توسط : در خوراک آبزیان، «فیزیک» محصول به اندازه «فرمول» تعیین کننده است. اگر پلت یا اکسترود در آب زود از هم بپاشد، بیش از حد آب بکشد یا برعکس دیر خیس بخورد، نتیجه مستقیم آن افزایش ضایعات، افت یکنواختی مصرف، تضعیف کیفیت آب و در نهایت کاهش بازده تولید است. در عمل، بخش بزرگی از اختلاف عملکرد بین دو خوراک مشابه از نظر ترکیب، به تفاوت در ریزساختار، چگالی، تخلخل و پوسته سطحی برمی گردد؛ یعنی همان چیزهایی که در اکستروژن ساخته یا خراب می شوند.
در دانش دانه این موضوع را از زاویه خط تولید نگاه می کنیم: اکسترودر چگونه با «پروفایل دما» و «شدت برش» به شناوری و جذب آب شکل می دهد، و چرا تغییر کوچک در رطوبت، زمان ماند یا طراحی اسکرو می تواند محصول را از خوراک شناورِ پایدار به خوراکی با شکستگی بالا تبدیل کند. هدف این راهنما ارائه یک چارچوب تصمیم پذیر برای اپراتور، مدیر تولید و کنترل کیفیت است؛ نه نسخه ثابت.
شناوری و جذب آب در اکسترود آبزیان: مکانیزم های فیزیکی
شناوری در اکسترود آبزیان در ساده ترین بیان، تابعی از چگالی ظاهری نسبت به آب است؛ اما در خط تولید، چگالی ظاهری محصول خروجی از جمع چند عامل می آید: میزان انبساط (Expansion)، حجم و اتصال تخلخل ها، میزان ژلاتینه شدن نشاسته، دناتوراسیون پروتئین و کیفیت «پوسته» سطحی که مانع نفوذ سریع آب می شود. اکسترود شناور موفق معمولاً ساختاری متخلخل اما یکپارچه دارد؛ یعنی تخلخل کافی برای کاهش چگالی و در عین حال دیواره های سلولی مقاوم برای حفظ شکل.
جذب آب (Water Absorption) هم فقط «زیاد یا کم» نیست؛ نرخ جذب و الگوی آن مهم است. اگر جذب آب خیلی سریع باشد، خوراک قبل از مصرف نرم می شود و شکستگی و ریزش بالا می رود. اگر خیلی کند باشد، خوراک دیر قابل جویدن/بلع می شود و امکان دفع ذرات یا پس زدن افزایش می یابد. بنابراین در مدیریت کیفیت اکسترود آبزیان، باید سه خروجی را همزمان دید:
- شناوری/غرق شوندگی (Floating/Sinking)
- پایداری در آب (Water Stability) و میزان ریزش
- پروفایل جذب آب: نرخ و مقدار تا زمان مشخص
نکته کلیدی این است که این خروجی ها از «ریزساختار» می آیند و ریزساختار محصول، به شدت تحت تاثیر پروفایل دما و برش در طول سیلندر اکسترودر و همچنین وضعیت رطوبت و بخاردهی قبل از اکسترودر است.
پروفایل دما: از پخت کنترل شده تا ریسک سوختگی و ریزتخلخل
پروفایل دما در اکسترود آبزیان فقط دمای یک زون نیست؛ «شیب دما» و محل وقوع پخت و ذوب شدن اهمیت دارد. در اکسترودر، افزایش دما هم از گرمایش بیرونی (هیتر/ژاکت) می آید و هم از انرژی مکانیکی برش که به گرما تبدیل می شود. اگر پخت (Cook) در طول سیلندر به شکل تدریجی و قابل کنترل رخ دهد، معمولاً ویسکوزیته مذاب به سطحی می رسد که در دای (Die) امکان انبساط پایدار ایجاد شود و سلول ها پس از خروج قفل شوند. اما اگر دما به صورت ناگهانی بالا رود یا در زون های پایانی بیش از حد باشد، دو ریسک رایج داریم: افت کیفیت پروتئین/چربی (بافت شکننده) و تشکیل ریزتخلخل های ناپایدار که با اولین تماس آب فرو می ریزند.
در خوراک های با نشاسته کافی، ژلاتینه شدن نشاسته نقش چسب/اسکلت را برای سلول ها بازی می کند. دمای ناکافی یا زمان موثر کوتاه، ژلاتینه شدن را ناقص می گذارد و محصول در آب زود متلاشی می شود. در مقابل، دمای بیش از حد یا ماند طولانی می تواند منجر به تخریب ساختار، افزایش شکنندگی و حتی تیره شدن رنگ و بوی نامطلوب شود. برای کنترل بهتر، معمولاً رویکرد صنعتی بر این محور می چرخد که:
- پخت اولیه تا حدی قبل از ناحیه فشار بالا انجام شود (پیش شرط انبساط پایدار).
