Báo cáo NGHIÊN cứu hệ THỐNG dây TRUYỀN THIẾT bị cà PHÊ sấy PHUN môn học công nghệ sản xuất trà, cà phê, chocolate

Tổng quan về cà phê

Đặc tính thực vật

Thân cây, lá, rễ cà phê: Nếu để cây phát triển tự nhiên thì cà phê chè có thể cao đến 6m.

Trong điều kiện trồng cà phê hiện nay, người ta thường hãm ngọn cây ở độ cao từ 2-4m Lá cà phê có hình oval thon dài, với mặt trên màu xanh bóng đậm và mặt dưới nhạt hơn, cùng với cuống lá ngắn Rễ cà phê thuộc loại rễ cọc, có khả năng đâm sâu vào đất từ 1-2m, đồng thời còn phát triển hệ thống rễ phụ tỏa ra xung quanh gần mặt đất để hấp thụ chất dinh dưỡng.

Hoa cà phê có màu trắng, 5 cánh và thường nở thành chùm Trong điều kiện tự nhiên, hoa nở rải rác quanh năm, nhưng trong trồng trọt, người ta thường tưới nước vào đầu mùa khô để kích thích hoa nở đồng loạt Thời gian hoa nở kéo dài từ 3-4 ngày, trong khi thời gian thụ phấn chỉ kéo dài vài giờ Khi nở, hoa phát ra mùi thơm dễ chịu.

Quả cà phê phát triển sau khi thụ phấn trong khoảng 7 đến 9 tháng, có hình bầu dục giống như quả anh đào Trong quá trình chín, màu sắc của quả chuyển từ xanh sang vàng và cuối cùng là đỏ Thông thường, mỗi quả cà phê chứa hai hạt, nằm sát nhau với mặt tiếp xúc phẳng và mặt ngoài hình vòng cung Mỗi hạt được bảo vệ bởi hai lớp màng: một lớp màu trắng bám chặt vào vỏ hạt và một lớp màu vàng lỏng lẻo bên ngoài Hạt cà phê có thể hình tròn hoặc dài, khi còn tươi có màu xám vàng, xám xanh hoặc xanh Đôi khi, quả chỉ có một hạt do chỉ có một nhân hoặc do hai hạt dính lại với nhau.

Hình 1: Mô tả cây cà phê và hạt cà phê

Cây cà phê bắt đầu cho quả sau 3-4 năm trồng, với những quả đầu tiên gọi là quả bói Để cây phát triển mạnh, người trồng thường vặt bỏ hoa trong giai đoạn này Sau năm thứ 4, việc thu hoạch đại trà mới được tiến hành, giai đoạn 1-3 năm được xem là giai đoạn kiến thiết cơ bản, còn từ năm thứ 4 trở đi là giai đoạn kinh doanh Thông thường, vườn cà phê sẽ chuyển sang giai đoạn già cỗi sau 20-25 năm, lúc này cần trồng mới hoặc cắt gốc và ghép chồi để cải tạo Thời gian thu hoạch cà phê diễn ra từ tháng 10 đến hết tháng 1, với tháng 11 là thời điểm thu hoạch chính, khi quả chuyển sang màu đỏ để tránh mưa cuối mùa làm rụng trái Sau khi thu hoạch, cà phê được phơi khô và xay để tách phần nhân, trong khi vỏ cà phê (trấu) có thể được sử dụng làm phân hữu cơ.

Hình 2: Quá trình phát triển của hạt cà phê

Phân loại cà phê

Ba dòng chín: cà phê Arabica (cà phê chè), cà phê Robusta (cà phê vối), cà phê Excelsa (cà phê mít) [8].

