4,00

Criba estándar

de EE.UU.

Abertura en

micrones

Porcentaje

de la criba

Diámetro medio promedio: 327 Microns

Desviación geométrica estándar: 1,58

Pautas para la molienda

• Tamaño máximo de la partícula= 1/3 de la

abertura de la boquilla

• Ninguna partícula debe exceder 1,5 mm

Beneficios del tamaño adecuado A. Mejora el aspecto del producto

B. Reduce la incidencia de los orificios de la boquilla rellenos

C. Facilita la cocción

1) Disminuye roturas del producto y granos finos

2) Aumenta la estabilidad y la absorción de humedad

3) Disminuye la densidad del volumen y suaviza la textura

4) Aumenta los niveles de gelatinización del almidón

5) Mejora el rendimiento de la extrusora y preacondicionador

• 6) Disminuye el desgaste de los componentes de la extrusora

7) Disminuye el índice de supervivencia de microbios

8) Mejora la digestibilidad y la palatabilidad

D. Mejora la retención del recubrimiento líquido debido a la

estructura celular

Efectos del tamaño de las partículas de

materia prima sobre el aspecto final del

producto

1,0 mm 1,5 mm 1,0 mm 1,5 mm

Cuando el tamaño de la partícula de la

receta cruda es demasiado pequeño 100% por 425 micrones (malla 40) y 60% por 250 micrones

(malla 60)

• Baja densidad del producto

• Propiedades deficientes para el transporte

de la materia prima a través del sistema de

alimentación

• Hidratación/cocción demasiado rápida que

da como resultado una extrusión inestable

• Mayor cantidad de roturas superficiales y

granos finos

Los componentes de fibra mejoran con molienda de partículas pequeñas y

en consecuencia el aspecto superficial del grano es más suave, incluso

cuando los niveles de fibra son altos

Proteínas

• De origen vegetal

Soja, Legumbres, Trigo/Gluten de maíz, Granos de cereal

Buenas propiedades funcionales

Bajo costo

Necesidad de suplemento para el perfil de aminoácidos

• De origen animal

Carne, Pescado, Aves, Sangre, Gelatina

Escasas propiedades funcionales a menos que sea

fresca o atomizada

Mayores costos aunque en general la palatabilidad es

mayor

Buen perfil de aminoácidos

Comparación de solubilidad de

proteínas animales

Hemoglobina de

sangre secada por

atomización

Harina de

sangre secada

con discos

Comparación de proteína animal

Harina de sangre

Molido fino

Harina de sangre

Efectos de la calidad de las proteínas de

la materia prima

HARINA DE SOJA EN SOLUCIÓN DILUIDA – DESPUÉS DE 30

SEGUNDOS

Efectos de la calidad de las proteínas de

la materia prima

50 / 50 MEZCLA DE HARINA DE SOJA Y AGUA

Efectos del procesamiento de las

proteínas

Métodos de química húmeda

1) Desnaturalización de Proteínas

- Comienza a ocurrir a 55 °C (130 °F)

- Medir PDI (índice de dispersión de la proteína)

- Digestibilidad en un medio ácido

2) Proteínas dañadas por el calor (mala digestibilidad)

- Puede comenzar a 150°C (302°F)

- Medir N2 en una fracción de fibra de detergente ácido

- Mala digestión en medio ácido

Valor biológico proteínico de los

ingredientes frecuentes en alimentos

para mascotas

Huevo

Harina de pescado

Leche

Hígado

Carne vacuna

Harina de soja

Harina de hueso y carne

Trigo entero

Maíz entero

100

92

92

79

78

67

50 (Variable)

48

45

Alimento Valor biológico

Lewis, et al., 1990

1) PDI (Índice de dispersión de la proteína)

2) NSI (Índice de solubilidad de nitrógeno)

Representan una medida de la solubilidad en agua de la

proteína y son indicadores del nivel del tratamiento térmico.

La prueba PDI es más rápido y en general arroja resultados

ligeramente superiores.

