Mogućnost primene visokoproteinskih frakcija suncokretove sačme dobijenih postupkom usitnjavanja i vazdušne klasifikacije u proizvodnji ekstrudirane hrane za ribe

Abstract

Aktuelni problem industrije proizvodnje hrane za ribe jeste smanjena dostupnost i visoka cena ribljeg brašna, tradicionalnog izvora proteina u hrani za ribe, koja je direktna posledica rasta sektora akvakulture i visoke potražnje za ovim kvalitetnim proteinskim hranivom. Delimična ili potpuna zamena ribljeg brašna visokoproteinskim sirovinama biljnog porekla u recepturama za ishranu riba, uz iznalaženje novih alternativnih visokoproteinskih sirovina pristup je kojim se prevazilazi ovaj problem i koji ima potencijal da obezbedi održivost celokupne industrije hrane za ribe u budućnosti. U okviru ove disertacije predloženo je novo, relativno jednostavno i jeftino tehnološko rešenje za suvo frakcionisanje suncokretove sačme, čijom bi se primenom dobile njene visokoproteinske frakcije kao potencijalne proteinske sirovine biljnog porekla za zamenu ribljeg brašna u hrani za ribe. Shodno tome, istraživanja ove disertacije urađena su u dve odvojene faze, gde je prva, faza vazdušne klasifikacije, imala za cilj ispitivanje mogućnosti primene kombinacije postupaka usitnjavanja suncokretove sačme mlinom čekidarom i vazdušne klasifikacije ovako usitnjene sačme primenom vazdušnog gravitacionog kaskadnog, cik-cak, klasifikatora u cilju dobijanja frakcija povedanog sadržaj proteina u odnosu na polaznu sačmu. Nezavisni parametri usitnjavanja i klasifikacije bili su prečnik otvora sita (POS) čekidara (3, 2 i 1 mm), protok klasifikacionog vazduha (5, 8,7 i 12,5 m3/h) i jačina oscilacije vibro dozatora (JOVD) klasifikatora (30, 60 i 90% maksimuma). Zavisne promenljive bile su sadržaj proteina u dobijenim frakcijama i njihov prinos. Primenjen je 3x3x3 potpuni faktorijalni eksperimentalni dizajn prema metodi odzivne površine. U cilju dobijanja frakcije sa što većim sadržajem proteina, u što većem prinosu, kombinacija postupaka usitnjavanja i vazdušne klasifikacije je optimizovana primenom regresione analize, analize glavnih komponenata (PCA analiza), analize varijanse, kao i računske dinamike fluida (CFD analiza), kojom je dobijeni kompjuterski model vazdušne klasifikacije suncokretove sačme poređen sa eksperimentalno dobijenim rezultatima. Cik-cak vazdušni klasifikator uspešno je primenjen za razdvajanje usitnjene suncokretove sačme na grubu i finu frakciju. Pri povećanju protoka vazduha smanjivao se prinos grube a istovremeno povećavao prinos fine frakcije. Grube frakcije suncokretove sačme dobijene pri protocima vazduha od 8,7 i 12,5 m3/h imale su za 0,5 − 41,4% relativno veći sadržaj proteina u poređenju sa polaznom sačmom. Smanjenje POS i povećanje protoka vazduha uticalo je na povećanje, dok je povećanje JOVD, uticalo na smanjenje sadržaja proteina grube frakcije. Najveći sadržaj proteina (50,90%SM) imala je gruba frakcija suncokretove sačme dobijena pri sledećim parametrima: POS − 1 mm; protok vazduha − 12,5 m3/h; JOVD − 30%. Na sadržaj proteina grube frakcije i odnos prinosa frakcija značajan uticaj (p < 0,05) imali su POS čekidara i protok vazduha, dok je CFD model pokazao zadovoljavajuće poklapanje sa