Producción industrial de cereales de desayuno mediante procesos ...

Quinto Simposio Internacional de
Innovación y Desarrollo de Alimentos
Producción de Cereales de Desayuno Mediante
Procesos Tradicionales y de Extrusión
Termoplástica
Dr. Sergio O. Serna Saldivar
Director y Profesor Investigador
Departamento de Biotecnología e Ingeniería de Alimentos
ITESM-Campus Monterrey
Montevideo, Uruguay
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

Objetivos
Describir los procesos tradicionales
de producción de cereales para el
desayuno y botanas.
Describir procesos de extrusión
termoplástica para el desarrollo de
nuevos productos.
Discutir las nuevas tendencias en el
desarrollo de nuevos productos y
tecnologías innovativas.
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Cereales para el Desayuno
Alimentos convenientes generalmente
consumidos en la mañana. La mayoría son RTE.
Generalmente son consumidos con leche.
Considerados como una fuente importante de
nutrientes (calorias, proteína, micronutrientes).
La mayoría son enriquecidos /fortificados.
Son saborizados con azúcar y/o edulcorantes.
Bajos en aceite.
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Introducción
La producción mundial de cereales RTE alcanzó
los 3 millones de toneladas con un valor de mas
de US$ 16 mil millones.
– En los EUA, el mercado annual excede 6,800 millones de dolares
(Le Corre 2006).
Los Irlandeses, Ingleses, Australianos y Norte
Americanos son los mayores consumidores per
capita (4a6kg/año).
Dentro de Latinoamérica, se destaca México, que
participa con el 5% de la producción mundial.
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Clasificación de Cereales para
Desayuno
Listos para Consumirse (RTE):
– Laminados - Inflados en el Horno
– Inflados en Cañón de Expansión - Extrudidos Directos
– Extrudidos (comprimidos) - Trenzados
– Granolas
Requieren Cocción.
– Hojuelas de avena
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Tendencias de la Industria de
Cereales para el Desayuno
Productos que favorezcan la salud.
– Productos altos en fibra dietética, especialmente soluble.
– Los cereales de avena son los que han subido más en
popularidad: alta cantidad de fibra tanto soluble como
insoluble.
– Productos elaborados con granos enteros (nutracéuticos)
Productos fortificados.
Cereales para desayuno con frutas deshidratadas.
Libres de aditivos no GRAS.
Mayor producción de cereales utilizando extrusión
termoplástica.
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Fibra
Ventajas : nutrimental, nutracéutica y
mercadotecnia.
Desventajas: procesamiento y calidad de producto.
Fibra insoluble es un compuesto inerte-no
funcional.
Fibra soluble generalmente causa adhesividad y
problemas de maquinabilidad.
Alta en pigmentos de naturaleza fenólica causando
problemas en color y sabor de los productos.
Barrera física en contra de fenómenos de
gelatinización, gelación, retrogradación, expansión
y de interacción de las proteínas del gluten.
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Proceso General Simplificado
Materias
Primas
Mezcla de Ingredientes
Cocción
Agua
Formado/Moldeado
Horneado
Saborizado
Producto
Terminado
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Producción de Hojuelas
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Cereales para el Desayuno
Laminados (Hojuelas)
Cereales con mayor volumen de ventas en el
mundo.
Producidos por dos procesos: tradicional y
extrusión termoplástica.
El proceso tradicional es aplicado en grits de maíz,
arroz blanco pulido y trigo. Productos poseen
mejor sabor.
La extrusión termoplástica es cada día más
utilizada. Hojuelas combinadas y altas en fibra.
– Proceso utilizado: Extrusión para formación de comprimidos.
– Ventajas: ahorro de energía y equipo, tiempo de proceso, materia
prima mas fácil de conseguir y uniformidad en tamaño de
hojuelas.
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Proceso Tradicional
Se inició a principios del siglo XX (Kellogs).
Las hojuelas de maíz es el cereal de mayor volumen de
ventas en el mundo.
Ingredientes: Grits refinados (#6), azúcar/ edulcorante,
malta no diastásica/extracto de malta y sal.
Operaciones unitarias: molino de maíz (condicionadodesgerminación),
cocedor de presión, desagregador,
secador, laminador, horno helicoidal, tambores
recubridores y equipo de envasado.
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grits 100kg
aditivos 10kg
mezclado
cocción
agua 27kg
15-18psi/2hr
desagregado
121°C
18-20%hum
secado
17 kg. agua
6-12hr.
equilibrado
43-46 °C
274-329°C
/ 90s
laminado
horneado
enriquecido y
saborizado
enfriado
103.68kg cereal
16.32kg agua
2% hum.