- در زون های نزدیک دای، دما و انرژی مکانیکی طوری تنظیم شود که فشار و ویسکوزیته برای انبساط بهینه باشد، نه برای «له شدن» ساختار.
اگر به دنبال نگاه جامع تر به خط تولید اکسترود و پلت هستید، می توانید صفحه تولید پلت و اکسترود را به عنوان نقشه راه فرایندی مرور کنید.
شدت برش و انرژی مکانیکی (SME): شمشیر دولبه برای شناوری
شدت برش در اکسترودر از ترکیب سرعت اسکرو، هندسه المان ها (knee، mixing، reverse)، نرخ پرشدگی و ویسکوزیته جرم می آید. در ادبیات صنعتی، بخشی از اثر برش را با «انرژی مکانیکی ویژه» یا SME توضیح می دهند: هرچه SME بالاتر، گرمایش داخلی و تغییرات ریزساختار شدیدتر. برای خوراک شناور، معمولاً به اندازه کافی برش نیاز داریم تا مخلوط یکنواخت شود، نشاسته ژلاتینه شود و مذاب یک فاز پیوسته بسازد که هنگام خروج بتواند منبسط شود. اما برش زیاد می تواند پیامدهای زیر را ایجاد کند:
- کاهش بیش از حد ویسکوزیته و تضعیف دیواره سلولی، در نتیجه فروپاشی تخلخل در تماس با آب
- ریزدانه شدن بیش از حد ساختار و افزایش شکستگی پس از خشک کن یا در حمل ونقل
- بالا رفتن دمای موضعی و ریسک تخریب مواد حساس (برخی ویتامین ها/رنگ دانه ها)
در مقابل، برش کم هم مسئله ساز است: یکنواختی پخت کم می شود، پیوند داخلی ضعیف می ماند و محصول ممکن است جذب آب ناهمگون داشته باشد (سطح خیس می شود اما هسته خشک می ماند یا بالعکس). راهکار عملی معمولاً «بهینه سازی برش در طول اکسترودر» است، نه افزایش یا کاهش یکباره. اینجا طراحی اسکرو تعیین کننده می شود: می توان با تغییر آرایش المان های اختلاط و المان های فشارساز، انرژی مکانیکی را به صورت هدفمند در زون های مشخص متمرکز کرد.
رطوبت و بخاردهی: تنظیم ویسکوزیته، انبساط و نفوذپذیری
رطوبت ورودی (از مواد اولیه، آب افزوده و بخار) یکی از مهم ترین اهرم های کنترل شناوری و جذب آب است، چون ویسکوزیته مذاب را تغییر می دهد. به طور کلی، افزایش رطوبت تمایل دارد ویسکوزیته را کاهش دهد و انتقال حرارت را بهتر کند؛ این می تواند پخت را یکنواخت تر کند، اما اگر بیش از حد باشد، انبساط در دای کم می شود و محصول سنگین تر و کم شناورتر خواهد شد. کاهش رطوبت، ویسکوزیته و SME را بالا می برد و می تواند انبساط را افزایش دهد، ولی ریسک سوختگی، ناپایداری فشار و ترک های ریز سطحی را هم بالا می برد.
در خط تولید ایران، یکی از چالش های رایج، نوسان رطوبت مواد اولیه (به خصوص غلات و کنجاله ها) و تنظیم نادرست بخاردهی پیش شرطی است. نتیجه این نوسان، «نوسان چگالی» و تغییر رفتار خوراک در آب بین بچ های مختلف است. برای مدیریت، معمولاً این اقدامات اثرگذار است:
- اندازه گیری رطوبت ورودی و تعریف بازه کنترلی برای هر فرمول
- ثابت نگه داشتن شرایط کاندیشنر (زمان، کیفیت بخار، یکنواختی اختلاط)
- پایش فشار و دمای زون های آخر اکسترودر به عنوان شاخص های غیرمستقیم تغییر رطوبت
از منظر کیفیت نهایی، رطوبت همچنین روی «پوسته سطحی» اثر می گذارد. اگر سطح بیش از حد خشک و شکننده شکل بگیرد، آب از ترک ها وارد می شود و جذب آب سریع و ریزش بالا می رود. اگر سطح خیلی متراکم و صیقلی شود، ممکن است جذب آب کند شود و رفتار تغذیه ای تغییر کند. بنابراین، هدف معمولاً ساخت سطحی است که نفوذ آب را کنترل کند، نه اینکه کاملاً سد کند.