eksperimentalnim rezultatima. Cilj druge faze disertacije, faze ekstrudiranja, bio je najpre ispitivanje uticaja dodatka polazne suncokretove sačme (oko 37% proteina na SM) i njene dve visokoproteinske frakcije (oko 43% i 49% proteina na SM), dobijenih na osnovu odabranih parametara usitnjavanja i vazdušne klasifikacije, na postupak ekstrudiranja i fizički kvalitet ekstrudirane hrane za ribe. Maksimalno 20% ribljeg brašna bilo je zamenjeno polaznom sunockretovom sačmom i njenim odabranim visokoproteinskim frakcijama, a njihov udeo u recepturi za ishranu pastrmke menjan je na osnovu dizajna smeše. Za ekstrudiranje eksperimentalnih smeša i dobijanje hrane u obliku granula korišćen je dvopužni ekstruder. Ulazni parametri ekstrudiranja bili su konstatni, osim sastava smeše, a praćeni su izlazni parametri ekstrudiranja: temperatura u cevi ekstrudera, temperatura matrice, pritisak na matrici, specifična potrošnja energije (SME) i obrtni moment elektromotora ekstrudera. Proizvedenim uzorcima ispitani su pokazatelji fizičkog kvaliteta: stepen ekspanzije, nasipna masa, tvrdoća, stepen otiranja, kapacitet upijanja ulja, nivo otpuštanja ulja iz zauljenih granula, stabilnost u vodi i mikrostruktura granula. Prisutvo suncokretove sačme višeg sadržaja proteina i manjeg sadržaja celuloze u smeši uticalo je na formiranje više temperature matrice ekstrudera, kao i na smanjenje SME i obrtnog momenta. Povećanje sadržaja proteina suncokretove sačme doprinelo je stvaranju kompaktnije strukture granule, povećanju tvrdoće, otpornosti otiranju i stabilnosti granula u vodi, smanjenju nivoa otpuštanja ulja, te je tako pozitivno uticalo na fizičke karakteristike granula. Visokoproteinska frakcija suncokretove sačme sa 49% proteina na SM doprinela je optimalnim fzičkim karakteristikama ekstrudirane hrane za pastrmku. Karakterizacija ove frakcije kao potencijalne nove sirovine u industriji hrane za ribe bio je krajnji cilj ispitivanja ove disertacije. U tu svrhu navedena frakcija suncokretove sačme poređena je u novom eksperimentu ekstrudiranja i ispitivanja fizičkog kvaliteta hrane za pastrmku sa ribljim brašnom, kao i sojinim brašnom, koje je najčešće korišćen izvor biljnih proteina u hrani za ribe. Korišćena je nova receptura smeše ali ista postavka eksperimenta kao u prvom delu faze ekstrudiranja. Rezultati su pokazali da je prisustvo visokoproteinske suncokretove sačme sa oko 49% proteina (SM) doprinelo smanjenju temperature matrice, ali i povedanju SME i obrtnog momenta, a time i poroznosti granula što je imalo pozitivan uticaj na kapacitet upijanja ulja granula, stabilnost granula i otpuštanje nutrijenata u vodi, kao i negativan uticaj na stepen otiranja i nasipnu masu granula. Zamena 13,4% ribljeg brašna u recepturi ovom viskoproteinskom frakcijom suncokretove sačme za rezultat je imala granule zadovoljavajućeg fizičkog kvaliteta. Granule najboljeg fizičkog kvaliteta dobijene su kombinacijom visokoproteinske frakcije suncokretove sačme sa sojinim brašnom, te se moglo zaključiti da se funkcionalne karakteristike ove dve sirovine odlično dopunjuju, i da visokoproteinska frakcija suncokretove sačme, sa stanovišta tehnološkog kvaliteta hrane za ribu, predstavlja dobru alternativu ribljem brašnu.

