Upcycling of food side streams: the benefits of twin-screw granulation of apple pomace

Význam tématu

Granulace odpadních proudů potravinářské výroby představuje strategii pro snížení ekologické stopy a pro zvýšení cirkularity v potravinovém průmyslu. Jablečný výlisk (pomace), hlavní vedlejší produkt lisování šťávy, obsahuje cenné polysacharidy a vlákninu, avšak jeho špatné techno-funkční vlastnosti (nízká rozpustnost, špatná tekutost) omezují opětovné využití v potravinách. Přeměna pomace pomocí kontinuálních procesů, jako je twin-screw granulace, umožňuje zlepšit vodní vazbu, pektinové vlastnosti a strukturální dostupnost složek bez nutnosti dodatečného mletí extrudátu, a tím otevírá nové možnosti upcyklace surovin do hodnotnějších aplikací.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem této aplikace bylo prokázat, že twin-screw granulace může funkčně upravit komerční jablečný výlisk tak, aby vznikl porézní prášek s vysokou vodní vazebností a schopností tvořit gel/pastu po přidání vody. Studie zkoumala vliv provozních parametrů (průtok, rychlost šroubů, teplotní profil) na morfologii granúl, kinetiku gelace a mechanické vlastnosti rehydratačních dispersí.

Použitá metodika a instrumentace

• Extruze a granulace: Thermo Scientific Process 11 Twin-screw Extruder (11 mm, ko-rotující, L/D = 40) s granulovacím setem (zásuvný otvor/open discharge), možností nezávislého chlazení/ohřevu v osmi sekcích.
• Krmný a kapalinový přísun: gravimetrický dvojitý šnekový dávkovač pro pevné látky a peristaltické čerpadlo pro přidávání vody.
• Provozní parametry: přisyp 0,2 / 0,4 / 0,6 kg/h; doplňovaná voda 0,06 / 0,12 / 0,18 kg/h (konstantní hmotnostní podíl přidané vody 23 wt%); otáčky šroubů 400 nebo 600 rpm; teploty po zónách nastaveny přibližně na 40, 60, 80, 120, 120, 120 °C podle literatury.
• Rheologie: Thermo Scientific HAAKE Mars iQ Air Rheometer, geometrie deska–deska, měřicí spára 1,5 mm, oscilační měření při 20 °C, amplituda 1 %, frekvence 1 Hz, časové sweeps 20 minut (60 měřicích bodů) v lineární viskoelastické oblasti.
• Mikroskopie: Phenom XL skenovací elektronový mikroskop (SEM), vysoké vakuum, vzorky fixovány na hliníkových stubech s oboustranně lepicími pásky, 15 kV akcelerační napájení.

Hlavní výsledky a diskuse

• Granulace vedla k vytvoření porézního prášku, který po rehydrataci rychle tvoří gel/pastu — v oscilačních časových testech byla u většiny vzorků hodnota modulu skladovacího napětí (G') nad hodnotou modulu ztráty (G''), což indikuje síťovou strukturu gelu.
• Residence time (doba pobytu v extruderu) silně ovlivňuje uvolnění intracelulárních polysacharidů a tím i kinetiku gelace. Zkrácení doby pobytu (vyšší průtok) snižuje expozici mechanickému a tepelnému vstupu a vede k odlišným gelacím charakteristikám.
• Průtok materiálu ovlivňuje morfologii granulí: nižší průtoky vytvářejí volnější, více porézní částice (nižší výplň šroubů a sudu), vyšší průtoky vedou k kompaktnějším strukturám. Porozita ovlivňuje velikost pórů, rehydrataci a schopnost bobtnat.
• Zvýšení rychlosti šroubů (ze 400 na 600 rpm) nezměnilo významně dobu pobytu (pokud průtok zůstal stejný), avšak zvýšilo lokální smykové namáhání a tření, což se projevilo vzestupem lokálních teplot a potenciální degradací polysacharidů. Vyšší otáčky vedly k poklesu hodnot G' a G'' a tedy snížení gelačních schopností, konzistentně s degradací gelformujících polysacharidů při nadměrném thermo-mechanickém vstupu.
• SEM analýza potvrdila rozdíly v povrchové morfologii granulí v závislosti na průtoku: porézní struktury u nízkého průtoku versus hladší a kompaktnější povrch u vysokého průtoku.

