Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии

Всероссийский научно-исследовательский институт 
пищевой биотехнологии –  
филиал Федерального государственного бюджетного  
учреждения науки Федерального исследовательского центра 
питания, биотехнологии и безопасности пищи

ВНИИПБТ – 
ФИЛИАЛ ФГБУН «ФИЦ ПИТАНИЯ И БИОТЕХНОЛОГИИ»

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКАЯ  
ЭКСТРУЗИЯ В ПРОЦЕССАХ  
ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В., Серба Е.М.

(монография)

EXTRUSION IN FOOD BIOTECHNOLOGY 
PROCESSES

Sharikov A.Yu., Ivanov V.V., Amelyakina M. V., Serba E. M.

(monograph)

Москва
2022

УДК 663+664
ББК 
36.81
 
Т35

Рецензенты:
Лукин Николай Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, 
заместитель директора по научной работе ВНИИ крахмалопродуктов – 
филиал ФГБНУ «ФИЦ картофеля имени А.Г. Лорха»,  заведующий кафедрой «Технологии производства крахмала и крахмалопродуктов» ФГБОУ «Московский государственный университет 
технологий и Управления им. К.Г.Разумовского»
Машенцева Наталья Генадьевна, доктор технических наук, профессор, профессор РАН, 
профессор кафедры «Биотехнология и технология биоорганического синтеза» ФГБОУ ВПО 
Московского государственного университета пищевых производств

 
Шариков А.Ю.,  Иванов В.В., Амелякина М.В., Серба Е.М.
Т35 
Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии: монография / А. Ю. Шариков, В. В. Иванов, М. В. Амелякина, Е. М. Серба. – Москва : 
Первое экономическое издательство, 2022. – 116 с.

ISBN: 978-5-91292-447-7
DOI: 10.18334/9785912924477

В монографии рассмотрены особенности использования экструзии при переработке сельскохозяйственного сырья применительно к задачам его дальнейшей биоконверсии, влияния режимных параметров на эффективность последующей биотехнологической переработки. 
Монография предназначена для специалистов предприятий сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также для научных работников, аспирантов и студентов с целью использования в образовательной деятельности.

© ВНИИПБТ – филиал ФГБУН  
«ФИЦ питания и биотехнологии», 2022
Шариков А.Ю., Иванов В.В., 
Амелякина М.В., Серба Е.М.
© Дизайн обложки и оформление, ООО 
«Первое экономическое издательство»,2022
ISBN: 978-5-91292-447-7

Содержание

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Модификация биополимеров  
сельскохозяйственного сырья  
в процессе термопластической экструзии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1. Модификация крахмала и сахаров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2. Модификация свойств некрахмалистых  
полисахаридов в процессе экструзии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Изменения свойств белков в процессе экструзии . . . . . . . . . . . . . . 16

2. Термопластическая экструзия  
в процессах биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1. Обоснование перспективы использования технологии  
экструдирования в процессах биоконверсии  
сельскохозяйственного сырья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
.2. Ферментативный гидролиз экструдированного  
крахмала в условиях высокой концентрации среды  . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Возможности получения высококонцентрированных  
глюкозных сиропов экструдированного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Влияние фактора перемешивания на эффективность 
ферментативного гидролиза высококонцентрированных сред 
экструдированного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5. Экструзионная предобработка сырья  
с последующим сбраживанием  
или культивированием микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3. Интеграция экструзии и биокатализа  
в одну систему реакторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4. Глубокая переработка зернового сырья  
в белковый концентрат и этанол 
на основе процессов экструзии и биокатализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5. Биокатализ сельхозсырья в камере экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6. Утилизация вторичных сырьевых ресурсов  
с использованием экструзионных  
и биокаталитических методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Аннотация. В монографии рассмотрены особенности использования экструзии при 
переработке сельскохозяйственного сырья применительно к задачам его дальнейшей 
биоконверсии, влияния режимных параметров на эффективность последующей биотехнологической переработки. Приведены возможности совмещения процессов экструзии 
и биокатализа в одной системе реакторов или непосредственно в камере экструдера, что 
позволяет значительно повысить концентрацию перерабатываемых биотехнологических 
сред, упростить аппаратурно-технологический состав производственных линий, повысить их производственную мощность и эффективность использования энергоресурсов. 
Представлены примеры разработки экструзионнных пищевых продуктов и кормов с 
использованием в качестве ингредиентов биотехнологических субстратов.
Монография предназначена для специалистов предприятий сельского хозяйства 
и перерабатывающей промышленности, а также для научных работников, аспирантов 
и студентов с целью использования в образовательной деятельности в области пищевой биотехнологии, в учебных процессах при подготовке бакалавров и магистров по 
направлению «Биотехнология», «Пищевые системы», «Процессы и аппараты» и др.    
Ключевые слова: экструзия, биотехнология, ферменты, сельскохозяйственное 
сырье, брожение, спирт, вторичные ресурсы, высококонцентрированные среды, корма, 
ингредиенты.