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envasado

Formulación
Ingrediente
Cantidad
Grits de Maíz Refinados 100
Azúcar 6
Jarabe de Malta 2
Sal 2
Agua Suficiente para incrementar la humedad a 31%
Los ingredientes se mezclan en mezcladores en
lote o continuos:
Mezclador de listón: espirales encontrados.
Continuo: mezcla en seco y luego se añaden los líquidos.
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Cocimiento de Hojuelas
de Maíz.
Única parte del proceso que se realiza
en lotes. Para alimentar continuamente
a la planta se requieren cocedores en
batería.
Ollas rotativas de presión.
Condiciones de cocimiento: aplicación
de vapor, presión de 5-18 psi por
tiempos de 1-2 hr.
Objetivo: gelatinizar el almidón para
poder laminar y propiciar desarrollo del
sabor.
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Cocimiento de Hojuelas de
Maíz.
Capacidad de 540 a 900 kg.
Se llena de 1/2 a 2/3 de su capacidad
debido a aumento de volumen.
Se inyecta vapor a presión.
Almidón gelatinizado, de un dorado
ligero y suave, apariencia traslucida.
Descarga a una banda continua que
alimenta a la planta.
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Desagregado
Ayuda a enfriar el producto.
Separa la mezcla en unidades individuales.
Estandariza tamaños.
Reduce pegajosidad.
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Secado
Se utilizan bandas a contra
corriente.
Secadores turbo, el aire pasa a
través de la cama con el
producto.
Humedad controlada @ 65°C
Secadores rotatorios no se
controla el tiempo de
residencia, no hay humedad
uniforme.
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Equilibrado
Considerado como el cuello de botella del
proceso tradicional.
Mejora la distribución de la humedad en
el grit o pellet cocido.
Esencial para desarrollar un buen
laminado.
Tiempo = 6 -12 hrs.
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Rodillos Laminadores
Dos rodillos de acero inoxidable que
contrarotan. Equipados con un
cuchillo en parte inferior.
– Aprox. 50 cm de diámetro
– Velocidad ajustable de 100-300 rpm.
– Enfriados con agua para disipar calor producido
por la fricción.
Motor de 40-100 hp.
Presión entre rodillos: controlada
mecánicamente o hidraúlicamente.
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Horneado
Hornos rotatorios de cama fluidizada
con quemadores de gas.
Transferencia por convección (232-
315°C/0.5-3min).
Las hojuelas son difíciles de tostar en
posiciones planas.
Hojuelas suspendidas en aire caliente.
Capacidad 250-350 kg/hr.
Deshidrata la hojuela, desarrolla sabor,
textura crujiente y color dorado. Afecta
vida textural una vez que se agrega
leche.
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Hornos
Hornos Cilíndricos Rotativos: Usado para
hojuelas y arroz inflado consistente de un
cilindro perforado rotativo (13-17 rpm)
donde las partículas están la mayoría del
tiempo suspendidas en el aire. Operados con
gas a temperaturas de hasta 310°C. Tiempo
de residencia < 3 min. Convección.
Horno de Banda: Usado para productos
trenzados y granolas. Conducción.
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Enriquecimiento
Los cereales para desayuno deben ser
enriquecidos ya que son considerados
alimentos típicos o de alto consumo.
Regresar a nutrientes selectos perdidos
durante procesamiento (molienda,
tratamientos térmicos). Mandatorio.
Nutrientes: hierro, zinc, tiamina,
riboflavina, ácido fólico y niacina.
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Enriquecimiento Cont.-
Hierro: Sulfato ferroso o hierro elemental
reducido. Nivel especificado 28 - 54 mg/kg.
Tiamina: Susceptible al calor. Nivel especificado
4.4-8.8 mg/kg.
Riboflavina: Termoestable pero susceptible a la
luz solar. Nivel especificado 2.6-5.3 mg/kg.
Niacina: Estable en todas las condiciones. Nivel
especificado 28-57.2 mg/kg.
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Aplicación de Saborizantes
Generalmente se utiliza un equipó
recubridor consistente de un tambor
hueco inclinado que rota y en su interior
tiene un sistema de aspersión.
Existen aparatos dispensadores de
saborizantes en forma sólida con un
sistema de recuperación del material que
no se adhiere al producto.
La aplicación del saborizante/
vitaminas/minerales se realiza por lo
general inmediatamente después del
horneado para evaporar agua y propiciar
que se adhiera mejor.
