A extrusão em tecnologia alimentar: tipos, vantagens e equipamentos
Conceito e tipos de extrusão
A extrusão pode ser definida como uma etapa de processamento industrial de
matéria-prima sólida, a qual junta num único equipamento várias operações
unitárias e modificações físico-químicas, frequentemente em combinação, como
mistura, cozedura, batedura, corte, moldagem, gelatinização, fusão, torra,
caramelização, secagem e esterilização e processos como a texturização,
culminando na saída do respetivo produto através de um orifício (Fellows,
2006).
O processo de extrusão pode ser promovido através da utilização de um pistão,
de um conjunto de rolos ou de parafuso(s) para forçar o material, normalmente
através de uma abertura estreita, a chegar à forma desejada. Em muitos
processos de extrusão alimentar, o aquecimento e a cozedura das matérias-primas
têm lugar simultaneamente, à medida que estas são misturadas e dão forma ao
produto final (Heldman e Hartel, 1997). Deste modo, após as respetivas
matérias-primas sofrerem um aquecimento que conduz ao seu amolecimento ou até à
fusão, o produto é moldado por este orifício de saída, consolidando a sua forma
(Baird e Reed, 1989; Muelenaere, 1989; Fellows, 2006). Os equipamentos que
asseguram a efetivação desta etapa de processamento industrial denominam-se
extrusoras ou extrusores.
Uma extrusora, na sua forma mais comum, é composta de uma tremonha ou funil de
alimentação, que recebe a matéria-prima e a encaminha por um canhão, também
denominado de manga ou carcaça, terminando num orifício de saída (Figura_1).
No interior do canhão gira um parafuso helicoidal, também denominado de rosca,
o qual, acionado por uma eletrobomba, impele o material em direção a um
orifício ou ranhura de saída do produto, ou a um agregado de orifícios ou de
ranhuras de saída, denominado, no seu conjunto, de fieira, trefila ou boquilha.
Apesar das especificidades inerentes a cada fabricante, o parafuso helicoidal e
a superfície interna do canhão são também, por regra, rugosas ou ranhuradas, de
modo a evitar o escorregamento e a fomentar uma adesão acrescida da matéria-
prima às superfícies internas do equipamento. Deste modo, e dado que, por
regra, o espaçamento interno do canhão, entre a sua superfície interior e a
superfície da rosca, é muito pequeno, a matéria-prima, em face da rotação do
parafuso helicoidal, vê-se submetida a pressões elevadas.
As diferentes formas de combinação de operações e processos na extrusora, muito
variáveis, são função da escolha dos parâmetros de extrusão adequados à
obtenção do produto final e/ou dos produtos intermédios pretendidos (Meuser e
Wiedmann, 1989). Porém, pode-se considerar que há duas modalidades de extrusão
aplicadas na indústria alimentar (Fellows, 2006): extrusão a quente e extrusão
a frio.
Na extrusão a quente, que Muelenaere (1989) denomina de extrusão-cozedura, é
empregue calor, de modo a obter temperaturas elevadas no canhão, da ordem dos
100-180oC (Hauck, 1993), podendo inclusive chegar aos 200oC, traduzidas em
temperaturas no produto de cerca de 150oC. Contudo, quando se opera a
temperaturas elevadas, o tempo de residência do material no canhão é
relativamente curto, a fim de evitar ou de mitigar alterações indesejáveis no
produto provocadas pelo calor, como acastanhamento, perda de vitaminas e de
aminoácidos essenciais ou aparecimento de sabores estranhos.
A extrusão a quente é empregue com o intuito de cozedura de materiais,
geralmente amiláceos e/ou proteaginosos, processados de forma a obter uma massa
plástica viscosa. Outras importantes utilizações da extrusão a quente são a
gelatinização do amido, a inativação enzimática para prevenção de alterações
indesejáveis, a redução da flora microbiana, a destruição de toxinas
termolábeis e a destruição de substâncias menos resistentes ao calor que, de
outro modo, poderiam propiciar alterações organoléticas prejudiciais ao produto
(Harper, 1979; Fellows, 2006) e diminuir a sua inocuidade.
A extrusão-cozedura é uma importante tecnologia de processamento alimentar e
tem sido usada desde meados dos anos 30 na produção de cereais de pequeno-
almoço, também denominados de cereais matinais, aperitivos prontos a comer
(tipo snack) e outros alimentos texturizados. Estes produtos não só melhoram a
digestibilidade (Singh et al., 2010), mas também melhoram a biodisponibilidade
de nutrientes presentes nas matérias-primas (Gu et al., 2008); por isso, nas
últimas décadas, foi estudada de forma extensiva para a produção de uma grande
variedade de géneros alimentícios com características especiais (Quadro_1).