Pruebas de laboratorio para indicar la

funcionalidad de la proteína

Efecto de la calidad las proteínas de la

materia prima

Proteína de soja utilizada

para ALIMENTO

ELABORADO (Harina,

concentrado, aislado)

Proteína de soja utilizada

para la ALIMENTACIÓN

(Harina de soja)

Muy oscuro Muy claro

COLOR DEL PRODUCTO

7 PDI 12 PDI 30 PDI 54 PDI

Efecto de los niveles de proteína vegetal en la

extrusión en húmedo

15

17

19

21

23

25

27

29

31

10 15 20 25 30 35 40

Proteínas vegetales de la receta (%)

Extr

usió

n e

n h

úm

edo (

%)

• La proteína se desnaturaliza a 60 – 70 0C

• A medida que la proteína se desnaturaliza, se

vuelve insoluble (no funcional)

• El almidón se gelatiniza a 55 – 75 0C

• A medida que el almidón se gelatiniza, se vuelve

soluble

Sin tratar Sin tratar Después de la

extrusión Proteína

Después de la

extrusión Almidón

Fuentes de proteínas vegetales que

realizan un importante aporte de

almidón

Componente Proteína Grasa Fibra Almidón

% 17 – 30 0.5 – 3.5 5.0 – 6.0 35 - 50

Haba Arveja silvestre Lupino

Almidón

•Carbohidrato – fuente de energía

•Estimula la expansión

•Mejora la adhesión y durabilidad del pellet

•Se encuentra en dos formas

Amilosa

Amilopectina

•Niveles en alimento para mascotas 10 - 60%

Almidón de una papa

cruda aumentada 450

veces

Efectos de la extrusión en los

componentes del almidón

Proceso

Receta sin procesar

Preacondicionador

Extrusora

Secadora

% Cocción

15,5

31,6

92,8

96,7

El promedio de cocción del alimento para mascotas

es del 85%

El arroz como fuente

de almidón

1) Son gránulos pequeños y compactos que se

hidratan lentamente

2) Cuando se gelatinizan se vuelven pegajosos

3) Se selecciona una variedad de grano largo en

lugar de mediano o corto ya que son mucho

menos pegajosos cuando se los cocina

4) Se digieren fácilmente incluso cuando los

valores de cocción sean bajos

Foto de W.P. Armstrong

El choclo (maíz) como fuente de

almidón

1) Buena expansión

2) Excelente adhesión

3) Pegajoso en niveles altos

(>40%)

El trigo como fuente de

almidón

1) Buena adhesión

2) Buena expansión

3) Puede ser pegajoso si se lo

cocina en exceso

4) Contiene gluten (buen

aglutinante)

Casava (mandioca, tapioca, yuca)

Producto Casava

frita

Harina

de

casava

Desperdi-

cios de

casava

Harina

de

casava

Proteína 1,90 2,60 2,0 0,3

Fibra 3,00 5,60 7,2 0,1

Soluble

CHO

80,50 73,90 79,2 84,4

Grasa 0,72 0,55 0,5 0,1

Productos derivados

de la papa (aglutinante, absorción)

Producto Harina

de papa

Almidón

de papa

Proteína

de papa*

Fibra de

papa

Proteína 8,6 0,1 79,5 -

Fibra 7,9 - 0,7 72,0

Almidón 71,1 80,0 6,6 12,0

Humedad 7,0 18,0 9,5 -

* pH 2,5 – 4,0

El tubérculo como fuente de

almidón

(Papa & Casava)

1) Excelente aglutinante (en niveles del

5%)

2) Requiere menor nivel total de almidón

3) Buena expansión

4) A menudo precocido

5) Suavidad superficial del pellet

6) Mayor costo

Calor de gelatinización de diferentes

almidones

Fuente de

almidón

Calor de

gelatinización

(cal / gram)

Contenido de

amilosa (%)

Tamaño

(micrones)

Maíz rico en amilosa

Papa

Tapioca

Trigo

Maíz ceroso

7,6

6,6

5,5

4,7

4,7

55

20

22

28

0

5 - 25

15-121

5 - 35

1 - 35

5 - 25

Niveles mínimos de humedad

necesarios para iniciar la

gelatinización del almidón

•Trigo

•Maíz

•Maíz ceroso

•Maíz rico en amilosa

•31

•31

•28

•34

Fuente de almidón % de Humedad

Los niveles bajos de humedad durante la extrusión

requieren mayor temperatura de extrusión para

obtener el mismo nivel de cocción.