The monograph discusses the features of the use of extrusion in the processing of agricultural raw 
materials in relation to the tasks of its further bioconversion, the influence of regime parameters on the 
efficiency of subsequent biotechnological processing. The possibilities of combining the processes of 
extrusion and biocatalysis in one system of reactors or directly in the extruder chamber are presented, 
which makes it possible to significantly increase the concentration of processed biotechnological media, 
simplify the hardware and technological composition of production lines, increase their production 
capacity and efficiency in the use of energy resources. Examples of the development of extruded food 
and feed products using biotechnological substrates as ingredients are presented.
The monograph is intended for specialists of enterprises of agriculture and the processing industry, 
as well as for scientists, graduate students and students with the aim of using it in educational activities 
in the field of food biotechnology, in educational processes in the preparation of bachelors and masters 
in the direction of «Biotechnology», «Food systems”, “Processes and devices”, etc.
Keywords: extrusion, biotechnology, enzymes, agricultural raw materials, fermentation, alcohol, food 
by-products, highly concentrated media, feed, ingredients.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Шариков Антон Юрьевич – кандидат технических наук, заведующий отделом 
оборудования пищевых производств и мембранных технологий Всероссийского 
научно-исследовательского института пищевой биотехнологии – филиала 
Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального 
исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи 
(ВНИИПБТ – филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»).
Иванов Виктор Витальевич – кандидат технических наук, ведущий научный 
сотрудник отдела оборудования пищевых производств и мембранных технологий 
ВНИИПБТ – филиала ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии».
Амелякина Мария Валентиновна – кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела оборудования пищевых производств и мембранных технологий ВНИИПБТ – филиала ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии».
Серба Елена Михайловна – член-корреспондент РАН, доктор биологических 
наук, заместитель директора по научной работе ВНИИПБТ – филиала ФГБУН 
«ФИЦ питания и биотехнологии».

Введение

Совершенствование процессов пищевой биотехнологии предполагает интенсификацию, оптимизацию, техническое переоснащение 
различных технологических стадий, более рациональное использование сырья, водных и теплоэнергоресурсов. Резервы технологического 
развития заключены как во внедрении более эффективных и ресурсосберегающих процессов на различных стадиях биоконверсии сельскохозяйственного сырья, включая его предобработку, биокатализ, ферментацию, так и утилизации вторичных ресурсов с получением продуктов 
с высокой добавленной стоимостью. Настоящая работа рассматривает 
перспективы интеграции в пищевые биотехнологические производства термопластической экструзии, обладающей рядом технологических и экономических преимуществ по отношению к общепринятым 
в пищевой биотехнологии процессам. Значимый вклад в исследование 
процессов экструзии сельскохозяйственного сырья, разработку новых 
технологий получения пищевых и кормовых продуктов, в том числе 
на основе совмещения процессов экструзии и биоконверсии, внесли 
советские и российские ученые: А.И. Жушман, В.Г. Карпов, В.П. Юрьев, 
А.Н. Богатырев, А.Н. Остриков. В течение длительного периода времени данное направление исследований во ВНИИПБТ возглавлял 
В.И. Степанов, разрабатывая концепцию использования экструзии в 
разработке инновационных процессов для получения сред для культивирования микроорганизмов, сбраживаемых сред спиртовой и пивоваренной отраслей, утилизации вторичных сырьевых ресурсов биотехнологических производств в продуктах питания и кормов.
На рисунке 1 представлены перспективные направления использования экструзии в пищевой биотехнологии. 
Важной стадией биоконверсии сельскохозяйственного сырья, определяющей ее эффективность, является водно-тепловая обработка, как 
правило, многоэтапная, требующая значимых теплоэнергетических 
ресурсов, емкостного оборудования. Анализ актуальных литературных источников и исследовательских практик позволяет рассматривать экструзию как перспективный процесс предобработки сырья и 
получения готовой продукции с использованием ферментных препаратов или микроорганизмов. Среди областей потенциального внедре