Já a extrusão a frio, com temperaturas de cerca de 50oC no produto (Hauck,
1993), é usada para moldagem de massas alimentícias e no processamento de
produtos cárneos e de gomas. Certos autores, como Fellows (2006), consideram
ainda como extrusão a frio o emprego de temperaturas intermédias, da ordem de
80oC (Hauck, 1993), como as que são usadas no processamento de massas em
panificação ou de rações semi-húmidas para animais.
Já no que diz respeito especificamente às extrusoras, Heldman e Hartel (1997)
consideram três tipos: as que operam a frio, e que fazem a mistura e moldagem;
as que operam a baixa pressão, envolvendo a cozedura e a produção a
temperaturas inferiores a 100 oC; e, as que operam a extrusão a alta pressão,
envolvendo a cozedura e a produção a temperaturas superiores a 100 oC.
Os produtos alimentares obtidos por extrusão são múltiplos (Quadro_1), podendo
ser encontrados em diversas secções de espaços comerciais como mercearias,
supermercados e lojas de conveniência, e incluem, designadamente, produtos
derivados de cereais, produtos de confeitaria, produtos à base de proteínas
texturizadas e alimentos para animais de companhia.
A versatilidade da extrusão reflete-se ainda pela utilização dos seus produtos
na preparação de rações alimentares para o exército e para o campismo, de
alimentos para dietas específicas e de alimentos destinados a satisfazer as
necessidades nutricionais em situações de desastres naturais (EUFIC, 2002).
Vantagens do emprego da extrusão
Relativamente às técnicas de confeção ou de processamento convencionais, a
extrusão-cozedura distingue-se pela capacidade de desenvolver produtos
diferentes em termos de paladar e de textura, incluindo propriedades de
expansão e poder crocante, para além do aumento da digestibilidade dos
alimentos e biodisponibilidade de nutrientes (Brennan et al., 2011).
As vantagens que a extrusão efetivamente apresenta foram enumeradas por
diversos autores, designadamente por Harper (1989), Heldman e Hartel (1997),
Fellows (2006) e Riaz et al. (2009):
a) Elevada versatilidade ' com base na extrusão pode ser obtida uma grande
diversidade de produtos, de forma e tamanho bastante vari- áveis, através de
diferentes combinações de ingredientes, condições de operação da extru- sora e
várias formas de ranhura na fieira;
b) Elevada produtividade ' a produtividade é significativamente superior à
apresentada por outros processos de cozedura e moldagem, tanto mais que se
trata de uma operação que pode ser efetuada em contínuo, numa linha de
processamento com elevado grau de automa- ção, resultando em elevada eficiência
e econo- mia do processo;
c) Maior qualidade do produto ' a qualidade in- trínseca dos produtos está
salvaguardada mes- mo no caso da extrusão a quente, quer pelo emprego de
binómios do tipo HTST (High Temperature-Short Time), que devido ao curto tempo
de aplicação permitem manter as quali- dades sensoriais, quer pela melhoria da
di- gestibilidade devido à gelatinização do amido e à desnaturação de
proteínas, quer pela inati- vação irreversível de enzimas indesejáveis que, de
outro modo, alterariam prejudicialmente o produto, como é o caso das lipases e
lipo-oxi- dases, quer pela destruição de flora microbiana;
d) Maior eficiência energética ' a extrusão, ao conseguir operar matérias-
primas com teores de humidade relativamente baixos, diminui as necessidades de
calor, designadamente, para a cozedura e secagem do produto, traduzindo -se
numa maior eficiência energética, quando comparada com outros processos;
e) Menor ocupação de espaço ' as linhas de pro- cessamento e respetivos
equipamentos, quan- do incluem processos de extrusão, necessitam, em igualdade
de circunstâncias, de ocupar me nos espaço, quando comparados com outros
processos conducentes à obtenção de produtos análogos;
f) Ausência de produção de efluentes ' a utiliza- ção desta tecnologia traduz-
se na produção de um volume de resíduos e efluentes bastan- te reduzidos dado
que se faz um aproveita- mento quase integral das matérias-primas, não se
gerando subprodutos. Desta forma, as pre- ocupações ambientais ficam bastante
limitadas e há uma melhoria da eficiência do processo de extrusão.