Chỉ tiêu chất lượng của cà phê

Cần chú ý đến các vấn đề như:

Bảng 1: Chỉ tiêu cảm quan

STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ PHƯƠNG PHÁP THU

2 Cảm quan (trạng thái, màu sắc, mùi vị) – Cảm quan

3 Tạp chất thấy bằng mắt thường % TCVN 5251 – 1990

Bao gồm tất cả chỉ tiêu hóa lý vì vậy một số chỉ tiêu khác đánh giá chất lượng sản phẩm của cà phê:

 Hàm lượng các chất hòa tan trong nước

 Hàm lượng tro không tan trong HCl

Bảng 2: Chỉ tiêu hóa lý

STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

1 Độ ẩm % Mục 8.1- Hướng dẫn về kiểm soát chất lượng thực phẩm 14/7 – FAO: 1986

3 Các hợp chất tan trong nước % TCVN 5610-2007

4 Protein thô (*) % Mục 8.3 – Hướng dẫn sử dụng kiểm soát chất lượng thực phẩm 14/7 – FAO: 1986

6 Béo tổng (*) % Mục 8.2 – Hướng dẫn sử dụng kiểm soát chất lượng thực phẩm 14/7 – FAO: 1986

7 Xơ dinh dưỡng (chất xơ) % AOAC 985,29: 2011

9 Tro tổng (*) % Mục 8.4 – Hướng dẫn sử dụng kiểm soát chất lượng thực phẩm 14/7 – FAO: 1986

10 Tro không tan trong HCl (*) % TCVN 7765-2007

1.3.3 Chỉ tiêu độc tố nấm mốc

Bảng 3: Chỉ tiêu độc tố nấm mốc

STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ PHƯƠNG PHÁP THU

1 Aflatoxin Tổng mg / kg TK.AOAC 991,31 (LC / MS / MS)

2 Aflatoxin / chất (B1, B2, G1, G2) mg / kg TK.AOAC 991,31 (LC / MS / MS)

3 Ochratoxin A mg / kg AOAC 2000,09 (LC / MS / MS)

 Tổng số vi sinh vật hiếu khí

 Tổng số bào tử nấm men-mốc

Bảng 4: Chỉ tiêu vi sinh

STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ PHƯƠNG PHÁP THU

1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU / g K.TCVN 4884: 2005 (ISO 4833,2003)

2 Coliforms CFU / g TK TCVN 6848: 2007 (ISO 4832: 2005)

3 E coli CFU / g TK TCVN 6846: 2007 (ISO 7251: 2005)

4 Staphylococcus aureus(*) CFU / g TCVN 4830-1: 2005 (ISO 6888-1: 1999)

5 Samonella CFU / g TK TCVN 4829: 2005 (ISO 6579: 2002)

6 Tổng số bào tử nấm men – mốc CFU / g TK TCVN 8275-1: 2010 (ISO 21,527-1:

7 Clostridium perfringens CFU / g TCVN 4991: 2005 (ISO 7937: 2004)

8 Bacillus cereus CFU / g TCVN 4992: 2005 (ISO 7932: 2004)

1.3.5 Chỉ tiêu kim loại và các nguyên tố vi lượng

Chủ yếu dựa trên các chỉ tiêu kim loại nặng như:

Bảng 5: Chỉ tiêu kim loại và các yếu tố vi lượng

STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ PHƯƠNG PHÁP THU

1 Asen (As) (*) mg / kg AOAC 999,11: 2011 (AAS)

2 Cadimi (Cd) (*) mg / kg AOAC 999,11: 2011 (AAS)

3 Chì (Pb) (*) mg / kg AOAC 999,11: 2011 (AAS)

4 Thủy ngân (Hg) (*) mg / kg AOAC 974,14: 2011 (AAS)

5 Đồng (Cu) (*) mg / kg AOAC 999,11: 2011 (AAS)

6 Kẽm (Zn) (*) mg / kg AOAC 999,11: 2011 (AAS)

Tổng quan về sấy phun

Khái niệm và phân loại

Sấy phun là công nghệ sấy mới, linh hoạt, chuyển đổi thực phẩm lỏng thành bột khô Quá trình này diễn ra khi nguồn cấp dữ liệu được phun vào dòng khí nóng, giúp làm khô hiệu quả Trong những năm qua, sấy phun đã trở thành công nghệ thân thiện với ngành công nghiệp, với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm và dược phẩm.

