ИЗСЛЕДВАНИЯ ВЪРХУ ПРОЦЕСА ЕКСТРУДИРАНЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВОТО НА ПЛАВАЩИ И ПОТЪВАЩИ ХРАНИ ЗА ПОДРАСТВАЩ ШАРАН (CYPRINUS CARPIO L.) Н.Г. Тошков 1, В.Б. Ненов 2, А. Т. Симитчиев 2 1) УХТ Пловдив, бул. Марица 26, катедра: Процеси и апарати, e-mail: nesho.t@abv.bg 2) УХТ Пловдив, бул. Марица 26, катедра: Машини и апарати за ХВП Резюме: На лабораторен екструдер Brabender 20 DN (Germany) бяха произведени храни за подрастващ шаран, със стандартно нива на протеина 32% и различни физични свойства (плътност и експанзионен индекс). Двата типа храни са произведени при различни екструзионни условия температура и налягане. Изследвано е влиянието на различните екструзионни условия върху основните физични и функционални свойства на храните за риби Ключови думи: екструзия, храна за риби, екструзионнни параметри, експанзионен индекс, плътност, плаващи, потъващи. ВЪВЕДЕНИЕ Модерното рибовъдство се основава на рационалното хранене на рибите, което налага високи изисквания към качеството на комбинираните фуражи, предназначени за риби. Това от своя страна изисква решаването на редица проблеми, които целят подобряване както на тяхната хранителна стойност, така също и на физичните им характеристики. Специфичната среда водата, в която рибите живеят, размножават и се хранят, обуславя и специфичните хранителни и физико-механични свойства на произвежданите за тях храни (размер на гранулите, цвят, плътност, водоразтворимост, твърдост, скорост на потъванте, вкусови качества и др). Значителен принос в производството на качествени храни за риби има процесът екструдиране, защото позволява контрол на плътността на гранулите, висока водоустойчивост, по-добра ефективност и гъвкавост при работа [1,2] Храните за риби се разделят на три основни типа [2]: плаващи храни - това са храни с ниска плътност (от 400 до 800 kg/m 3 ), които се задържат на повърхността на водния басейн; бавно потъващи храни храни с по-висока плътност (от 800 до 1000 kg/m 3 ); потъващи храни те са с найвисока плътност (над 1000 kg/m 3 ), които потъват на дъното и служат за храна на дънните риби. По принцип плътността на храните може да се регулира по три възможни начина: чрез рецептурата, със специална конструкция на екструдера и чрез монтиране на сегмент с отдушник за намаляване на налягането преди матрицата на екструдера. Особено трудно се произвеждат потъващ тип храни за риби, когато в състава на рецептурата се съдържа висок процент нишесте и нисък мазнини [3]. Екструзията над 100 ºС подобрява водоустойчивостта, без да се използват свързващи вещества. Храните за риби произведени при пониски нива на температурата и налягането, имат намалена водоустойчивост поради по-ниската степен на желатинизация на нишестето [4]. Целта на настоящото изследване е установяване на оптималните режими на екструдиране при производството на плаващи и потъващи храни за подрастващ шаран. МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ В Таблица 1 е показан химичния състав на разработената рецептура с хранителна стойност със средни параметри, в съответствие със стандартните за подрастващ шаран [5,6]. Нивото на суровия протеин е 32 %, а на мазнините 1,99%. Таблица 1. Химичен състав на сместа Химичен състав % Влажност 11,69 Суров протеин 32,00 Сурови мазнини 1,99 Сурови влакнини 5,18 Сурова пепел 5,64 БЕВ 43,5 324
