Extrusion cooking : technologies and applications /

List of contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
R. Guy, Campden and Chorleywood Food Research Association,
Chipping Campden
Part I General influences on quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Raw materials for extrusion cooking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
R. Guy, Campden and Chorleywood Food Research Association,
Chipping Campden
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Examples from Group 1: structure-forming materials based
on starch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Examples from Group 1: structure-forming materials based
on protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Examples from Group 2: dispersed-phase filling materials . . . 21
2.5 Examples from Group 3: ingredients that act as plasticisers
and lubricants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Examples from Group 4: soluble solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7 Examples from Group 5: nucleating substances . . . . . . . . . . . . . . 25
2.8 Examples from Group 6: colouring substances . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Examples from Group 7: flavouring substances . . . . . . . . . . . . . . 26
2.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Contents
3 Selecting the right extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
M. N. Riaz, Texas A&M University, College Station
3.1 Introduction and terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Function and advantages of extruder technology . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Selecting an extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 General design features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Segmented screw/barrel single-screw ‘wet’ extruders . . . . . . . . 32
3.6 Dry extruders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.7 Interrupted flight extruders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.8 Twin-screw extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.9 Single- vs. twin-screw extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.10 Sources of further information and recommended reading . . . 48
3.11 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Optimised thermal performance in extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
J. Mottaz and L. Bruyas, Clextral, Firminy
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Heat transfer in extrusion processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Experimental analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Thermal modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Sizing an extruder and future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 Effective process control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C. J. Chessari and J. N. Sellahewa, Food Science Australia, North Ryde
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Product requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3 Key control points in meeting product requirements . . . . . . . . . 90
5.4 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Process monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.6 Process control in action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.8 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 Extrusion and nutritional quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
M. E. Camire, University of Maine
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2 Macronutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3 Vitamins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4 Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.5 Non-nutrient healthful components of foods . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.6 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
vi Contents
6.7 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.8 References and further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Part II Specific extruded products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7 Breakfast cereals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
J-M. Bouvier, Clextral, Firminy
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2 The range of products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3 Key process issues of the product range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4 Main unit operations and technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.6 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8 Snack foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
R. Guy, Campden and Chorleywood Food Research Association,
Chipping Campden
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.2 Formed dough products: potato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.3 Formed dough products: maize and other materials . . . . . . . . . . 169
8.4 Half-product or pellet snacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.5 Directly expanded snacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.6 Co-extruded snacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.7 Future snack processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9 Baby foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
M. Kazemzadeh, Buhler Inc., Bloomington
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2 Traditional batch processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.3 Extrusion system for baby foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.4 The market for baby foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.5 Baby food products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.6 Processing benefits of twin-screw extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.7 Socio-economical future of baby food production . . . . . . . . . . . 197
9.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200