Extrusion has been widely used as a high-temperature short-time process to produce commercially shelf stable extruded products. Many physical and chemical changes take place during the process, including the gelatinization of starch, denaturation of protein and even complete cooking. To fully understand changes during the process, evaluation of the effect of extrusion process variables on the extruded product is very important. There are many process and product-dependent variables associated with the extrusion process such as barrel temperature, screw speed, die diameter and raw material composition (moisture, starch, protein and fat contents). In general, commercial extruded products have mainly focused on starch-rich products which are generally are low in protein content. The overall objective of this research was to prepare high-value protein-rich products through the use of extrusion processing.In order to evaluate the influence of added protein [soy protein isolate, (SPI)] to a corn-based system, a two step procedure was employed. Firstly, the effect of feed moisture, screw speed and barrel temperature on physical properties of extruded corn flour and SPI blends was evaluated to generate a basic understanding of the influence of operational parameters. This was expanded to include higher protein levels in the subsequent study. The physical properties of the extruded material considered were expansion ratio, bulk density, breaking strength, water solubility index, rehydration ratio and color. All these properties were significantly (P ≤ 0.05) affected by the process variables. An optimization study was performed to determine optimum variable levels to achieve desirable properties of extruded product within selected constraints.As residence time distribution (RTD) is an important aspect of the extrusion process. The RTD of SPI and corn flour mixtures was studied under different screw speeds (75, 100 and 125 rpm), raw material moisture (25, 30 and 35%) and die diameter (3 and 5 mm) configurations. Two conventional flow models served to represent the RTD patterns in the extruder: the frequency model (F distribution) and the cumulative RTD model (E-distribution). The parameters of these models – the half concentration internal age and particle accumulation rate – were determined by a nonlinear regression. These models' parameters were found to be responsive to process variables, and both F and E distributions were well predicted.As extruded products produced under the above conditions remained high in moisture content and water activity, in order to achieve shelf stability it was necessary to lower their moisture and water activity levels. The effect of extrusion process variables on the drying behavior of the product was studied next. Since there were many test samples, a simple drying set-up operating under moderate temperature (55°C), humidity and airflow conditions was used. The extrusion process variables were found to significantly (P ≤ 0.05) affect the drying behaviour of the product. Models were developed to predict drying times to reduce the product moisture to stable levels (water activity below 0.75). Selected extrusion products with 50% protein content were subjected to frying at different temperatures (145ºC, 165ºC, 185ºC) and for different durations (0 to 660 s). The resultant products' physical characteristics, including breaking strength, oil uptake, color and moisture content were evaluated, and a sensory test was performed to describe the acceptability of the products. Frying conditions which yielded products of acceptable quality were identified.Overall, the research contributes to a better understanding of the extrusion process of high SPI content corn flour blends. Together with post extrusion treatments including drying and frying, the process can produce good quality protein-rich extrusion products for use in further preparations or as a fried snack. / Processus à haute température et de courte durée, l'extrusion permet la production de produits d'extrusion comestibles à longue vie commercial. Durant ce processus il survient des changements incluant la gélatinisation de l'amidon, la dénaturation des protéines, ainsi qu'une cuisson uniforme et complète. Pour bien maîtriser ces changements, une évaluation de l'effet des variables du processus d'extrusion sur l'extrudat est de rigueur. Plusieurs variables, soit la température du fourreau, la vitesse de la vis, le diamètre de la filière et la composition de la matière première (teneur en eau, en amidon, en protéines et en gras), sont liées au processus ainsi qu'au produit. Les produits commerciaux extrudés demeurent riche en amidon, mais pauvre en protéines. La présente recherche visa à préparer, par l'entremise d'une transformation par extrusion, des produits de haute valeur, riches en protéines.Afin d'évaluer l'influence d'un ajout de protéine [isolats de protéine de soya, (IPS)] à un système à base de maïs, un processus à deux étapes fut étudiés. L'effet de la teneur en eau du matériel, de la vitesse de la vis et de la température du fourreau sur les propriétés physiques d'extrudats d'un mélange d'ISP et de farine de maïs furent évalués, pour évaluer l'influence des paramètres opérationnels. L'inclusion de teneurs en protéine plus élevés suivi. Les propriétés physiques de l'extrudat considérés furent le taux de foisonnement, la densité apparente, la résistance à la rupture, l'indice de solubilité dans l'eau, le taux de réhydratation, et la couleur. Toutes celles-ci furent influencées (P ≤ 0.05) par les variables de transformation. Une optimisation des variables de transformation pour obtenir un extrudat aux propriétés voulues sous certaines contraintes d'opération suivit.La distribution temps séjour (DTS) est un important aspect du processus d'extrusion. La DTS de mélanges d'IPS et de farine de maïs fut déterminée sous différentes vitesses de vis (75, 100 ou 125 rpm), teneurs en eau du matériel brut (25, 30 ou 35%) et diamètre de la filière (3 ou 5 mm). Deux modélisations conventionnelles du débit, l'une liée à la fréquence (distribution F) et l'autre cumulative (distribution E), servirent à représenter le cours du DTS dans l'extrudeur. L'âge interne à mi-concentration et le taux d'accumulation de particules, déterminés par régression non-linéaire, répondirent bien aux variables de transformation, les distributions E et F étant prédites avec exactitude.Comme ces extrudats maintinrent une teneur et une activité en eau élevée, il fut nécessaire, afin d'obtenir une bonne stabilité sur les tablettes, de diminuer ces derniers. Un étude sur l'effet des variable du processus d'extrusion sur le séchage subséquent de l'extrudat fit suite. Étant donné le grand nombre d'échantillons, un simple appareillage de séchage, fonctionnant à de températures, taux d'humidités et flux d'air moyens, fut utilisé. Les variables du processus d'extrusion influencèrent (P ≤ 0.05) le séchage du produit. Des modélisations furent développées afin de prédire le temps nécessaire pour réduire la teneur en eau du produit à un niveau stable (activité de l'eau en deçà de 0.75). Des extrudats d'une teneur en protéine de 50% furent frits à des températures de 145ºC, 165ºC, et 185ºC pour 0 à 660 s. La résistance à la rupture, l'absorption d'huile, la couleur et la teneur en eau des produits frits furent évalués. Un test organoleptique évalua l'acceptabilité des produits. Les conditions de friture donnant une qualité acceptable furent identifiées.Ces études contribuèrent à une meilleure compréhension du processus d'extrusion de mélanges de farine de maïs à haute teneur en ISP. Apparié aux traitements post-extrusion de séchage ou de friture, le processus permet de produire des extrudats de qualité à haute teneur en protéines pouvant passer par une étape de préparation additionnelle ou être consommées directement comme croustille frite.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106383 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Yu, Liang |
| Contributors | Hosahalli Ramaswamy (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Food Science and Agricultural Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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