Експериментите са проведени на едношнеков лабораторен екструдер BRABENDER 20 DN (Германия) [7,8,9]. По време на опитите честотата на въртене на до дозиращия шнек се фиксира на 50 min -1, а на работния - 140 min -1. Отвора на дюзата на матрицата е кръгъл с диаметър 2,5 mm. Гранулометричният състав на фуражната смес е определен чрез ситов анализ, при който раздробения продукт се разделя на фракции чрез пресяване през комплект сита (7 броя) с различен размер на отворите, с цел определяне на средния диаметър d ср на частиците, който се изчислява по формулата [10]: n x d = i = 1 i i d ср n (1) x i = 1 i x i масовото процентно съдържание на i-та n фракция, % ( x = 100 i = 1 i %); d i среден размер на i-та фракция, определен като средно аритметично от размерите на двете съседни сита горното, през което е преминала фракцията, и долното, на което се е задържала, mm; n брой на фракциите. Плътността на екструдатите се определя, като се измерва масата и средния диаметър на еднакво количество екструдати (10бр.) от всеки опит. Изчислява се обема на всеки екструдат, като се приема, че формата му се доближава до цилиндричната. Плътността се изчислява по формулата [7,10]: W M(1 ) 100 ρ =, [g/cm W 3 ] (2) V M 100 M - маса на пробата, g; V - обем на пробата, cm3; W - влажност на пробата, %. Степента на експанзия се определя като отношение на средния диаметър на екструдата от десет броя проби от всеки опит (D e ) към диаметъра на отвора на дюзата на матрицата (D o ): D E = e (3) D o Специфичният разход на енергия се определя по формулата: M c.ω M c.n.π SM E = = (4) Q 30.Q π.n 1 ω =, 30 s M c съпротивителен момент на екструдера, N.m; n честота на въртене на шнека на екструдера, min -1 ; w - ъглова скорост, s -1 ; Q - производителност на екструдера, kg/h. Влажността на екструдираните продукти е определена чрез изсушаване в продължение на 24 часа при температура 105 С (БДС EN ISO 712:2010). Производителността на процеса екструдиране е определена с помощта на хронометър и везна, а температурата на материала се измерва посредством термодвойка, монтирана в матрицата на екструдера. Налягането на екструдиране е измерено с помощта на датчик за налягане тип Dynisco 1400. Данните са взети след като системата достигне равновесие при дадените работни условия. За определянето на двата индекса на разтворимост и на абсорбция на вода, екструдатът се смила, след което от него се претеглят 0,2g и се прехвърлят в центрофужна епруветка. Към продукта се доливат 5 cm 3 дестилирана вода, след което пробата се темперира на водна баня при температура 30 С за 30 min, като през известно време се разбърква. След това се центрофугира на центрофуга СН 90-2А, за 20 min при 3000 min -1. Надутаечната течност се отделя в тегловно стъкло и се суши при температура 105 С до постоянна маса. След темпериране пробата се претегля. Индексът на разтворимост (WSI) се изчислява чрез формулата: m WSI = ds.100 (5) m s m ds - маса на сухото вещество след изпаряване на надутаечната течност, g; m s - маса на пробата, g. Индексът на абсорбция на вода (WАI) се изчислява чрез формулата: m g WAI =, g/g продукт (6) m s 325
m g - маса на утайката, g; m s - маса на пробата, g. РЕЗУЛТАТИ И ОБСЪЖДАНЕ Средният диаметър на частиците на фуражната смес е d ср =0,64mm, като частиците с размер под 1 mm са 64%, а частиците под 0,53 mm са 12%. Произведени са два вида екструдирани храни с различни физични характеристики (плътност и степен на експанзия) - вариант I (плаващ тип) и вариант II (потъващ тип). Параметрите на произведените храни и на процеса екструдиране (зависими и независими), са показани в Таблица 2. Входната влажност на смеската е фиксирана на 28 %. Тя един от най-важните параметри, които оказват влияние върху свойствата на произвежданите екструдирани храни. При по-ниска влажност силно намалява водоустойчивостта на храната, а при по-висока се затруднява наряз- ването. Нарязването на екструдата на определената дължина е осъществено с режещо устройство монтирано веднага след