Equipamentos de extrusão
A extrusão-cozedura foi pela primeira vez empregue no processamento de
alimentos em meados do século XIX, em processos industriais descontínuos. A
partir dos anos 30 do século XX começou a ser empregue em regime contínuo. Mas
foi sobretudo a partir dos anos 60 que os produtos alimentares processados por
extrusão começaram a multiplicar-se, face à elevada versatilidade deste
processo.
Porém, o funcionamento do respetivo equipamento pouco se alterou desde então, a
não ser no tocante à possibilidade de incorporação de novas tecnologias com
base em programação informática de parâmetros como tempos, temperaturas e
fórmulas de fabrico a empregar. Genericamente, numa extrusora:
- O canhão é formado por ligas metálicas duras e resistentes, compostas de aço
inoxidável de grande têmpera, endurecido com partículas de carbono, dado que
está sujeito a elevadas pressões, a que acresce o desgaste provocado pela
fricção suscitada pelo material a processar. A relação comprimento/diâmetro (L/
D) é normalmente superior a 20:1;
- O motor elétrico produz o movimento de rotação do parafuso. Existe um redutor
cuja função é reduzir proporcionalmente a velocidade de rotação do parafuso a
qual, dependendo do grau de sofisticação da extrusora, pode ser fixa ou
variável;
- O parafuso, ao girar dentro do canhão, ajusta, molda e conduz o material até
à fieira.
As extrusoras são geralmente classificadas de dois tipos: de parafuso simples
ou de parafuso duplo. A Figura_1 e a Figura_2 mostram os esquemas de operação
típicos de cada uma delas, destacando-se, em particular, as diferentes zonas em
que estas se subdividem.
Nas extrusoras de parafuso simples (Figura_1) considera-se existirem várias
secções, associadas a diferentes tarefas. A zona de alimentação é aquela onde é
recolhida, na extrusora, a matéria-prima. Nesta zona, o parafuso deve permitir
um enchimento rápido; por isso, a fita helicoidal do parafuso tem
habitualmente maior profundidade. Na zona de compressão ou de transição, a
profundidade do parafuso diminui, iniciando-se a compressão e o processamento
propriamente dito; os materiais começam a sofrer cozedura e ocorrem alterações
estruturais. Na última secção, o cisalhamento é intenso, a pressão aumenta
muitíssimo e há uma elevada acumulação de calor em resultado da dissipação da
energia mecânica, ocorrendo tudo isto à medida que o movimento do parafuso
encaminha o produto para o(s) orifício(s) de descarga (Heldman e Hartel, 1997).
Já nas extrusoras de parafuso duplo (Figura_2) existem dois parafusos
independentes que giram ou em co-rotação ou em contra-rotação, para além de que
podem ainda estar entrosados, ou não, entre si.
Comummente, as extrusoras de rosca dupla usadas em processamento alimentar
apresentam um canhão cuja secção transversal conjunta dos dois parafusos
entrelaçados tem a forma de oito, girando os mesmos em co-rotação. Em face do
seu movimento, estes equipamentos são autolimpantes, isto é, o passo de um
parafuso raspa a massa que está aderida ao outro (Figura_2, esquerda). Isto
permite que o produto escoe ao longo do comprimento do canhão, alternando entre
um lado e o outro do mesmo. O grau de entrosamento ou entrelaçamento entre
ambos parafusos determina as características de mistura. Os passos dos
parafusos, o grau de entrelaçamento, o espaçamento entre parafusos e o seu
ângulo de inclinação são, por regra, reguláveis, determinando o volume das
zonas de transporte: para permitir o transporte numa zona de cozedura utiliza-
se um passo maior do parafuso, enquanto se usa um passo mais reduzido para
pressionar a massa antes da extrusão através da fieira.
O uso adicional de discos para amassar, que se dispõem orientados sobre o eixo
de forma que o produto os atravesse e passe entre eles, reforça a ação de
cisalhamento, mantendo alguma capacidade para fazer avançar o material no
canhão.
A flexibilidade associada às extrusoras de rosca dupla é ainda aumentada pela
inversão do passo do parafuso ' isto é, pela inversão do sentido de enrolamento
da fita helicoidal do parafuso ' criando-se uma zona de despressurização que
permite a expansão de voláteis e da humidade.
Na parte final do canhão, no fim dos dois parafusos, o fluxo do produto é
conduzido a uma corrente única, que é forçada a atravessar os orifícios da
fieira (Heldman e Hartel, 1997).
Contudo, para além da distinção parafuso simples/duplo, o tipo de trabalho que
a extrusora vai executar é definido por vários outros parâmetros, entre os
quais a configuração, comprimento, geometria e velocidade do parafuso.