زمان ماند و طراحی اسکرو: کنترل یکنواختی پخت و توزیع تخلخل
زمان ماند (Residence Time) یعنی مدت زمانی که مواد از ورود تا خروج در اکسترودر تحت حرارت، فشار و برش قرار می گیرند. این زمان فقط یک عدد ثابت نیست؛ توزیع زمان ماند مهم تر است. اگر توزیع زمان ماند خیلی گسترده باشد، بخشی از محصول کم پخت و بخشی بیش پخت می شود؛ نتیجه، خروجی ناهمگن از نظر چگالی، تخلخل و پایداری در آب است. طراحی اسکرو در اینجا ابزار اصلی برای مدیریت است: گام (Pitch)، نسبت فشردگی، المان های مخلوط کن، المان های معکوس و محل ایجاد سد فشار.
در خوراک آبزیان، معمولاً ترکیب مواد (نشاسته، پروتئین، چربی و فیبر) باعث می شود پنجره فرایندی محدودتر از خوراک دام خشکی باشد. به ویژه چربی بالا می تواند مانند روان کننده عمل کند و برش موثر را کم کند؛ در نتیجه برای رسیدن به انبساط مناسب، یا باید استراتژی افزودن چربی را بازنگری کرد (مثلاً بخشی پس از اکسترود در پوشش دهی اضافه شود) یا طراحی اسکرو و پروفایل دما طوری تغییر کند که پخت و ساختاردهی قبل از افزودن چربی سنگین تکمیل شده باشد. این موضوع به کنترل کیفیت مرتبط است و بهتر است در کنار شاخص های آزمایشگاهی دیده شود؛ برای چارچوب های آزمون و پایش، صفحه کنترل کیفیت و آزمایشگاه خوراک می تواند نقطه شروع خوبی باشد.
از نگاه اپراتوری، چند علامت می تواند هشدار «طراحی/تنظیم نامناسب اسکرو و زمان ماند» باشد: نوسان فشار دای، تغییر ناگهانی قطر محصول، ترک های طولی روی اکسترود، و اختلاف محسوس شناوری بین شروع و انتهای شیفت. این علائم معمولاً با تنظیمات ساده قابل رفع نیستند و نیاز به تحلیل توزیع انرژی مکانیکی و بازآرایی المان ها دارند.
دای، برش در خروج و خشک کردن: تکمیل شناوری و پایداری در آب
حتی اگر پروفایل دما و برش داخل سیلندر درست باشد، بخش خروجی می تواند همه چیز را تغییر دهد. دای و تیغه برش (Knife) روی «ساختار سلولی تازه شکل گرفته» اثر مستقیم دارند. اگر طراحی دای باعث افت فشار نامنظم شود یا برش با تیغه کند/نامیزان انجام شود، سطح محصول آسیب می بیند و مسیرهای نفوذ آب ایجاد می شود. همچنین طول قطعه اکسترود و یکنواختی برش روی رفتار در آب موثر است؛ قطعات خیلی کوتاه ممکن است سریع تر خیس بخورند و قطعات خیلی بلند می توانند در آب بشکنند و ریزش ایجاد کنند.
پس از خروج، خشک کن مرحله «قفل کردن ساختار» است. اگر خشک کردن بیش از حد تند باشد، گرادیان رطوبت سطح و هسته زیاد می شود و ترک های ریز ایجاد می گردد؛ این ترک ها در آب به نفوذ سریع و کاهش پایداری منجر می شوند. اگر خشک کردن ناکافی باشد، محصول در بسته بندی کپک پذیری بالاتر دارد و همچنین در آب بیش از حد نرم می شود. بنابراین کنترل رطوبت خروجی خشک کن، یکنواختی جریان هوا و زمان اقامت در خشک کن، مکمل کنترل داخل اکسترودر است.