Přínosy a praktické využití metody

• Twin-screw granulace umožňuje přímou výrobu sypkého, porézního produktu z jablečného výlisku bez dodatečného mletí extrudátu, což zjednodušuje technologický řetězec a snižuje energetickou náročnost.
• Funkčně upravený pomace lze potenciálně využít jako texturovací složku, hydrofilní nosič či zdroj rozpustných vláknin (např. zlepšení extrakce pektinů), případně jako složku pro potravinářské směsi, nutraceutika nebo krmiva s lepšími technickými vlastnostmi.
• Proces nabízí variabilitu: úpravou průtoku a energie vstupující do hmota lze cíleně modulovat gelaci, velikost částic a pórovitost produktu podle požadované aplikace.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Optimalizace procesu pro zachování strukturálních polysacharidů: vývoj mapy závislosti mezi teplotou, smykem a residence time pro maximalizaci extrakce pektinů bez degradace.
• Integrace kombinovaných předúprav (enzymatická nebo chemická) před granulací za účelem selektivního uvolnění želírujících frakcí a zvýšení rozpustnosti.
• Upscaling a techno-ekonomické hodnocení pro komerční nasazení v potravinářských provozech, včetně analýzy stability produktů, senzorických vlastností a regulačních aspektů.
• Možnosti formulace směsí (sladidla, stabilizátory, další vedlejší produkty) pro vytvoření hotových ingredientů s přidanou hodnotou.

Závěr

Twin-screw granulace se ukazuje jako efektivní kontinuální technika pro funkční úpravu jablečného výlisku: vytváří porézní, snadno rehydratovatelný prášek s gelačními vlastnostmi vhodnými pro další potravinářské nebo průmyslové aplikace. Klíčové je řízení procesních parametrů — zejména času pobytu a celkového thermo-mechanického vstupu — protože nadměrné namáhání může degradovat gelformující polysacharidy. Technologie nabízí potenciál pro upcyklaci odpadu a zvyšování udržitelnosti v potravinářské výrobě.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Process 11 Twin-screw Extruder (11 mm, L/D 40) s granulovacím setem a otevřeným vypouštěním.
• Gravimetrický twin-screw feeder pro pevné látky; peristaltické čerpadlo pro vodu.
• Thermo Scientific HAAKE Mars iQ Air Rheometer (deska–deska).
• Phenom XL skenovací elektronový mikroskop (SEM).

Reference

1. Elleuch M., Bedigian D., Roiseux O., Besbes S., Blecker C., Attia H. Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing: Characterisation, technological functionality and commercial applications: A review. Food Chemistry. 2011;124:411–421.
2. Cheftel J.C. Nutritional effects of extrusion-cooking. Food Chemistry. 1986;20:263–283.
3. Hwang J.-K., Choi J.-S., Kim C.-J., Kim C.-T. Solubilization of apple pomace by extrusion. Journal of Food Processing and Preservation. 1998;22:477–491.
4. Schmid V., Trabert A., Keller J., Bunzel M., Karbstein H.P., Emin M.A. Functionalization of Enzymatically Treated Apple Pomace from Juice Production by Extrusion Processing. Foods. 2021;10:485.
5. Schmid V., Trabert A., Schäfer J., Bunzel M., Karbstein H.P., Emin M.A. Modification of Apple Pomace by Extrusion Processing: Studies on the Composition, Polymer Structures, and Functional Properties. Foods. 2020;9:1385.
6. Schmid V., Steck J., Mayer-Miebach E., Behsnilian D., Briviba K., Bunzel M., Karbstein H.P., Emin M.A. Impact of defined thermomechanical treatment on the structure and content of dietary fiber and the stability and bioaccessibility of polyphenols of chokeberry (Aronia melanocarpa) pomace. Food Research International. 2020;134:109232.