Μελέτη ιδιοτήτων τροφίμων εκβολής

Abstract

Τα τελευταία χρόνια μεγάλη έμφαση έχει δοθεί στη Μεσογειακή διατροφή, καθώς επίσης και στην κατανάλωση φυτικών βιοενεργών συστατικών τα οποία προάγουν την υγεία. Βασικό συστατικό της Μεσογειακής διατροφής αποτελούν τα όσπρια, τα οποία περιέχουν σημαντικά ποσά υδατανθράκων και πρωτεϊνών, ενώ συγχρόνως αποτελούν και μια σπουδαία πηγή βιοενεργών συστατικών. Η εκβολή είναι μια διεργασία τροφίμων η οποία μπορεί να παράγει μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων από απλές πρώτες ύλες και ενδείκνυται για την επεξεργασία πρωτεϊνούχων πρώτων υλών. Η αποδοχή των προϊόντων εκβολής από μέρους των καταναλωτών βασίζεται στο σωστό σχεδιασμό των ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν την ποιότητά τους. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και της σύστασης της πρώτης ύλης στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά ποιότητας των τροφίμων εκβολής, με βάση μίγματα αλεύρων αραβοσίτου και φακής. Για το σκοπό αυτό παρήχθησαν τρόφιμα εκβολής κάτω από διάφορες συνθήκες εκβολής, συμπεριλαμβανομένων της θερμοκρασίας εκβολής και της παροχής του υλικού τροφοδοσίας. Τα μίγματα που εξετάσθηκαν περιείχαν μίγμα αλεύρου αραβόσιτου και φακής, με την αναλογία αλεύρου αραβοσίτου προς φακή να κυμαίνεται σε επίπεδα 0 έως 50%. Οι ιδιότητες που εξετάσθηκαν περιλαμβάνουν τις δομικές ιδιότητες (φαινόμενη πυκνότητα, πραγματική πυκνότητα, συντελεστής διόγκωσης), τις ιδιότητες υφής (μέτρο ελαστικότητας και αριθμός θραύσεων κατά τη διάρκεια της συμπίεσης), τις λειτουργικές ιδιότητες (ικανότητα απορρόφησης νερού και ελαίου και ικανότητα διαλυτότητας σε νερό), τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (εμφάνιση, γεύση, υφή, ολική αποδοχή) και τις μεταπτώσεις φάσεων των τροφίμων εκβολής. Περαιτέρω αναπτύχθηκαν απλά μαθηματικά πρότυπα τα οποία επιτρέπουν την πρόβλεψη των ιδιοτήτων από τις συνθήκες εκβολής και τη σύσταση της πρώτης ύλης. Επίσης έγινε συσχετισμός μεταξύ των ιδιοτήτων και μελέτη των σχέσεων που τις επηρεάζουν. Ακόμα μελετήθηκαν οι παράμετροι που επηρεάζουν το μέσο χρόνο παραμονής κατά τη διάρκεια της εκβολής, ώστε να αναπτυχθεί ένα μαθηματικό πρότυπο πρόβλεψής του. Ο χρόνος παραμονής αποτελεί σημαντική παράμετρο του συστήματος και επηρεάζει την έκταση των διαφόρων φυσικοχημικών μεταβολών που λαμβάνουν χώρα κατά την εκβολή των τροφίμων. Για την πρόβλεψη του μέσου χρόνου παραμονής αναπτύχθηκε ένα εκθετικό μαθηματικό πρότυπο. Έχοντας ως συνθήκες αναφοράς N0=200 rpm, F0=0,001 kg/s, Τ0=200C και Χ0=10% υ.β., βρέθηκε ότι ο μέσος χρόνος παραμονής επηρεαζόταν σημαντικά από το ef0 κενό κλάσμα εκβολέα στις συνθήκες αναφοράς, την ταχύτητα περιστροφής των κοχλιών, την παροχή τροφοδοσίας, τη θερμοκρασία και την υγρασία. Βρέθηκε ακόμη ότι με αύξηση της παροχής του υλικού τροφοδοσίας συμβαίνει μείωση του μέσου χρόνου παραμονής. Οι ιδιότητες δομής των τροφίμων εκβολής επηρεάσθηκαν σημαντικά από τις συνθήκες εκβολής και τη σύσταση των πρώτων υλών. Η φαινόμενη πυκνότητα μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και αυξήθηκε με την παροχή τροφοδοσίας, την υγρασία τροφοδοσίας και την αναλογία φακή/αραβοσιτάλευρο. Το πορώδες επηρεάσθηκε κατά αντίστροφο τρόπο από τις ανεξάρτητες μεταβλητές. Ο συντελεστής διόγκωσης των προϊόντων εκβολής αυξήθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας και μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής, την υγρασία τροφοδοσίας και την αναλογία φακή προς αραβοσιτάλευρο. Η πραγματική πυκνότητα των τροφίμων εκβολής επηρεάζεται μόνο από τη σύσταση του τροφίμου. Για την πρόβλεψη των δομικών ιδιοτήτων από τις συνθήκες εκβολής και τη σύσταση της πρώτης ύλης αναπτύχθηκε εκθετικό μαθηματικό πρότυπο, το οποίο περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Οι ιδιότητες υφής των τροφίμων εκβολής εξαρτώνται από τις παραμέτρους της διεργασίας και τη σύσταση των πρώτων υλών. Το μέτρο ελαστικότητας αυξήθηκε με την υγρασία