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Frutas (Orejones) en los
Cereales para Desayuno
Incrementándose su utilización en cereales
para el desayuno.
Deben ser estables y con un Aw bajo.
Recubiertas con película comestible para
evitar perdida de textura (crujencia) en el
cereal para el desayuno.
Más problema tecnológico en productos
crujientes de baja humedad (< 2%).
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Envasado
Papel encerado, barrera contra la humedad y
olores contaminantes; fléxible y rígido HDPE.
Protección contra los cambios de sabor y olor,
pérdida de crujencia y oxidación de lípidos.
Caja de cartón, resistencia al producto
terminado, previene rompimiento y ayuda a la
distribución hasta el punto de venta, impide la
entrada de luz.
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Envasado de Cereales para el
Desayuno.
Material de envasado debe proteger la integridad
del producto y ser una excelente barrera contra la
humedad. Esto es para mantener la crujencia y
textura del producto.
Envasado típico: cajas de cartón (fibra) con bolsa
interior de papel encerado que últimamente ha
sido substituido por HDPE o un copolímero
HDPE/EVA (mejor sellado).
Para cereales de desayuno propensos a oxidación
de lípidos se recomienda PP-LPPE -PVC
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Producción de Hojuelas via
Extrusión Termoplástica.
Ventajas:
– Mayor versatilidad.
– Uso de grits regulares de maíz en lugar de grits para hojuelas.
– Menor tiempo de proceso (30 min).
– Tamaño de hojuelas uniformes.
– Ahorro de energía (15 a 20%), equipo y espacio en la planta.
Desventaja:
– No poseen sabor tradicional.
Operaciones unitarias: extrusor cocedor, extrusor
formador, secador, laminador, horno helicoidal,
tambor recubridor y máquina envasadora.
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Trigo
Maíz
Arroz
Producción de
Hojuelas
con Extrusión
Molienda, clasificación
Grits o Harinas
Extrusión: formación de pellets
Secado parcial
Acondicionado
Laminado
Horneado
Cocedor
Formador
Saborizado, enriquecimiento
Enfriado
Envasado
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Producción de Arroz Inflado
Principal uso de arroz en la industria de cereales
para desayuno.
La calidad de la materia prima (arroz blanco
pulido) es fundamental para obtener un buen
producto terminado.
Arroz: endospermo normal, baja incidencia de
fisuras y no parbolizado.
Utiliza prácticamente las mismas operaciones
unitarias que en el proceso tradicional de
hojuelas.
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Formulación
Ingrediente
Cantidad
Arroz Blanco 100
Azúcar 6
Extracto de Malta 2
Sal 2
Agua Suficiente para incrementar la humedad a 28%
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Arroz Inflado
Arroz blanco
y pulido e ingredientes
agua 19kg
28% hum.
121°C
17%hum
8hr.
43-46 °C
cocción
desagregado
secado
equilibrado
rolado
15-18psi/2hr
13 kg. agua
10% hum.
288-340°C
2do.secado
horneado
enfriado
enriquecido y
saborizado
7.7 kg agua
arroz
inflado
108 kg cereal
envasado
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Cereales para el Desayuno de
Avena
Incrementándose su popularidad debido a su cantidad y
calidad de fibra.
La avena es el cereal que presenta mayores dificultades en
procesamiento y vida de anaquel.
– Tiene aceite en endospermo.
– Aceite altamente susceptible a enranciarse.
El proceso de molienda para obtener la sémola y/o harina de
avena es crítico.
Los cereales para desayuno listos para consumirse basados
en avena generalmente contienen altas cantidades de
edulcorante (s) para enmascarar a los sabores indeseables.
Las hojuelas de avena se envasas distintamente que el resto
de los cereales para desayuno.
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Hojuelas de Avena
Es de los pocos cereales para el desayuno clasificados que
“Requieren Cocción”.
Fue el producto, junto con los cheerios, que propició el
“boom” de los cereales para el desayuno de avena.
Proceso y características contrastantes con las hojuelas de
otros cereales.
El proceso de molienda para la obtención de sémola es la
parte más crítica del proceso (orientado a desactivar
enzimas lipolíticas y lipooxigenasas).
Productos: hojuelas de avena regular y hojuelas
instantáneas.
Requerimientos de envasado: cartón.