Fibra

• Funcionalidad en alimentos para

mascotas

1. Control de bolas de pelo en los

gatos

2. Limpieza de dientes

3. Aglutinante de micotoxinas

4. Bajas calorías

5. Retención de agua

6. Control de niveles de digestión

7. Prebióticos Courtesy of Southey Consultants Ltd

Solubilidad de la fibra

Solubilidad Fibra insoluble Fibra soluble

Fermentabilidad Parcial o baja Inmediata o alta

Ejemplos Salvado de

cereales, verduras

(apio, zapallito), piel

de frutas, cáscara

de verduras,

almidón resistente

Beta-glucano de la

avena, cebada,

pectina de la fruta,

semilla de psyllium,

inulina, raíz de

vegetales,

legumbres, gomas

naturales

VARIEDAD DE INGREDIENTES

1) Variedad

2) Condiciones del cultivo y ubicación

3) Condiciones de cosecha y secado

4) Etapas de almacenamiento y elaboración

a) Tiempo entre la molienda y la extrusión

b) Tiempo entre la molienda/mezclado y extrusión

Variación de harinas de trigo - RVA

Ref: L20010308-002

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 200 400 600 800 1000 1200

Tiempo (Segundos)

Vis

co

sid

ad

(c

P)

0

20

40

60

80

100

120

Te

mp

era

tura

(C

)

Temperatura

3,5 g sólidos

25,0 ml líquidos

Después de los factores que

influyen en la maduración

• Después de la cosecha, tienen

lugar cambios bioquímicos que

están influenciados por el

tiempo de almacenamiento.

Derivados • Salvado de trigo

• Sémola de trigo

• Salvado de arroz

Utilidad de la grasa en el

alimento para mascotas

• Fuente de energía

• Palatabilidad/Aceptación

• Ácidos grasos esenciales

• Conductor de grasa soluble

• Vitaminas

• Control del polvo

Fuentes de grasa • Grasa animal

• Grasa de ave

• Aceites marinos

• Mezcla de grasa animal y vegetal

• Grasas vegetales para la alimentación

El nivel de grasa de los productos extruidos se

determina por hidrólisis ácida, método FAH.

Efecto del aumento de grasa en el

preacondicionador

1. Aumenta la estructura de celdas

2. Disminuye la energía mecánica específica (SME)

3. Disminuye el ritmo de hidratación en agua del producto

4. Mejora la calidad del producto si la grasa se agrega en el dispositivo de recubrimiento

5. Mejora la densidad del producto

6. Reduce la durabilidad del producto, mayor cantidad de granos finos

7. Dificulta el secado del producto después de la extrusión

Efecto de los niveles de grasa en la

calidad del producto (Sistemas

monotornillo)

<7%

7-12%

12-17%

Superior a 17%

• Efecto escaso o nulo

• Por cada 1% de grasa superior al 7%, la

densidad en masa final aumentará 16 g/l

• El producto tendrá poca o ninguna

expansión, pero conservará la durabilidad

• La durabilidad del producto final puede ser

escasa

Niveles de grasa en

mezcla extruida Efectos en la calidad del producto

Para los sistemas de doble tornillo, agregar un 5% a las cifras

mencionadas

Efectos de los niveles internos de

grasa sobre la expansión de los

alimentos extruidos

0

5

10

15

% Grasa

agregada

Densidad en masa

256

309

408

533

g / l

Grasa interna vs. Durabilidad del pellet

R 2 = 0,9974

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Grasa interna (%)

Máxim

a t

en

sió

n d

e c

om

pre

sió

n (

g /

mm

2 )

Para maximinar los niveles de

inclusión de la grasa

1) Formular con ingredientes que tengan alto contenido

de grasa inherente (Ejemplo: harina de lino)

2) Calentar la grasa a 40 – 60 0C antes de la inclusión

3) Agregarla más tarde durante el proceso

4) Mantener la función de los niveles de proteínas/

almidón

5) Aumentar el ingreso de energía térmica o mecánica

6) Aumentar los niveles de humedad durante la

extrusión

Efecto de los realzadores de la

palatabilidad y punto de

introducción

• Sin agregado de grasa ni carne fresca

• Premezcla de grasa agregada en la mezcladora

• Grasa agregada al preacondicionador antes de la extrusión

• Carne fresca y grasa agregada al preacondicionador antes de la extrusión

1,00

2,13

5,58

11,35

Ingredientes y condiciones de

elaboración

Índice de Palatabilidad

Pérdida de vitaminas durante la

extrusión

La retención de vitamina depende de:

• Formulación de la materia prima

• Temperatura

• Humedad

• Tiempo de retención

Durante la extrusión se pierde un promedio de 10-15%

de vitaminas y pigmentos. Se hace la compensación

por medio de excedentes. Se pueden utilizar formas

termoestables de vitamina C.