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, sấy phun là phương pháp phổ biến để sản xuất nhiều loại thực phẩm và nguyên liệu như sữa bột, bột whey/casein, bột phô mai, bột trứng, và bột cà phê/trà hòa tan Gần đây, sấy phun cũng được áp dụng để bao gói các thành phần thực phẩm Tùy thuộc vào tính chất của nguyên liệu và điều kiện sấy phun, quy trình này có thể tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng và phong phú.

Sấy phun là một phương pháp hiệu quả trong việc sản xuất các sản phẩm chất lượng cao, cho phép kiểm soát tốt các đặc điểm liên quan đến chức năng và hiệu suất sản phẩm Quá trình này tạo ra các hạt bột xốp, có hình dạng cầu, mang lại tính chất phân tán và tức thời vượt trội, giúp cải thiện khả năng làm ướt, phân tán và hòa tan của sản phẩm.

Sản phẩm cuối cùng có độ ẩm thấp và mật độ khối cao, giúp kéo dài thời hạn sử dụng và giảm chi phí đóng gói, bảo quản Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào các điều kiện sấy phun như thành phần thức ăn, tốc độ dòng thức ăn, loại đầu phun, và nhiệt độ không khí đầu vào và ra Chất lượng và chức năng của sản phẩm sấy phun cao nhờ vào thời gian sấy ngắn và bảo vệ các hạt lơ lửng trong quá trình làm mát bay hơi Những đặc điểm này bảo vệ các thành phần thực phẩm nhạy cảm với nhiệt, giữ được hoạt tính sinh học cao và các đặc tính chức năng Quy trình sấy phun cho phép bảo quản các thành phần nhiệt rắn có giá trị cao hơn so với các phương pháp sấy khô khác, làm cho nó trở thành lựa chọn hấp dẫn cho việc phát triển sản phẩm tăng cường sức khỏe, bao gồm thực phẩm chức năng và dinh dưỡng.

Sấy phun là kỹ thuật sấy hiệu quả về kinh tế, thường được áp dụng trong sản xuất công nghiệp để tạo ra số lượng lớn bột Quá trình này diễn ra trong các buồng sấy lớn, hay còn gọi là tháp sấy, cho phép đạt năng suất cao khi hoạt động liên tục và xử lý khối lượng lớn.

2.1.2.1 Theo chiều của tác nhân sấy

Trong buồng sấy phun, không khí sấy và giọt phun có thể tương tác theo ba cách: dòng cùng dòng, ngược dòng hoặc dòng hỗn hợp, tùy thuộc vào hướng của dòng không khí so với chất lỏng phun Kiểu tiếp xúc giữa nguồn cấp và không khí được xác định bởi vị trí của đầu phun so với đầu vào của không khí Hầu hết các máy sấy phun công nghiệp thường sử dụng dòng cùng dòng hoặc dòng hỗn hợp để tối ưu hóa hiệu quả sấy.

Hình 3: Phân loại thiết bị theo chiều của tác nhân sấy a- Cùng chiều; b- Ngược chiều; c- Kết hợp

 Máy sấy phun cùng chiều

Trong máy sấy phun đồng dòng, không khí và nguồn cấp đi qua buồng sấy theo cùng một hướng, với bộ phun thường được đặt ở trên cùng và phun xuống Thiết kế này thích hợp cho các vật liệu nhạy cảm với nhiệt, vì không khí sấy nóng nhất tiếp xúc với các giọt khi độ ẩm cao, giúp giảm nhiệt độ giọt nhanh chóng và đạt được nhiệt độ không khí đầu ra thấp từ 50 đến 80º C Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là chiều cao buồng sấy tương đối lớn Khi dung dịch được phun từ dưới lên, hạt nhỏ bị dòng khí cuốn lên trên, trong khi hạt nặng di chuyển chậm hơn và lắng xuống Chiều cao buồng sấy được xác định dựa trên quá trình sấy khô các hạt lớn, và vị trí vòi phun phụ thuộc vào tốc độ tác nhân và tốc độ lắng của hạt.