Existem vários tipos de configuração de parafusos, desde o elementar Parafuso
de Arquimedes, de passo constante da hélice, até parafusos de diâmetro
constante e passo decrescente com consequente acréscimo de pressão em direção à
fieira. Existem ainda parafusos de passo constante e diâmetro crescente, também
com acréscimo de pressão em direção à fieira.
O canhão da extrusora é geralmente cilíndrico, embora também existam com forma
cónica para operações especiais, e tem a sua superfície interna lisa ou com
estrias superficiais paralelas ao seu comprimento, podendo também estas estarem
dispostas em hélice com uma direção oposta à da rotação do parafuso. Estas
estrias ajudam o parafuso a impulsionar o material contra a pressão que se
desenvolve durante o processo de extrusão. No caso de a taxa de compressão ser
muito elevada, o canhão está subdividido em segmentos ligados entre si, os
quais podem ser aquecidos ou arrefecidos.
A velocidade do parafuso depende do tipo de produto pretendido, podendo variar
desde 30 rpm no caso da extrusão contínua de massas alimentícias tendo como
objetivo a mistura dos ingredientes e/ou um processo de moldagem a frio, até
600 rpm nos processos de extrusão a quente em que se pretendem desenvolver
elevadas tensões tangenciais com o fim de maximizar as transferências de calor
e as alterações moleculares dos constituintes do produto.
Como foi atrás afirmado, o pequeno espaçamento entre a parede interna do canhão
e a superfície da rosca propiciam a geração de pressões elevadas na massa
quando esta é impelida para a fieira. Contudo, vários outros fatores contribuem
para que a pressão exercida sobre a massa assuma valores muito elevados,
designadamente, o aumento de diâmetro do parafuso junto à fieira,
frequentemente associado a uma diminuição do seu passo. Consoante os
fabricantes destes equipamentos, é também comum a introdução de restrições nos
passos do parafuso de maneira a aumentar a pressão. A pressão exercida sobre a
massa junto à fieira varia entre 2 MPa, mais apropriada para o processamento de
produtos de baixa viscosidade, e 17 MPa, mais adequada para o fabrico de
aperitivos expandidos (Heldman e Hartel, 1997).
Perante tão elevados valores de pressão exercida sobre a massa, e dado o facto
de pelo menos 50% da energia produzida pelo trabalho do motor se dissipar sob a
forma de calor por fricção dos materiais (Harper, 1987), é significativo o
risco de aumentos descontrolados de temperatura, oriundos, em particular, de
fenómenos locais ou pontuais de sobreaquecimento. Torna-se, pois, imperioso
garantir o adequado controlo e prevenção de potenciais consequências
indesejáveis, para o equipamento e para o produto, da irradiação de calor. Tal
é assegurado, por regra, pela circulação de água fria entre as paredes do
canhão.
De facto, o canhão é formado por uma parede dupla, sob a forma de camisa, no
interior da qual circulam fluidos de aquecimento ou de arrefecimento, tirando
partido do elevado coeficiente de transmissão térmica do aço inoxidável
constituinte do canhão, designadamente água mais quente ou mais fria, vapor,
óleo aquecido ou fluido refrigerante. Sublinhe-se, contudo, que alguns
equipamentos de extrusão possuem componentes que asseguram o aquecimento
adicional do canhão por indução elétrica. Estes componentes justificam-se pela
necessidade de assegurar o adequado aquecimento da fieira perante o
processamento de massas com viscosidade relativamente elevada a mais baixas
temperaturas.
Estas camisas de aquecimento ou arrefecimento que envolvem o canhão, permitem
um controlo mais fácil e uma maior flexibilidade da operação. Geralmente, a
secção de alimentação é envolvida por uma camisa de arrefecimento, enquanto que
à saída da extrusora é de aquecimento, para aumentar o grau da cozedura e a
capacidade de extrusão.
O motor elétrico que faz girar a rosca deve ser suficientemente potente para
encaminhar o material em direção à fieira, suportando pressões da ordem de
vários milhões de Pascal (Fellows, 2006). A velocidade angular da rosca é um
parâmetro determinante na velocidade linear com que a massa é deslocada em
direção à fieira e, portanto, no tempo de residência desta no canhão.
Frequentemente, a velocidade angular da rosca é regulável, apresentando,
tipicamente, valores de 150 ' 600 rpm, congruentes com tempos de residência da
massa da ordem de 10 ' 60 s. Não são desejáveis tempos de residência da massa
significativamente superiores a estes valores, sobretudo na extrusão a quente,
a fim de se evitar alterações organoléticas indesejáveis propiciadas pelo
calor, designadamente fenómenos de acastanhamento.