матрицата на екструдера. Параметрите на процеса екструдиране (независими променливи) са различни за двата варианта, и определят разликите във физичните свойства на изпитваните храни. Създаваното налягане по време на процеса екструдиране е в границите на 2,8 МРа за вариант II и 2,0 МРа за вариант I. По-ниското налягане на екструдиране при вариант I се дължи на повишената температура, която намалява вискозитета на сместа. За храните от вариант ІІ температурата на първа зона е 90 С, на втора зона е 100 С, а на матрицата 110 С. Температурата на материала в матрицата е 127 С. Индекса на абсорбция на водата е 5,74 g вода/g продукт, а индекса на разтворимост във водата е 10,7 %. Получените храни от вариант ІІ са с по-висока плътност (1,016 g/cm 3 ) и са от типа потъващи.при производството на храните от вариант І е повишена температурата на екструдиране и в трите зони 100, 120 и 130 Параметри на процеса екструдиране (независими променливи) Вариант І Вариант ІІ Температура на екструдиране, С Първа зона 100 90 Втора зона 120 100 Трета зона (матрица) 130 110 Влажност на изходната суровина, % 28 28 Честота на въртене на работния шнек, min -1 140 140 Честота на въртене на дозиращия шнек, min -1 50 50 Диаметър на дюзата, mm 2,5 2,5 Степен на компресия на шнека 2:1 2:1 Параметри на екструдираните храни (зависими променливи) Стойност Sd* Стойност Sd Плътност, g/cm 3 0,711 0,04 1,016 0,03 Степен на експанзия 1,33 0,02 1,11 0,01 Индекс на абсорбция на вода, g/g продукт 5,19 0,14 5,74 0,17 Индекс на разтворимост, % 10,1 0,21 10,7 0,23 Налягане на екструдиране, МРа 2 0,07 2,8 0,04 Специфична механична енергия, (W.h)/kg 64,11 1,5 83,2 1,24 Температура на материала в матрицата, С 154 0,64 127 0,53 Производителност, kg/h 3,2 0,09 3,17 0,11 Влажност на екструдатите, % 19,2 0,07 20,5 0,09 326 Таблица 2. Параметри на процеса екструдиране (независими променливи) и на екструдираните храни (зависими променливи) *Стандартно отклонение от три повторения
С, а температурата на материала в матрицата логично се покачва до 154 С. Вследствие на по-високата температура плътността на получаваните храни намалява до 0,711 g/cm 3, намаляват също така индекса на абсорбция на водата - до 5,19 g вода/g продукт и на индекса на разтворимост във водата - до 10,1 %. Вследствие на тези фактори храните от вариант І са от типа плаващи и се задържат по-дълго време (около 30 минути) на повърхността на водата. Производителността на процеса е 3,2 kg/h за вариант І и 3,17 kg/h за вариант ІІ, които стойности могат да се приемат за практически еднакви. От това следва, че температурата на екструдиране не оказва значимо влияние върху производителността на процеса. Специфичната механична енергия при вариант І е по-ниска с около 23% в сравнение с вариант ІІ, което се дължи на по-високата температура на екструдиране, при която вискозитетата на обработвания материал се понижава. ЗАКЛЮЧЕНИЕ С повишаване на температурата на екструдиране средно с 16%, плътността на екструдираните фуражи намалява с 30% (от 1,016 до 0,711 g/cm 3 ), с което те преминават от потъващи към плаващи храни за риби. Оптималната влажност на смеската е 28%. В изследвания интервал температурата на екструдиране не оказва значимо влияние върху производителността на процеса. ЛИТЕРАТУРА [1] Hardy, R. W., Barrows, F. Diet formulation and manufacture. In: Fish Nutrition, 3rd edn (ed. By J. E. Halver and R. W. Hardy), Academic press, New York, USA (2002). 507-600. [2] Kearns, J. P. Extrusion of aquatic feeds. Tesh. Bull. Amer. Soybean Assn., Singapure, AQ40, (19930. 16-34. [3] Tedman, P. Clever extruding makes quality aquafeeds. Feed Technology, 7 (2) (2003). 