 Máy sấy phun ngược chiều

Trong cấu hình máy sấy ngược dòng, không khí và nguồn cấp dữ liệu di chuyển theo các hướng ngược nhau, với bộ phun ở trên cùng và không khí vào từ dưới, di chuyển lên trên Máy phun sương thường được sử dụng vì năng lượng của tia phun có thể hướng ngược lại luồng không khí, mang lại tốc độ bay hơi nhanh và hiệu quả năng lượng cao hơn so với máy sấy cùng dòng Tuy nhiên, máy sấy ngược dòng chỉ phù hợp với các vật liệu chịu nhiệt do nhiệt độ thoát ra gần với nhiệt độ không khí đầu vào Kích thước hạt sương cần đủ lớn để vận tốc lắng của hạt vượt qua vận tốc dòng tác nhân sấy từ dưới lên Hạt ẩm sẽ được tách ra và thoát ra qua cửa đáy, trong khi khí thải ra qua cửa đỉnh Do bố trí ngược chiều và vận tốc hạt chậm, sản phẩm có thể đạt độ khô thấp và dễ bị cháy khét nếu nhiệt độ tác nhân sấy quá cao Nếu dung dịch được phun từ dưới lên, quá trình sấy sẽ bắt đầu bằng sấy ngược chiều và sau đó chuyển sang cùng chiều, với hạt nhỏ có quãng đường ngược.

Sản phẩm khô đều nhờ kích thước hạt nhỏ hơn, với sản phẩm mịn được thu gom từ đáy thiết bị, trong khi khí thải được dẫn ra qua cửa bên và chuyển đến thiết bị thu hồi.

 Máy sấy phun kết hợp

Máy sấy phun dòng hỗn hợp kết hợp cả dòng đồng dòng và dòng ngược dòng, với không khí vào từ phía trên và bộ phun ở phía dưới, phun lên vào luồng không khí Thiết kế này giúp các hạt khô nhất tiếp xúc với không khí nóng nhất, làm cho máy sấy phun dòng hỗn hợp trở nên lý tưởng cho việc làm khô các vật liệu chịu nhiệt Ngoài ra, chúng cũng thích hợp cho việc sản xuất bột thô chảy tự do.

2.1.2.2 Theo chu trình sấy phun

 Máy sấy phun chu trình đóng (khép kín)

Máy sấy phun chu trình kín tái chế khí sấy, thường sử dụng khí trơ như nitơ, giúp làm sạch và tái chế khí sau khi sấy Thiết kế này rất cần thiết khi thức ăn được trộn với dung môi hữu cơ dễ cháy, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và ô nhiễm Ngoài ra, nó cho phép thu hồi dung môi hiệu quả, sản xuất các sản phẩm không có dung môi Sấy phun chu trình kín cũng đặc biệt hữu ích cho những sản phẩm dễ bị oxy hóa.

Hình 4: Sơ đồ của một chu trình đóng

 Máy sấy phun chu tình mở

Máy sấy phun chu kỳ mở hoạt động mà không tái chế không khí sấy, sử dụng không khí từ khí quyển Không khí này được làm nóng và chuyển qua buồng sấy phun, sau đó thoát trở lại khí quyển sau giai đoạn tách Loại máy sấy phun này rất phổ biến trong ngành công nghiệp.

 Máy sấy phun chu trình nửa kín nửa mở

Máy sấy phun bán kín kết hợp giữa chu trình đóng và mở, tồn tại nhiều biến thể và không bị chặt khí Hệ thống chính là “làm nóng trực tiếp”, sử dụng bộ gia nhiệt không khí trực tiếp, giúp giới hạn không khí vào hệ thống ở mức cần thiết cho quá trình đốt cháy Khí được tái chế qua máy sấy phun chủ yếu là sản phẩm của quá trình đốt cháy, có hàm lượng oxy thấp, phù hợp với vật liệu không nên tiếp xúc với oxy và giảm nguy cơ cháy nổ.