B1

Retención de vitaminas en condiciones

típicas de extrusión*

Vitamina Retención (%)

A 80-88

D3 Estable

E 85

Riboflavina 74-100

Pantotenato 90

Niacina 80

Colina Estable

Biotina 90

Tiamina 88

Polifosfato de ácido ascórbico 96-100

“Stability of Vitamins During Extrusion”, Food Science and Nutrition, Dr. Mian Riaz, 2009

Sistema de conservación necesario

para alimentos semihúmedos (Humedad del producto final del 16-28%)

1. Menor Aw (actividad del agua) por debajo de 0,70 con

humectantes en niveles de 10-12%

2. Disminución del pH a 4,0 - 4,5 con ácidos en niveles del 1-2%

o con acidificadores líquidos (se consiguen acidificadores

secos como el bisulfato de sodio)

3. Agregado de inhibidores de moho en niveles del 0,2-0,5%

Acción del agua vs. humedad en

alimento para mascotas seco y

expandido

Water Activity versus Moisture Content

y = 14.462x + 1.5997

R2 = 0.9906

2

4

6

8

10

12

14

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Water Activity (Aw)

Mois

ture

Level in

Fin

al P

roduct

(%)

Uso de enzimas en el proceso de

extrusión de alimentos para

mascotas Amilasas

- efectos en el proceso

- funcionalidad del producto

Proteasas/Peptidasas

- disminución de la viscosidad de la pasta de

carne recuperada (licuefacción)

- desarrollo del sabor

Lipasas

- desarrollo del sabor

Efecto del tratamiento enzimático de la

pasta de carne recuperada en

alimentos para gatos

Endo-Proteasa es PROTAMEX de DSM Nutritional Products (Datos de Novozymes)

Efecto del tratamiento enzimático de la

pasta de carne recuperada de

alimentos para perros

Endo-Proteasa es PROTAMEX de DSM Nutritional Products (Datos de Novozymes)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

gra

ms

1 2 3 4

Day

TOTAL DAILY CONSUMPTION

No enzyme (041115008)

Endo-Protease (041115009)

Colores sintéticos certificados en

EE.UU. (FD&C) -Azul #1*

-Azul #2

-Verde #3 *

-Amarillo #5

-Amarillo #6

-Rojo #40

-Rojo #3

* Esos colores no se descomponen en el cuerpo,

sino que son eliminados.

Pigmentos y colores “naturales” o no

certificados -Caramelo

-Óxido de hierro

-Dióxido de titanio

-Carmín (pH normal)

-Antocianina (sensible al pH)

-Carotenoides (beta caroteno)

-Achiote (naranja)

-Paprika (naranja)

-Cúrcuma (amarillo)

-Remolacha

-Clorofila

-Luteína

-Alfalfa

Efectos de agregarle reelaborados a

la receta

(Niveles 5 - 10%)

• Color más oscuro

• Menos expansión,

mayor densidad de

masa

• Niveles de cocción más

altos

• Forma más definida

Efecto del tratamiento térmico

en la superviviencia de insectos

>62

50-60

45-50

30-35

25-32

Muere en menos de 1 minuto

Muere en menos de 1 hora

Muere en menos de 1 día

Temperatura máx. para la reproducción

Óptima para el desarrollo

Feed Management, Enero 2001, Vol. 52, No. 1, pág. 27

Temperatura (°C) Efecto

Charles Olsen, USDA APHIS PPQ, Bugwood.org

Efecto de los materiales extraños

durante el proceso de extrusión

1) Los materiales extraños pueden

aumentar el desgaste abrasivo.

2) Las sustancias extrañas pueden

diluir la proteína y la grasa (valor

nutricional).

3) Los niveles altos de material

extraño durante el proceso de

extrusión generalmente dan lugar

al aumento de los valores SME.

4) Cada 22 SME (kWhr/t) genera

$1,25/ton de costos por desgaste.

+ Almidón

+ Aceite (Interno)

+ Fibra

+ Proteína funcional

+ Proteína no funcional

+ Reelaborados

-

+

?

-

+

+

Densidad

de masa RECETA

Dureza del

producto

Suavidad

recubrimiento

Más

uniforme

Mejor

definición

de la

forma

+

-

-

+

-

-

+

+

(1)

(2)

+

+

?

+

?

?

?

+

?

+

+

?

+

+

(1) Función de molido y tamaño de la partícula

(2) Gran estructura de celda