τροφοδοσίας και την αναλογία φακή προς αραβοσιτάλευρο και μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και την παροχή τροφοδοσίας. Ο αριθμός των θραύσεων κατά τη συμπίεση των τροφίμων εκβολής αυξήθηκε με την αύξηση της παροχής τροφοδοσίας και μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής, την υγρασία τροφοδοσίας και την αναλογία φακή/αραβοσιτάλευρο. Με βάση τις επιδράσεις των συνθηκών εκβολής και της σύστασης της πρώτης ύλης αναπτύχθηκε ένα εκθετικό μαθηματικό πρότυπο, το οποίο επιτρέπει την πρόβλεψη των ιδιοτήτων υφής. Οι συνθήκες εκβολής και η σύσταση της πρώτης ύλης επηρέασαν σημαντικά τις λειτουργικές ιδιότητες των τροφίμων εκβολής από άλευρο φακής και αραβοσιτάλευρο. Η ικανότητα απορρόφησης νερού αυξήθηκε με την υγρασία τροφοδοσίας και τη θερμοκρασία εκβολής και μειώθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας και την αναλογία φακή/αραβοσιτάλευρο. Η ικανότητα διαλυτότητας σε νερό μειώθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας και την υγρασία τροφοδοσίας και αυξήθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής. Η ικανότητα απορρόφησης ελαίου αυξήθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και μειώθηκε με την παροχή, την υγρασία τροφοδοσίας και την αναλογία φακή/αραβοσιτάλευρο. Συγκριτικά, τα τρόφιμα εκβολής από αραβοσιτάλευρο παρουσίασαν υψηλότερες τιμές λειτουργικών ιδιοτήτων από αυτές των τροφίμων από μίγματα φακής. Σε περιπτώσεις όπου απαιτείται, για την παραγωγή ενός προϊόντος τροφίμου, συστατικό με υψηλή συνδετική ικανότητα, δηλαδή υψηλός βαθμός ζελατινοποίησης, και υψηλός βαθμός ψησίματος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα παραχθέντα τρόφιμα εκβολής. Οι συνθήκες που εξασφαλίζουν την επιθυμητή λειτουργικότητα είναι η παροχή τροφοδοσίας να κυμαίνεται από 2,52 kg/h έως 4,68 kg/h και το μίγμα να μην περιέχει περισσότερο από 30% άλευρο φακής. Τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων εκβολής επηρεάσθηκαν σημαντικά από τις συνθήκες εκβολής και τη σύσταση των πρώτων υλών. Τα χαρακτηριστικά της εμφάνισης (ομοιογενής δομή, πορώδες και διάμετρος) μειώθηκαν με τη θερμοκρασία εκβολής, την υγρασία του υλικού τροφοδοσίας και την προσθήκη αλεύρου φακής και βελτιώθηκαν με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας. Η αλευρώδης γεύση-οσμή (flavour) των τροφίμων εκβολής μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και αυξήθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας. Η καμμένη γεύση-οσμή αυξήθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και μειώθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας. Τα χαρακτηριστικά της οργανοληπτικής υφής των τροφίμων εκβολής επηρεάσθηκαν σημαντικά από τις ανεξάρτητες μεταβλητές. Η τραγανότητα των τροφίμων μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής και την υγρασία τροφοδοσίας και αυξήθηκε με την παροχή του υλικού τροφοδοσίας. Το αφρώδες των προϊόντων αυξήθηκε με τη θερμοκρασία και μειώθηκε με την υγρασία τροφοδοσίας. Η σκληρότητα των τροφίμων εκβολής αυξήθηκε με την αύξηση την παροχής και της υγρασίας τροφοδοσίας και μειώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής. Η ενυδάτωση των τροφίμων εκβολής χειροτέρευσε με την παροχή και την υγρασία του υλικού τροφοδοσίας και βελτιώθηκε με τη θερμοκρασία εκβολής. Η προσθήκη του αλεύρου φακής είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή σκοτεινόχρωμων προϊόντων, τα οποία δεν ήταν ιδιαιτέρως ελκυστικά στους δοκιμαστές. Η ολική αποδοχή των προϊόντων εκβολής γενικά μειώθηκε με την προσθήκη του αλεύρου φακής σε ποσοστό 50%. Τα πιο αποδεκτά τρόφιμα εκβολής ήταν αυτά που περιείχαν 13% αρχική υγρασία, ποσοστό φακής μικρότερο από 50% και επεξεργάσθηκαν σε θερμοκρασία 170⁰C. Επιπροσθέτως τα τρόφιμα αυτά εμφανίζουν ομοιόμορφη και διογκωμένη δομή , είναι τραγανά, αφράτα, σχετικά μαλακά και έχουν καλή ενυδάτωση κατά τη μάσηση. Η συσχέτιση μεταξύ των δειγμάτων με βάση τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά έδειξε ότι η τραγανότητα συσχετίζεται με τα χαρακτηριστικά της εμφάνισης και την ολική αποδοχή των προϊόντων. Επιπροσθέτως, η σκληρότητά τους συσχετίζεται θετικά με την αλευρώδη γεύση-οσμή και αρνητικά με το αφρώδες, την ενυδάτωση και την καμένη γεύση-οσμή. Αποδεικνύεται ότι τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων εκβολής καθορίζονται από το συνδυασμό των συνθηκών εκβολής και της σύστασης των πρώτων υλών. Οι μεταπτώσεις φάσεων των τροφίμων εκβολής χαρακτηρίζουν την σταθερότητα τους και επηρεάζονται σημαντικά από το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας. Η ισόθερμη προσρόφησης υγρασίας για όλα τα δείγματα περιγράφηκε ικανοποιητικά από την εξίσωση GAB. Από την μελέτη της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης προκύπτει ότι αυτή επηρεάζεται σημαντικά από τις συνθήκες εκβολής και την αναλογία φακής/αραβοσιτάλευρο. Σε όλα τα τρόφιμα το νερό έδρασε σαν πλαστικοποιητής. Η πλαστικοποιητική δράση του νερού περιγράφηκε καλά από την εξίσωση Gordon-Taylor. Κατά τη διάρκεια της εκβολής των μιγμάτων αραβοσιτάλευρου και φακής σχηματίσθηκαν σύμπλοκα μεταξύ αμυλόζης και λιπιδίων, γεγονός που επιβεβαιώθηκε από την ενδόθερμη κορυφή του θερμογραφήματος DSC. Η γνώση της πλαστικοποιητικής δράσης του νερού και των χαρακτηριστικών ροφήσεως είναι απαραίτητες για την επιλογή των συνθηκών αποθήκευσης και τη βελτίωση της σταθερότητας των τροφίμων. Η συσχέτιση των ενόργανων και οργανοληπτικών χαρακτηριστικών δομής και υφής παρείχε σημαντικές πληροφορίες για το σχεδιασμό των προϊόντων εκβολής. Η οργανοληπτική διάμετρος συσχετίσθηκε με το συντελεστή διόγκωσης και η τραγανότητα με τον αριθμό των θραύσεων κατά τη συμπίεση και το συντελεστή διόγκωσης. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι όσο καλύτερα διογκωμένο είναι το προϊόν τόσο μεγαλύτερη διάμετρο έχει και τόσο αυξάνεται η τραγανότητά του. Δηλαδή η διόγκωση των τροφίμων εκβολής σχετίζεται άμεσα και επηρεάζει θετικά την τραγανότητά τους. Επιπρόσθετα η φαινόμενη πυκνότητα συσχετίσθηκε θετικά με το μέτρο ελαστικότητας. Δηλαδή όσο πιο πυκνή είναι η δομή των διογκωμένων προϊόντων εκβολής, τόσο αυξάνεται η σκληρότητά τους. Με βάση τα παραπάνω καθίσταται εφικτή πρόβλεψη των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των προϊόντων εκβολής με προσθήκη αλεύρου φακής. Τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά είναι κρίσιμα και καθορίζουν την αποδοχή των προϊόντων αυτών από τους καταναλωτές, ενώ η πρόβλεψη μπορεί να γίνει με τη χρήση των εξισώσεων συσχέτισης που αναπτύχθηκαν μεταξύ ενόργανων μετρήσεων και οργανοληπτικών χαρακτηριστικών. Γενικά τα προϊόντα που παρήχθησαν σε χαμηλές παροχές και περιεκτικότητες υγρασίας και ενδιάμεσα επίπεδα θερμοκρασιών είναι τραγανά, αφράτα και έχουν μαλακή υφή.

During past few years, much attention has been given to the Mediterranean diet, as well as to the consumption of plant bioactive components which promotes human health. A basic part of Mediterranean diet is legumes, which contain significant amounts of carbohydrates and proteins, while simultaneously they constitute an important source of bioactive components. Extrusion is a food processing method which can produce a great variety of products using simple raw materials and is suitable for processing of protein rich raw materials. Consumer acceptance of the extruded products is based on sound design of attributes that define their quality. The basic objective of this dissertation is to study the effects of extrusion conditions and feed composition on properties and quality attributes of extruded products made by mixtures of lentil and corn flours. For this purpose extruded foods were produced under various processing conditions, including extrusion temperature and raw material feeding rate. The mixtures studied contained maize and lentil flour ratios at various levels. The properties investigated were structural (apparent