2.1.2.3 Phân loại theo cấp độ sấy

Nguyên lý của phương pháp sấy phun

Sấy phun là quy trình gồm bốn bước chính: phun thức ăn lỏng vào buồng sấy, tạo sự tiếp xúc giữa vòi phun và không khí nóng, bay hơi ẩm từ các giọt, và tách các hạt khô Các thành phần chính của máy sấy phun bao gồm bộ phun, buồng sấy phun, và bộ tách xyclon Mỗi bước trong quy trình này tạo thành một hoạt động kỹ thuật phức tạp và yêu cầu sự cân bằng chính xác Do đó, việc kiểm soát các đặc tính của thức ăn và điều kiện sấy phun là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng đồng nhất của bột khô cuối cùng.

Nguyên tử hóa chất lỏng là quá trình tạo ra các giọt nhỏ từ nguyên liệu, sau đó các giọt này được phun vào dòng không khí nóng để làm khô Sự tiếp xúc với không khí nóng làm tăng nhanh nhiệt độ của giọt nước, dẫn đến bay hơi và làm khô trong vài giây, trước khi chúng chạm vào thành buồng sấy Các hạt khô sẽ lơ lửng trong không khí và được thu gom qua thiết bị tách như xyclon và bộ lọc túi Quá trình này giúp loại bỏ hạt khỏi không khí, cho phép chúng được đóng gói hoặc xử lý thêm nếu cần Các lý thuyết chi tiết về nguyên tử hóa, làm khô và tách hạt có thể được tìm thấy trong các tài liệu tham khảo khác.

Hệ phân tán mịn được tạo ra từ nguyên liệu lỏng hòa tan, nhũ tương, và huyền phù có độ ẩm từ 40 - 60% được phun thành giọt mịn Những giọt này rơi vào dòng khí nóng ở nhiệt độ khoảng 150 – 300 o C trong buồng sấy lớn, giúp hơi nước bốc đi nhanh chóng Cuối cùng, các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy thông qua hệ thống thu hồi riêng.

Ưu điểm và hạn chế của công nghệ sấy phun

2.3.1 Ưu điểm Ưu điểm của phương pháp sấy phun liên quan đến các đặc tính riêng của sản phẩm sấy phun và của bản thân quá trình so với các phương pháp sấy khô khác Ưu điểm nổi bật của nó như sau:

Sấy phun là phương pháp tạo ra bột với các dạng hạt hoặc kết tụ, cho phép kiểm soát tốt các đặc tính như kích thước và phân bố kích thước hạt, hình thái, mật độ, tính chất dòng chảy, khả năng phân tán, tính chất hòa tan và hoạt tính nước, phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.

- Các nguyên liệu nạp chất lỏng khác nhau bao gồm dung dịch, huyền phù và nhũ tương có thể được phun khô thành công

Các vật liệu nhạy cảm với nhiệt và các thành phần hoạt tính sinh học quý giá có thể được sấy khô hiệu quả nhờ vào khả năng điều chỉnh nhiệt độ sấy và thời gian tiếp xúc, giúp bảo toàn hoạt tính sinh học của chúng.

- Chất lượng của sản phẩm sấy khô được nâng cao nhờ quy trình sấy phun.

- Chất lượng sản phẩm nhất quán và vượt trội có thể đạt được sau khi tối ưu hóa quy trình.

- Sản phẩm ra khỏi máy sấy phun rất đảm bảo vệ sinh.

Sản phẩm sấy phun có độ ổn định cao và thời gian bảo quản lâu dài nhờ vào hoạt độ nước thấp Chúng cũng rất dễ dàng trong việc bảo quản và chuẩn bị, mang lại sự thuận tiện cho người sử dụng.