As extrusoras de rosca única estão particularmente vocacionadas para o
processamento por moldagem e cozedura simples.
Segundo Fellows (2006), as extrusoras de rosca única podem ser classificadas
quanto à força de corte ou cisalhamento que exercem sobre a massa a processar.
Nos termos deste critério de classificação, estas extrusoras podem ser
consideradas de: alto cisalhamento, quando se está perante equipamentos com
motor de elevada velocidade angular e pequeno espaço entre a rosca e o canhão,
que propiciam a geração de pressões mais elevadas, estando vocacionados para a
produção de cereais matinais e de salgadinhos expandidos; médio cisalhamento,
com pressão em termos relativos de valor médio, mais destinados ao
processamento de massas de panificação, de proteína texturizada e de rações
para animais semi-húmidas; baixo cisalhamento, associado a equipamentos com
baixa velocidade angular e maior espaço entre a rosca e o canhão, geradores de
mais baixas pressões, mais próprios para o fabrico de gomas e de produtos
cárneos e para a modelagem de massas.
Dada a capacidade de regulação de componentes existentes nas extrusoras de
rosca dupla, estas apresentam uma maior flexibilidade de operação, quando
comparadas com as extrusoras de rosca simples. Outras vantagens comparativas
das extrusoras de rosca dupla face aos de rosca simples são, de acordo com
Fellows (2006): a maior flexibilidade na acomodação do caudal de alimentação,
isto é, a maior capacidade que o equipamento tem de processar massas mesmo com
maiores variações de caudal de alimentação; maior facilidade de operação
simultânea com materiais de diferentes tamanhos de partículas; possibilidade
acrescida de uso de diferentes secções do canhão para modificar ou regular
parâmetros como temperatura, pressão ou humidade; maior facilidade de operação
com materiais de textura oleosa ou muito húmidos.
Deste modo, segundo este autor, as extrusoras de rosca dupla conseguem
processar massas sólidas com teores máximos de 20% de gordura, 65% de humidade
e 40% de açúcares, comparativamente com valores limite máximos de 4, 30 e 10%,
respetivamente, para extrusores de rosca simples.
Contudo, uma instalação onde se processa a extrusão requer, para além da
extrusora propriamente dita, equipamento auxiliar e métodos complementares para
tornar completo o processamento, tais como funis de alimentação, misturadoras,
transportadores sem-fim, transportadores pneumáticos, elevadores, cortadoras,
crivos, métodos de pré-tratamento ou de pré-mistura, métodos de transferência
de calor e métodos de secagem, de pulverização, de revestimento e de
acondicionamento e embalamento (Figura_3).
O sistema de alimentação a utilizar depende da natureza das matérias-primas.
Para ingredientes secos como grãos e amidos são usados funis de alimentação,
que servem para armazenar os materiais imediatamente antes de darem entrada no
canhão, sendo comum possuírem sistemas gravimétricos para o controlo da taxa de
alimentação baseados, por exemplo, em medidas de massa do material numa correia
de transporte até à extrusora. No caso de líquidos, pastas, suspensões ou
polpas o controlo do caudal de alimentação tem de ser feito recorrendo a bombas
volumétricas, embora também existam métodos para medição in line do caudal.
É também muito importante a existência de um dispositivo de pré-condicionamento
das matérias-primas, para assegurar uma adequada homogeneização das mesmas
antes de entrarem no canhão da extrusora, embora também seja útil para reduzir
o consumo de energia mecânica e/ou aumentar a capacidade do sistema de
extrusão. Geralmente, nesta etapa, os produtos granulados ou os pulverulentos
são humidificados usando água ou vapor, assegurando uma maior uniformidade do
material à entrada da extrusora e maior consistência nas suas condições de
operação (Heldman e Hartel, 1997).
Após a saída do canhão pela fieira, a qual pode ter a forma de um/vários
orifício(s), fendas simples ou possuir um desenho mais complexo para obter
formas mais elaboradas, como acontece nos cereais de pequeno-almoço, o produto
é cortado por uma fresa ou por um conjunto rotativo de facas. A seguir, é comum
existir um dispositivo de transporte mecânico ou pneumático onde o produto cai
e é encaminhado para as etapas seguintes (Heldman e Hartel, 1997), as quais
podem incluir operações tais como secagem, coberturas, e por fim o embalamento.
Face à informação aqui descrita, perspetiva-se que a extrusão continue a ter
uma vasta gama de aplicabilidades na indústria alimentar.