density, real density, expansion ratio), textural (elasticity modulus and number of fractures during compression) and functional (water and oil absorption index and water solubility index) properties, sensory characteristics (appearance, flavour, texture, total acceptance) and phase transition of extruded foods. Furthermore, simple mathematic models were developed, which allow prediction of properties based on processing conditions and raw material composition. In addition, correlations between properties were made, as well as further investigation of relationships that influence them. Furthermore, the parameters which influences the mean residence time were studied, in order to develop a mathematical model for its prediction. The mean residence time is an important system parameter that influences the extent of the physicochemical reactions that take place during extrusion cooking. A power model was developed for the prediction of mean residence time. Mean residence time was affected be the ef0 void fraction of the extruder at reference conditions (N0=200 rpm, F0=0,001 kg/s, Τ0=200C and Χ0=10% w.b.), the screw speed, the feed rate, the extrusion temperature and the feed moisture. The increase in feed rate decreases the mean residence time. Structural properties of expanded corn-legume snacks produced on a twin screw extruder were significantly affected by process conditions and feed composition. Apparent density decreased with temperature and increased with feed rate, moisture content and lentil/corn ratio. Porosity was affected by independent variables in an opposite manner. Expansion ratio of the extruded products was increased with feeding rate and was decreased with extrusion temperature, feed moisture and lentil/corn ratio. True density of extruded products was affected only by feed composition. A simple mathematical model was developed which permits prediction of structural properties on the basis of extrusion conditions and raw material composition. Textural properties of extruded foods are depended on independent variables. Elasticity modulus was increased with feed moisture and lentil to corn flour ratio, while it was decreased with extrusion temperature and feeding rate. The number of fractures during compression of the extruded foods was increased with an increase in feeding rate and was decreased with extrusion temperature, feed moisture and lentil/corn ratio. Based on the effect of extrusion conditions and feed composition, an exponential mathematical model was developed, which permits the prediction of textural properties. Extrusion conditions and raw material composition considerably affected the functional properties of extruded foods made lentil and corn grits. Water absorption index of extrudates increased with extrusion temperature and feed moisture content and decreased with feed rate and lentil/corn ratio. The water solubility index of extrudates increased with temperature, but decreased with feed moisture content and feed rate. The oil absorption index of extrudates increased with extrusion temperature and decreased with feed rate, feed moisture content and lentil/corn ratio. Generally, the use of lentil flour led to products with lower values for functional properties. Extruded products made using corn grits exhibited higher values for the functional properties studied. Principal component analysis of functional properties discriminated samples with appropriate functionality based on industrial use. It is possible to produce extruded products with high degree of cooking and gelatinization. These products can be used as raw materials in various food products and can be produced using feed rates between 2.52 kg/h and 4.68 kg/h and lentil flour level not higher than 30%. Sensory characteristics of corn and corn–lentil extrudates produced on a twin screw extruder depended both on the process conditions and the raw material