- Các sản phẩm sấy phun trải qua ít thay đổi sinh hóa không mong muốn như hóa nâu và oxy hóa lipid.

Các sản phẩm hoàn nguyên từ sấy phun bù nước, như sữa, cà phê hòa tan, trà và bột nước trái cây, có khả năng chế biến dễ dàng và gần gũi với nguyên liệu tươi.

Sấy phun là một quy trình liên tục, cho phép xử lý khối lượng lớn với khả năng kiểm soát tối ưu Tốc độ cấp liệu có thể dao động từ vài kg mỗi giờ cho các ứng dụng nhỏ đến hơn 100 tấn mỗi giờ cho các ứng dụng quy mô lớn.

- Có thể sản xuất vài tấn bột với hiệu suất cao.

- Thời gian sấy rất ngắn giúp bảo vệ các vật liệu nhạy cảm với nhiệt và giảm tiêu thụ năng lượng của quá trình sấy phun.

- Quá trình này diễn ra trong thời gian ngắn - quá trình sấy phun thường hoàn thành trong vòng chưa đầy ba phút.

- Ít lao động tham gia vào quá trình và chi phí sản xuất tương đối thấp.

Các vật liệu như trái cây và một số loại rau chứa nhiều đường và axit hữu cơ thường gặp khó khăn trong quá trình phun khô, do bột của chúng dễ dính vào thành buồng sấy Vấn đề này, được gọi là “độ dính”, có thể gây ra hiện tượng kết tụ và hình thành các cục trong sản phẩm.

Bảng 6: Các vấn đề chính gặp phải trong quá trình sấy phun và biện pháp khắc phục

Vấn đề Nguyên nhân Khắc phục

 Tỷ lệ đường hòa tan và chất rắn hòa tan khác trong thức ăn cao.

 Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh thấp (Tg) và nhiệt độ “điểm dính” thấp của các thành phần thức ăn chăn nuôi

Sửa đổi thiết kế máy sấy phun

 Áp dụng nhiệt độ sấy thấp hơn

 Sử dụng không khí hút ẩm và / hoặc bổ sung phân tử cao chất hỗ trợ / chất mang sấy trọng lượng để tăng Tg và điểm dính

 Làm mát và cạo các bức tường của máy sấy Đóng cặn

 Tỷ lệ đường trọng lượng phân tử thấp cao trong thức ăn.

 Sự hấp thụ nước trên bề mặt hạt có thể thúc đẩy sự hình thành cầu lỏng và làm cho hạt dính

 Cải tiến thiết kế máy sấy phun

 Thêm chất mang trọng lượng phân tử cao như maltodextrin

 Tăng nhiệt độ không khí đầu vào

 Cạo vách máy sấy Kết tinh  Nhiệt độ sấy cao và Tg thấp làm tăng tốc độ kết tinh của một số cấu tử, đường đặc biệt

 Ứng dụng không khí ẩm để cải thiện độ kết tinh của bột và năng suất

Tính hút ẩm  Tỷ lệ đường trọng lượng phân tử thấp cao

 Tăng nhiệt độ không khí đầu vào

 Thêm chất mang trọng lượng phân tử cao như gôm arabic để giảm độ hút ẩm

Việc kiểm soát kích thước giọt trong quá trình sấy phun là một thách thức quan trọng, vì nó có thể gây ra hiện tượng sấy khô không đồng đều, dẫn đến hình thái và cấu trúc vi mô không đồng nhất của các hạt sau khi sấy.

Nhiệt độ vượt quá 100º C có thể dẫn đến sự mất mát các thành phần bền nhiệt như vitamin B1, C, anthocyanin, hợp chất phenol, lycopen và vi khuẩn probiotic, đồng thời làm giảm hoạt tính sinh học của chúng Tuy nhiên, việc sử dụng thời gian sấy ngắn và điều chỉnh nhiệt độ vận hành có thể giúp giảm thiểu những tác động tiêu cực này.