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Avena Entera
100 kg, 14% Moisture
Tratamiento Térmico -
(88-93°C)
Avena Cocida
91-92 kg, 7-9%
Humedad
Cascaras-Finos
(23-24 kg)
Aspirador de Aire/Separador de
Discos
Descascarado
(Impacto, rotor 1400-2000 rpm)
Enfriado
Semola o Groats
67-69 kg, 9% Humedad
Cortadora Rotativa
(2 a 4 piezas uniform es)
Rodillos Laminadores
(250-450 rpm)
Finos
(6 kg)
Tamizado
Tamizado
Finos
(6 kg)
Aplicación Vapor
(12-15 min a 99-105°C)
Rodillos Laminadores
(250-450 rpm)
Hojuelas Grandes
(61-63 kg)
Hojuelas Instantáneas
(55-57 kg)
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Envasado de Avena Laminada
Las hojuelas de Avena altas en aceite insaturado
generalmente se envasan en cajas de cartón para
permitir que se disipen productos resultantes de
la rancidez oxidativa.
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Cereales Extrudidos de
Expansión Directa
Generalmente aplicado a grits refinados de maíz,
arroz. Ejemplos: Cap'n Crunch , Chex y Corn Pop).
Proceso: acondicionado de grits, extrusión directa,
clasificación, secado/tostado, saborizado y
envasado.
Partes críticas del proceso: calidad de materia
prima, acondicionado y condiciones de extrusión
(expansión radial).
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Productos de Expansión Directa
Grits de Cereales
Ingredientes
4kg almidón
colorantes
Acondicionamiento
.
Agua
Extrusión Termoplástica
70-160°C, gradiente de presión
Secado o Tostado
Agua
Clasificación
Saborizado
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Cereales Inflados en Cañon
de Expansión
Generalmente aplicado a trigo entero, arroz
blanco pulido y grits grandes de maíz (Corn Pop).
Proceso: acondicionado, expansión, clasificación,
secado, saborizado y envasado.
Partes críticas del proceso: calidad de materia
prima, acondicionado y condiciones de
expansión en cañón reventador.
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Trigo Entero Inflado
Trigo
Agua
con Sal
Acondicionado y Reposo
Cañon de Expansión
(150-200 psi)
Trigo Inflado
Remoción de pericarpio y
partículas finas
Secado/Tostado
Trigo
Inflado
Enfriado y Empacado
Saborizado
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Inflado de Pellets o Comprimidos
Proceso muy empleado en la industria. Combina la
extrusión para producir pellets o productos intermedios
que son inflados en un cañon reventador.
Los productos inflados en el cañón tienen una alta
expansión (16 X volumen original).
El producto más popular de esta tecnología son los
Cheerios (combinación de avena con grits de maíz y
saborizantes).
– El producto generalmente se saboriza con miel y saborizantes fuertes
para enmascarar sabor rancio de la avena.
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Ingredientes
6kg azúcar
4kg almidón
2kg sal
colorantes
Productos Inflados - Pellets
Grits de Cereales
Mezclado y
Acondicionamiento
Agua
Extrusión Termoplastica Cocción
Extrusión - Formación
Pellet o Producto
Intermedio
Equilibrado
Secado
Cañón Reventador
Clasificación
Saborizado
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Producción de Cereales
para Desayuno Trenzados
Proceso Tradicional. Aplicado por lo
general al grano de trigo.
Procesos por Extrusión Termoplástica.
Aplicado para obtener una gama de
productos cada día más sofisticados.
Procesos de Extrusión:
– Extrusión de masa
– Extrusión y formación de trenzas.
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Productos Trenzados (Grano
Entero)
Categoría introducida recientemente.
Mayoría de productos manufacturados de trigo entero.
Trigo preferentemente debe poseer pericarpio blanco y
textura suave y almidonosa (Club). Estos trigos
imparten un mejor color y sabor.
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Producto Trenzado
Trigo
Agua
Cocimiento en exceso de agua
< 100°C / 30-35 min.
Agua
Trigo Cocido y Drenado
(40-50% humedad)
Acondicionamiento
(12-24 hrs.)
Formación de Hebras
Rodillo Acanalado y Liso
Superposición de
Hebras y Corte
Enfriado y Empacado
Horneado
204-315°C/ 1-4 min)
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Cocimiento
Es normalmente realizada en una marmita en lotes con
exceso de agua ligeramente por debajo de del punto de
ebullición a presión atmosférica por 30-35 min.
Durante la cocción el trigo absorbe 40-45% humedad.
Centro geométrico del grano de color grisáceo.
Cambios: gelatinización del almidón, desnaturalización
del gluten, absorción de agua.
» Grano cocido forma masa capaz de
laminarse y cortarse.