ния можно выделить отрасли, перерабатывающие крахмалсодержащее 
сырье: спиртовую, пивоваренную, крахмалопаточную, микробиологическую, хлебопекарную. В данном случае экструзия как комплексный 
процесс, включающий в себя возможности измельчения, эффективного смешивания, гидротермомеханической обработки, позволяет с 
успехом заменить длительные, многооперационные стадии традиционной влаготермической переработки. Экструзия как стадия предподготовки сырья значимо повышает степень растворимости углеводов, 
дальнейшего гидролиза крахмала, белка, некрахмалистых полисахаридов с соответствующим ростом выхода продуктов биоконверсии. В технологии спирта использование экструдирования крахмалсодержащего 
сырья может стать фактором значительного повышения концентрации перерабатываемых сред, увеличения выхода этанола и снижения 
образования побочных метаболитов брожения, в пивоваренном производстве позволяет расширить применение несоложеных материалов 
при приготовлении сусла, при глубинном культивировании микроорганизмов – продуцентов ферментов – повысить концентрацию среды 
и синтез ферментов. В работе приведены положительные результаты 

Рис. 1. Возможности и перспективные направления использования 
экструзии в процессах пищевой биотехнологии

 

 

получения питательных сред на экструдированном сырье для микробиологического продуцирования L (+) молочной кислоты, производства заквасок и поликомпонентных сквашенных молокосодержащих 
продуктов. Совмещение экструзии и биокатализа в камере экструдера позволяет получать мальтодекстрины с различным декстрозным 
эквивалентом. Помимо переработки крахмалсодержащих субстратов 
экструзия в комплексе с биокаталитической обработкой обеспечивает 
глубокую модификацию биополимеров сырья с высоким содержанием 
белка и пищевых волокон, например, гидролиз обладающих антигенными свойствами термоустойчивых белковых фракций глицинина и 
бета-конглицинина соевого шрота, повышение функциональности 
отрубей и содержания водорастворимых арабоксиланов в специализированных экструдированных продуктах. 
Другим важным и актуальным направлением использования процесса экструдирования применительно к пищевой биотехнологии 
является производство новых видов пищевых продуктов и кормов, 
в которых в качестве ингредиентов используются либо целевые продукты биоконверсии, например, дрожжевая биомасса, гидролизаты 
различных видов сырья, либо вторичные сырьевые ресурсы (грибной 
мицелий, послеспиртовая барда, пивная дробина). 
В монографии рассмотрены особенности использования экструзии при переработке сельскохозяйственного сырья применительно 
к задачам его дальнейшей биоконверсии, влияния режимных параметров на эффективность последующей биотехнологической переработки. Приведены возможности совмещения процессов экструзии и 
биокатализа в одной системе реакторов или непосредственно в камере 
экструдера, что позволяет значительно повысить концентрацию перерабатываемых биотехнологических сред, упростить аппаратурно-технологический состав производственных линий, повысить их производственную мощность и эффективность использования энергоресурсов. 
Представлены примеры разработки экструзионнных пищевых продуктов и кормов с использованием в качестве ингредиентов биотехнологических субстратов.

1. Модификация биополимеров  
сельскохозяйственного сырья  
в процессе термопластической экструзии

Термопластическая (варочная) экструзия в аспекте изменения технологических свойств биополимеров растительного сырья является 
перспективной альтернативой различным способам химической, биокаталитической и другим способам модификации ингредиентов, создания новых видов пищевых добавок и придания определенных свойств 
готовым экструзионным пищевым продуктам. Комплексное воздействие таких факторов экструзионной обработки, как высокие температура и давление, сдвиговые деформации и возможность варьирования 
содержанием влаги в реакционной системе, позволяет значимо изменять физико-химические и структурные свойства перерабатываемого 
сырья. Наиболее представленным классом органических соединений в 
сельскохозяйственном сырье являются углеводы, в большей части это 
крахмалы и некрахмальные полисахариды, выполняющие важнейшие 
функции в питании. Кроме того, пищевая промышленность широко 
использует различные виды углеводов как добавки с разнообразными 
технологическими целями, в качестве загустителей, стабилизаторов, 
эмульгаторов, наполнителей, желирующих и влагоудерживающих 
агентов. В результате гидротермомеханического экструзионного воздействия получаемые экструдаты могут обладать новыми, улучшенными технологическими свойствами, что может расширить спектр 
их использования в пищевой промышленности. Важными аспектами 
модификации являются изменение пищевой ценности перерабатываемого сырья, образование комплексов органических соединений в реакторной системе экструдера.