- Sự xuống cấp của sản phẩm có thể dẫn đến đóng cặn trên thành của buồng sấy.

- Sấy phun là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng.

- Hiệu suất nhiệt của quá trình tương đối thấp; phần lớn nhiệt bị mất với các khí thải ra ngoài.

- Chi phí lắp đặt ban đầu của máy sấy phun có xu hướng cao.

- Thiết bị cồng kềnh (ví dụ, tháp sấy phun cao 8 m và đường kính 5 m, cao tới 30 m và đường kính 10 m).

Vận hành thiết bị lớn có thể gặp khó khăn, và quy trình vệ sinh thường phức tạp Do nguy cơ cháy nổ cao khi sản xuất vật liệu dạng bột, cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn cụ thể.

Chất lượng sản phẩm sấy phun chịu ảnh hưởng bởi các thách thức như độ dính, đóng cục, lắng đọng thành, kết tinh và hút ẩm Độ dính và đóng cục khiến bột có độ chảy kém, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng thu hồi Những vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh các thông số sấy phun, như thành phần thức ăn chăn nuôi và sử dụng các chất hỗ trợ sấy phun như polyme Một số sản phẩm như trái cây và sản phẩm cà chua khó sấy phun hơn do chứa nhiều đường và chất rắn hòa tan, dẫn đến hiện tượng bám dính trong buồng sấy Để giảm độ dính, có thể áp dụng các biện pháp như sấy ở nhiệt độ thấp hơn điểm dính và sử dụng không khí đã hút ẩm Việc thêm polyme như polysaccharid hoặc protein cũng có thể tăng điểm dính của sản phẩm Các kỹ thuật sấy phun cải tiến gần đây, như sấy phun hỗ trợ siêu âm và sấy phun chân không, đã nâng cao hiệu quả sấy khô nước ép trái cây và rau quả.

Quy trình công nghệ sản xuất cà phê sấy phun

Sơ đồ sản xuất

Thuyết minh quy trình

Quá trình làm sạch cà phê nguyên liệu tại nhà máy sản xuất rất quan trọng để loại bỏ các tạp chất như đất đá, cát, lá, và vỏ cà phê còn sót lại Việc này không chỉ giúp khử mùi tạp chất mà còn loại bỏ những hạt kém phẩm chất như hạt bị thối đen, mốc và sâu mọt Mục tiêu chính của quá trình này là nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng, đồng thời đảm bảo các giai đoạn sản xuất tiếp theo diễn ra thuận lợi, tránh ảnh hưởng xấu đến tính chất cảm quan và năng suất nghiền của thiết bị.

Phương pháp thực hiện việc làm sạch hạt cà phê bao gồm phân loại theo kích thước, khối lượng riêng và màu sắc Để làm sạch, có thể sử dụng sàng, máy tách kim loại hoặc nước để khử mùi cho hạt cà phê.

Để đảm bảo sự đồng đều trong quá trình rang cà phê, việc phân loại hạt cà phê là rất cần thiết nhằm loại bỏ các hạt không đạt tiêu chuẩn về kích thước và tỷ trọng Rửa sạch cà phê trước khi đưa vào máy không chỉ tăng năng suất mà còn nâng cao độ bền của thiết bị, từ đó đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng, các nhà sản xuất thường trộn lẫn các loại cà phê, chủ yếu là cà phê Arabica và Robusta, trong quá trình rang xay Tỉ lệ phối trộn này có thể khác nhau tùy thuộc vào từng nhà sản xuất và loại sản phẩm, nhằm phục vụ cho đối tượng khách hàng cụ thể.

 Phương pháp thực hiện: quá trình phối trộn thường được thực hiên trong thiết bị trộn dạng thùng quay

Hình 5: Máy trộn thùng quay

Trong quy trình sản xuất cà phê rang xay, công đoạn rang đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng Đây là bước quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hương vị và đặc tính của cà phê.