چالش های رایج خط تولید در ایران و راه حل های عملی
در بسیاری از کارخانه های خوراک، مسئله اصلی «نداشتن نقطه تنظیم» نیست؛ مسئله «پایدار نگه داشتن شرایط» است. نوسان کیفیت مواد اولیه، محدودیت بخار، تغییرات برق/سرعت، و حتی فرسایش اسکرو و دای، باعث می شود شناوری و جذب آب در طول زمان drift کند. جدول زیر یک جمع بندی کاربردی از نشانه ها، علت های محتمل و اقدام اصلاحی است:
| نشانه در محصول/خط | علت های محتمل (فرایندی) | اقدام اصلاحی پیشنهادی |
|---|---|---|
| شناوری پایین و چگالی بالا | رطوبت زیاد، دمای ناکافی در زون های پخت، برش موثر کم (SME پایین)، چربی بالا قبل از اکسترودر | بازنگری رطوبت و بخاردهی، افزایش کنترل شده انرژی مکانیکی، انتقال بخشی از چربی به پوشش دهی پس از اکسترود |
| شناوری خوب اما پایداری در آب ضعیف (ریزِش بالا) | برش بیش از حد، ترک های سطحی ناشی از خشک کن، پخت ناقص نشاسته یا توزیع زمان ماند نامناسب | کاهش برش در زون های پایانی، نرم تر کردن پروفایل خشک کن، اصلاح آرایش اسکرو برای یکنواختی پخت |
| جذب آب خیلی سریع و نرم شدن زودهنگام | پوسته سطحی آسیب دیده (برش/تیغه)، تخلخل باز و پیوسته، رطوبت خروجی خشک کن بالا | تنظیم تیغه و دور، بررسی دای و افت فشار، کنترل دقیق رطوبت نهایی و یکنواختی خشک کردن |
| نوسان شناوری بین بچ ها | نوسان رطوبت مواد اولیه، تغییر کیفیت بخار، تغییر نرخ تغذیه یا سرعت اسکرو، فرسایش اسکرو/دای | پایش رطوبت ورودی، استانداردسازی شرایط کاندیشنر، ثبت روند فشار/دما، برنامه نگهداری پیشگیرانه برای قطعات سایشی |
نکته برجسته: بهترین کنترل، زمانی رخ می دهد که شاخص های فرایندی (فشار دای، آمپر موتور، دمای زون ها، رطوبت) به یک «برگه تنظیمات استاندارد» برای هر محصول تبدیل شوند و تغییرات به صورت مستند مدیریت شود. این کار از آزمون و خطای هزینه بر جلوگیری می کند و امکان تحلیل ریشه ای را بالا می برد.
جمع بندی: چگونه از دما و برش برای رسیدن به محصول هدف استفاده کنیم؟
در اکسترود آبزیان، شناوری و جذب آب خروجی مستقیم یک یا دو پارامتر نیست؛ نتیجه تعامل پروفایل دما، شدت برش، رطوبت و زمان ماند است. دما، «پخت و ساختاردهی» را جلو می برد؛ برش، «یونیزه کردن و یکنواخت سازی» را انجام می دهد و همزمان گرمایش داخلی می سازد؛ رطوبت، ویسکوزیته و امکان انبساط را تنظیم می کند؛ و طراحی اسکرو و دای، انرژی و فشار را در جای درست آزاد می کنند. رویکرد صنعتی قابل اتکا این است که ابتدا رفتار هدف در آب (شناوری، پایداری، نرخ جذب آب) تعریف شود، سپس با ثبت داده های فرایندی و تغییرات کوچک اما کنترل شده، پنجره فرایندی هر محصول تثبیت گردد. اگر کیفیت خروجی نوسان دارد، اغلب مشکل در «پایداری ورودی ها و توزیع انرژی» است، نه صرفاً در یک تنظیم عددی. برای مطالعه مطالب مرتبط، بخش های دیگر دانش دانه را ببینید.
سوالات متداول
۱. چرا دو خوراک با فرمول مشابه، شناوری متفاوت دارند؟
چون شناوری بیشتر از فرمول به ریزساختار وابسته است و ریزساختار تابع پروفایل دما، برش، رطوبت و طراحی اسکرو و دای در اکسترودر است.
۲. افزایش دما همیشه شناوری را بهتر می کند؟
خیر؛ دمای ناکافی پخت را ناقص می کند، اما دمای بیش از حد می تواند ساختار را شکننده کند یا ترک های ریز ایجاد کند و پایداری در آب را کاهش دهد.
۳. برش زیاد چه اثری روی جذب آب دارد؟
برش زیاد ممکن است تخلخل ریز و ناپایدار یا آسیب سطحی ایجاد کند و باعث نفوذ سریع تر آب و نرم شدن زودهنگام شود، حتی اگر شناوری ظاهری خوب باشد.
۴. نقش رطوبت در اکستروژن خوراک آبزیان چیست؟
رطوبت ویسکوزیته و انبساط را کنترل می کند؛ رطوبت بالا معمولاً انبساط را کم می کند و رطوبت پایین SME را بالا می برد و ریسک ناپایداری فشار و ترک سطحی را افزایش می دهد.
۵. چرا پایداری در آب با خشک کن هم تغییر می کند؟
خشک کن ساختار را تثبیت می کند؛ خشک کردن خیلی تند ترک ایجاد می کند و خشک کردن ناکافی خوراک را نرم و مستعد ریزش می سازد، بنابراین روی نفوذ آب اثر مستقیم دارد.
منابع:
FAO. 2020. Quality and Safety of Animal Feed in Aquaculture. Food and Agriculture Organization of the United Nations.
Rokey, G., Plattner, B., de Souza, E. 2010. Feed Extrusion Process Description. In: Feed and Pet Food Extrusion Manual. AACC International.