21-23. [4] Cuzon, G., Wiliams, M. Shrimp rations for the future. Feed International, 22 (6) (2001). 19-23. [5] Хаджиниколова, Л., Атанасова, Р. Биохимични норми за оценка на зарибителен материал от шаранови риби (Cyprinidae) преди и след зимуване. Изд. ПУ, Пловдив, (2008). [6] Jauncey, K. Carp (Cyprinus carpio L.) nutrition - a review In: Recent advances in Aquaculture (Eds) J.F.Muir, R.J. Roberts, Croom Helm, London (1982). 216-263. [7] Пенов, Н. Изследване екструзията на смеси от спаначено брашно и пшеничен грис, предназначени за инстантни храни. Дисертация, Пловдив, (2000). [8] Пенов, Н., Ламбрев, А., Ненов, В. Експанзионен индекс на спаначни екструдати. Научна конференция с международно участие 20 години Технически факултет 16-17 май, 2003, Научни трудове УХТ Пловдив, XLIX, 382-389. [9] Тошков, Н., Ламбрев, А. Установяване режимите на екструдиране на храни за пъстървови риби. Научни трудове УХТ, LVI (2) (2009). 233-238. [10] Ламбрев, А. Ръководство за лабораторни упражнения по Машини и апарати за механична и хидравлична обработка в хранителната и биотехнологичната промишленост. Академично издателство на УХТ-Пловдив, (2005). Рецензент: доц. д-р Виолета Станчева, Технически Университет Варна 327
A STADY ON THE EXTRUSION PROCESS IN THE PRODUCTION OF FLOATING AND SINKING FEEDS FOR GROWING UP CARPS (CYPRINUS CARPIO L.) N.G. Toshkov, V.B. Nenov, A.T. Simitchiev University of Food Technologies Plovdiv, 4000, e-mail: nesho.t@abv.bg Abstract: Brabender 20 DN (Germany) laboratory single screw extruder with 20 mm diameter of screw, was used for the production feeds with constant protein level of 32%, which is standard for growing up carp, differs in fundamental physical properties (density and expansion index). Both types of extruded feed were of the type floating and sinking, and are produced under different extrusion conditions - temperature and pressure. The influence of extrusion conditions on the basic physical and functional food properties of growing up carp was investigated. Keywords: extrusion, fish feed, extruder parameters, expansion index, density, floating, sinking. Literatura: [1] Hardy, R. W., Barrows, F. Diet formulation and manufacture. In: Fish Nutrition, 3rd edn (ed. By J. E. Halver and R. W. Hardy), Academic press, New York, USA (2002). 507-600. [2] Kearns, J. P. Extrusion of aquatic feeds. Tesh. Bull. Amer. Soybean Assn., Singapure, AQ40, (19930. 16-34. [3] Tedman, P. Clever extruding makes quality aquafeeds. Feed Technology, 7 (2) (2003). 21-23. [4] Cuzon, G., Wiliams, M. Shrimp rations for the future. Feed International, 22 (6) (2001). 19-23. [5] Hadzhinikolova, L., Atanasova, R. Biohimichni normi za otsenka na zaribitelen material ot sharanovi ribi (Cyprinidae) predi i sled zimuvane. Izd. PU, Plovdiv, (2008). [6] Jauncey, K. Carp (Cyprinus carpio L.) nutrition - a review In: Recent advances in Aquaculture (Eds) J.F.Muir, R.J. Roberts, Croom Helm, London (1982). 216-263. [7] Penov, N. Izsledvane ekstruziyata na smesi ot spanacheno brashno i pshenichen gris, prednaznacheni za instantni hrani. Disertatsiya, Plovdiv, (2000). [8] Penov, N., Lambrev, A., Nenov, V. Ekspanzionen indeks na spanachni ekstrudati. Nauchna konferentsiya s mezhdunarodno uchastie 20 godini Tehnicheski fakultet 16-17 may, 2003, Nauchni trudove UHT Plovdiv, XLIX, 382-389. [9] Toshkov, N., Lambrev, A. Ustanovyavane rezhimite na ekstrudirane na hrani za pastarvovi ribi. Nauchni trudove UHT, LVI (2) (2009). 233-238. [10] Lambrev, A. Rakovodstvo za laboratorni uprazhneniya po Mashini i aparati za mehanichna i hidravlichna obrabotka v hranitelnata i biotehnologichnata promishlenost. Akademichno izdatelstvo na UHT-Plovdiv, (2005). 328