High price and finite availability of fish meal (FM), due to high expansion of aquaculture sector in recent decades, are main concerns for modern day aquafeed industry. Partially or completely substation of fish meal in fish feed with protein sources of plant origin, together with finding novel alternative protein sources, is commonly used approach that enables sustainability of aquafeed industry in decades to come. New, relatively simple and low-cost procedure for dry fractionation of sunflower meal (SFM) was proposed within this thesis, with aim for producing high protein SFM fractions as a potential plant source alternative for FM in fish feed. Thus, thesis’s researches were done in two phases, where the aim of the first phase, air classification phase, was to investigate the possibility of applying combination of grinding by hammer mill and air classification of ground SFM using gravitational, cascade air classifier (zigzag), in order to obtain protein enriched fractions. Independent variables of grinding and air classification were sieve openings diameter (SOD) of hammer mill (3, 2 and 1 mm), air flow (5, 8.7 and 12.5 m3/h) and bowl feeder oscillation rate (BFOR) of air classifier (30, 60 and 90% of the maximum). Depended responses were protein content and yield of obtained fractions. The experimental data were obtained using 3 x 3 x 3 full factorial experimental design according to response surface methodology (RSM). For the optimization of grinding and air classification, in order to obtain fraction with highest possible protein content and in high yield, regression analysis, principal component analysis (PCA), analysis of variance (ANOVA) and computational fluid dynamics (CFD) approach were employed. Zigzag air classifier was successfully used for fractionation of ground SFM into coarse and fine fraction. Yield of coarse fractions was decreasing, while fine fractions yield was increasing with the increase of the air flow. Coarse fractions of SFM obtained at 8.7 and 12.5 m3/h were 0.5 − 41.4% relatively enriched in protein content compared to the starting SFM. Decrease of SOD and increase of air flow resulted in coarse fraction protein content increase, while increasing BFOR decreased coarse fraction protein content. The coarse SFM fraction with highest protein content was obtained for the SFM ground by 1 mm SOD, air flow of 12.5 m3/h, with BFOR set at 30%. Protein content of coarse fraction and ratio of fractions yields were significantly affected (p < 0.05) by SOD of hammer mill and air flow. CFD model coincide with the experimental results of air classification. The first aim of second phase, extrusion phase, was to investigate influence of starting SFM (37% of protein at DM) and its two high protein fractions (43% and 49% of protein at DM), obtained by grinding and air classification, on extrusion process and physical quality of extruded fish feed. Maximum 20% of FM was substituted with SFM and its high protein fractions in trout feed recipe, and their share was changed according to the mixture design. Twin screw extruder was used for the production of trout feed samples. Primarily extrusion parameters were constant, except dry mixture composition, and secondary extrusion factors were observed: extruder barrel’s temperatures, temperature and pressure at the die, specific mechanical energy (SME) and motor load as torque. Selected physical properties of extruded trout feed samples were determined: radial expansion, bulk density, hardness, durability, oil absorption capacity, oil leakage, water stability and microstructure of feed. SFM higher in protein and lower in fiber influenced higher die temperature and lower SME and torque during extrusion process. Increase in protein content of SFM resulted in more compact structure of pellets, increased hardness, durability and water stability, decreased oil leakage and thus positively influenced on physical properties of feed. High protein SFM fraction with around 49% of protein (DM) contributed to the optimal physical properties of experimental feed and characterization of this SFM fraction, as a potential new raw material in fish feed industry, was definite aim of this thesis. Towards that, new set of experiments was conducted, where high protein SFM fraction was compared with FM and soybean flour (SBF) by extruding new samples of trout feed and investigating their physical quality. Results of second extrusion experiment showed that presence of high protein SFM fraction (49% of protein DM) in dry mixture decreased die temperature, while increased SME and torque, and with that also increased porosity of pellets, oil absorption capacity and water stability but decreased bulk density and durability. Substitution of 13.4% FM by high protein SFM fraction resulted in pellets with satisfactory physical quality. The highest quality pellets were obtained in combination of high protein SFM and SBF, which lead to the conclusion that functional characteristics of high protein SFM fraction and SBF are complementary, and that novel SFM, from the point of technical quality, presents good FM alternative.