1.1. Модификация крахмала и сахаров

Экструзия крахмала. Крахмал как значимый источник пищевых 
углеводов и энергии является основным биополимером, подвергающимся экструзионной переработке в процессе производства продуктов 
экструзионных круп, ингредиентов для детского питания, сухих завтра

ков, хлебцев, пеллет и другой крахмалсодержащей продукции. Одна из 
первых предложенных моделей трансформации крахмала в процессе 
экструдирования предполагала [40], что с уменьшением содержания 
влаги от 33% до 14% происходит постепенный переход от желатинизированных свойств к декстринизированным. Максимальная клейстеризация крахмала отмечена при влажности около 28–29%, а в экструдированном при влагосодержании менее 20% крахмале преобладающими 
становятся декстринизированные свойства. Частично подтвердило 
данную концепцию исследование [73], в котором хроматографический 
анализ экструдированных смесей картофельной, пшеничной, овсяной 
муки, мальтодекстрина показал увеличение содержания декстринов 
степенью полимеризации 7–10 глюкозных остатков с 5,7–6,8% до 10,6–
11,2%, степенью полимеризации 3–6 глюкозных остатков с 0,9–1,1% 
до 1,3–1,4%. При этом содержание моно- и дисахаров не изменялось. 
Согласно альтернативной концепции [25], при экструдировании изменений молекулярной структуры крахмала не происходит, нет образования моно- и дисахаров, олигосахаридов и декстринов более высокой 
степени полимеризации, что также было отмечено при изучении проэкструдированных крахмалов кукурузы и сорго [50]. Авторы считают, что в 
результате экструзии происходит разрушение надмолекулярной гранулярной структуры крахмала и его клейстеризация, следствием чего являются высокая степень растворимости и ферментативной атакуемости. В 
результате исследования влияния высокотемпературной экструзии на 
крахмалы различного ботанического происхождения на примере картофельного, кукурузного и тапиокового [16] установлено изменение морфологической структуры нативного сырья – разрушение аморфно-кристаллической структуры и переход крахмалов в аморфное состояние.
Как известно, клейстеризация – это сложное явление, которое определяется рядом факторов: ботаническим происхождением, условием 
роста растений, методами выделения и экстракции, содержанием 
воды, наличием добавок, скоростью нагрева и температурным режимом обработки. Классическая модель клейстеризации, когда гранулы 
крахмала медленно нагреваются с большим количеством воды, способствующей впитыванию, набуханию и высвобождению биополимеров, неприменима для экструзии с большим усилием сдвига. Полная 
клейстеризация крахмала при экструдировании происходит при 120 °C 

и влажности 20–30%, а при более высоких температурах – при влажности 10–20% [20, 61]. Более современное исследование [62] подводит итог работам [16, 20, 50, 61, 62, 94], рассматривающим влияние 
экструзии на крахмал через трансформацию его двух основных биополимеров: относительно линейной амилозы с молекулярной массой 
порядка 106 Да и амилопектина с высокой степенью полимеризации, 
отличающейся высокой плотностью разветвлений, около 5% глюкозидных связей составляют α-1,6. Результаты исследования показали, что 
при сдвиговых деформациях экструзионной обработки значительной 
деградации подвергаются гранулы амилопектина, а значимых изменений макромолекулярной структуры амилозы не наблюдается. Авторы 
объясняют данный эффект тем, что амилопектин не только крупнее 
амилозы, но и имеет гораздо более короткие ответвления. Высокая 
степень разветвленности делает структуру амилопектина негибкой, 
уменьшая максимальную деформацию, которую он может выдержать 
без разрушения. Результаты исследования показывают, что фактический разрыв гликозидных связей внутри цепи не является избирательным процессом, и они имеют такую же вероятность разрыва в длинных 
разветвлениях, как и в коротких. При этом во время экструзии с большей вероятностью деполимеризация по гликозидным связям происходит в точках разветвления полимерных цепей. В случае более высокого 
содержания амилозы вязкость получаемого расплава повышается, и 
процесс экструзии становится более затруднительным [88, 95]. Такое 
явление объясняется высокими температурами плавления амилозы 
при низком содержании влаги и тем, что амилозная фракция сложнее 
взаимодействует с водой и менее склонна к набуханию. Для устранения 
или уменьшения таких проблем рекомендуется при экструзии таких 
крахмалов увеличивать содержание влаги в камере экструдера, повышать степень сжатия шнека и скорость вращения шнека [7, 95]. 
Структурные изменения при экструдировании крахмала происходят в присутствии липидов. Амилозо-липидные комплексы образуются при нагревании крахмала и последующем медленном охлаждении, вызывая изменения в его кристаллической структуре. Нагревание 
расширяет диаметр двойной спирали, позволяя липиду вписаться в 
двойную спираль амилозы. Амилозо-липидные комплексы проявляют термический переход примерно при 100 °С в избытке воды, что