characteristics. Extrusion temperature, feed moisture and lentil flour addition decreased the appearance attributes (homogeneous structure, porosity and diameter) of the products, while an improvement was observed with feeding rate. Mealy flavour of the extruded products was decreased with extrusion temperature and was increased with feeding rate. Burnt flavour was increased with extrusion temperature and decreased with feeding rate. Textural characteristics of the extruded products were significantly affected by independent variables. Extrusion temperature and feed moisture content decreased crunchiness, while feeding rate led to an increase in crunchiness. Crispness of the extrudates was increased with temperature and decreased with feed moisture content. Hardness of the extruded products was increased with an increase in feeding rate and moisture content, while it was decreased with extrusion temperature. Feed rate and feed moisture content were negatively affected melting of the extruded products, while extrusion temperature led to an improvement of this attribute. The addition of lentil flour resulted in darker products, which were not very appealing. The overall acceptability of the extrudates decreased with lentil flour addition at a level of 50%. The most acceptable extrudates were obtained with feed moisture content 13%, lentil flour level lower than 50% and extrusion temperature at 170⁰C. It should be noted that these extrudates were homogeneous with well expanded structure; they were crunchy, crispy, relatively soft and exhibited good hydration during mastication. The correlation of sensory properties showed that crunchiness can be related with appearance attributes of the extrudates and overall acceptability. Furthermore, the hardness of the extrudates was correlated with mealy flavour and negatively correlated with crispness, melting and burnt flavour. By manipulating the process conditions during extrusion, one can generate products of any desired sensory attributes. Phase transitions determine extrudate stability and are affected mainly by moisture content. Moisture sorption isotherms for all samples examined were accurately described by the GAB model. In corn–lentil extrudates phase transitions was found to significantly be affected by moisture content. Glass transition temperature was affected by processing conditions and lentil/corn ratio. The plasticizing effect of water was evident for all extrudates. The experimental data have been successfully correlated by the Gordon-Taylor equation. The sharpness of the glass transition decreased as the moisture content decreased. The formation of amylose–lipid complexes was confirmed by the presence of and endothermic peak, during the differential scanning of the extruded corn–lentil products. The knowledge of water plasticisation and sorption characteristics of extruded products are useful for the selection of storage conditions and stability improvement. The correlation of instrumental and sensorial characteristics of structure and texture gives very important information for extruded products design. Sensorial diameter is related with expansion ratio and crunchiness with the number of peaks and expansion ratio. This fact indicates that the well expanded extruded products also have increased diameter and crunchiness. Extruded products expansion is related and also improves their crunchiness. Furthermore the apparent density is positively correlated with elasticity modulus. The hardness of extruded products increases as they become denser. It is possible to predict sensorial characteristics of corn-lentil extrudates, which are critical for consumer acceptance, via instrumental measurements using obtained correlation equations. Generally, extrudates produced at low feed rates and moisture contents and intermediate levels of temperature had a crunchy, crispy and soft texture.