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Enfriado y Acondicionado
El agua es drenada y el trigo se pasa a enfriar en bandas
transportadoras.
Los granos gelatinizados se depositan en una tolva de
equilibrio donde residen hasta 24 horas. El objetivo es
distribuir homogéneamente al agua dentro del grano y
propiciar retrogradación del almidón gelatinizado.
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Formación de Hebras
Se pasa el grano, reposado o
equilibrado a través de un par de
rodillos (6-8 pulg de diámetro por
3 pulg. de ancho).
Un rodillo liso y otro corrugado
(20 corrugaciones).
Los rodillos giran con un
pequeño diferencial de velocidad
que favorece el acanalado.
Hebras formadas dentro de
canales debido a la presión
existente entre los rodillos y
separadas por medio de un peine
dentado que ajusta dentro de los
canales del rodillo formador.
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Superposición de Hebras y
Formado
El producto que sale de los rodillos, que es separado
por peines para formar hebras, caen en una banda
transportadora que está en movimiento debajo de los
rodillos.
Las hebras con aproximadamente 45% de humedad
provenientes de otros rodillos son superpuestas (de 10-
20 unidades).
En esta operación se pueden colocar hebras de
diferentes colores y procedencia para elaborar
productos híbridos y rellenos.
Las hebras sobrepuestas son cortadas con cuchillas en
pequeños cuadros o rectángulos antes de entrar en el
horno.
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Horneado
Proceso crítico para obtener un producto con
adecuado, sabor, color y textura.
Transferencia de calor por medio de conducción.
Utilización de hornos de banda.
Horneado por 1-4 min @ 204-315°C.
Producto sale con 1-4% humedad..
Después el producto es saborizado con azúcar
pulverizada y tratado con antioxidantes, enfriado y
empaquetado.
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Productos Trenzados por
Extrusión
Utilizado para el cocimiento y formación de hebras y
productos trenzados.
Se parte del pellet en lugar del grano entero como materia
prima.
Algunos de los granos utilizados son trigo, maíz, arroz y
avena.
Ventajas: combinación de diferentes harinas o cereales,
incorporación de otros ingredientes y tiempo de proceso
reducido.
Procesos de extrusión
– Extrusión por masa
– Extrusión y formación de trenzas.
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Ingredientes:
saborizantes
Colorantes
Almidones
Grits y Harinas
Condicionado 26-38% de hum.
Extrusor cocedor
Agua
Productos
Trenzados
Masa cocida
Extrusor formador
Formación de hebras
Superposición de hebras
Formación y corte de rectángulos
Horneado y Enfriado
Producto Trenzado 1- 4% de humedad
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Extrusión
Extrusor produce una masa cocida que es alimentada a los
rodillos formadores de hebras .
Las masa es extruida a través de un dado o matriz que forma
continuamente las hebras. Después de la etapa de formación
de hebras el producto es finalizado siguiendo los mismo
pasos a los del proceso elaborado a partir de grano entero.
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Granolas
Cereales formulados a partir de granos inflados o
expandidos, enteros o quebrados generalmente saborizados
con malta y aglomerados con jarabes y soluciones
azucaradas.
Mezcla o granola en forma de harina gruesa o en barras
prensadas.
Formulación:
– Avena laminada mezclada con granos tostados o inflados, nueces, coco, leche
en polvo, malta, frutas secas y condimentos.
Saborizantes diluidos en agua y mezclados con materia
prima
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Ingredientes:
Levadura
Azúcar
Malta
Saborizantes
Sal
Enfriado
Molienda
Clasificación
Harina Trigo
Amasado
Cortador de Masa
Pedazos de Masa
Fermentación 30°C/85HR/2 hrs
Desgasado
Agua Limitada
Granola
Fermentada
Finos
Granola
Moldeado
Adición de Pasas y Otros
Envase/Embalaje
Horneado
Granola Fermentada
1- 4% de humedad
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Barras de Granola
Ingredientes:
Nueces, coco, leche en
polvo, malta, frutas secas
y condimentos.
Avena Laminada
Amasado
(formación de masa
espesa)
Moldeado en barras
Adición de
ingredientes líquidos
Corte de Barras
(3% humedad)
Horneado
(150-220° C)
Empacado
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Conlcusiones
La industria procesadora de cereales de desayuno es
dominada por empresas multinacionales.
La tendencia en terminos de nuevos productos esta
orientada en desarrollo de alimentos con alto valor
nutrimental y nutracéutico.
Los nuevos desarrollos por lo general utilizan a la
extrusión termoplástica.
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