Quá trình tạo hạt nhiệt cho cà phê nhân không chỉ làm thay đổi màu sắc mà còn hình thành các tính chất đặc trưng về mùi vị của cà phê Nhiệt độ cao trong quá trình rang giúp giảm độ ẩm, tiêu diệt vi sinh vật và nấm mốc, đồng thời ức chế các phản ứng hóa sinh Sau khi rang, độ bền cơ học của hạt cà phê giảm, trong khi độ giòn tăng, khiến cho hạt cà phê dễ dàng bị vỡ ra dưới tác động của lực cơ học trong quá trình nghiền.

Thiết bị rang cà phê đa dạng với nhiều loại cơ giới và nhiên liệu, bao gồm thùng đứng có trục khuấy hoặc tay đảo, kèm theo ống lấy mẫu và cửa quan sát Sau khi rang, cà phê được làm nguội nhanh chóng bằng thùng hoặc băng tải, giúp hạt cà phê giữ được chất lượng Quá trình rang không chỉ thay đổi tính chất cơ lý của hạt cà phê mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiền cà phê sau đó.

Sử dụng nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian nhất định giúp biến đổi hạt cà phê, tạo ra hương vị đặc trưng Quá trình này diễn ra thông qua ba phương thức truyền nhiệt chính: bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt.

Quá trình rang cà phê là một biến đổi hóa học quan trọng, diễn ra ở nhiệt độ từ 180-260°C trong khoảng thời gian 20-25 phút Sau khi hoàn tất, cà phê cần được làm nguội nhanh chóng để giữ được hương vị và chất lượng tốt nhất.

Kỹ thuật rang thường bắt đầu ở nhiệt độ 180°C và tăng dần lên 200-260°C Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá cao, mùi thơm sẽ bị tổn thất nhiều Trong quá trình rang, màu sắc của nguyên liệu sẽ biến đổi từ nhạt sang đậm.

Cà phê rang nhạt, hay còn gọi là cà phê rang quế, có màu nâu vàng giống với màu vỏ cây quế, thường gặp ở Đông Nam Á Khi rang, hạt cà phê mất từ 3-5% khối lượng chất khô, mang lại mùi vị chua dịu Mặc dù hương vị chưa thật sự đậm đà, nhưng các mùi vị đặc trưng vẫn dễ nhận biết, làm cho loại cà phê này trở thành lựa chọn phổ biến để thử nếm và đánh giá chất lượng các mẫu cà phê.

Cà phê rang vừa, hay còn gọi là cà phê rang kiểu Mỹ, rất phổ biến tại Hoa Kỳ, có màu nâu vừa, nằm giữa socola đậm và socola sữa Bề mặt hạt khô, chưa tiết ra dầu, mang đến hương vị đậm đà và chua nhẹ khi pha Trong giai đoạn này, hạt cà phê đã phát triển đầy đủ các hợp chất tạo ra hương vị thơm ngon với hàm lượng cao nhất, đồng thời mất từ 5 đến 8% khối lượng khô.

Cà phê rang hơi đậm, hay còn gọi là rang kiểu Pháp nhạt, có đặc điểm là bề mặt hạt cà phê xuất hiện những vết dầu lốm đốm Loại cà phê này thường bị mất khoảng 8% khối lượng khô trong quá trình rang.

Cà phê rang đậm kiểu Ý và kiểu Pháp có đặc điểm là bề mặt hạt tiết ra nhiều dầu nhưng vẫn giữ được độ bóng vừa phải, với vị chua rất ít Hạt cà phê có màu nâu đậm nhưng chưa đạt đến mức đen hoàn toàn, phổ biến tại Pháp, và trong quá trình rang, hạt mất từ 8 đến 12% chất khô.

Cà phê rang rất đậm hay rang cháy là loại cà phê được sử dụng cho máy pha chế espresso đặc biệt, yêu cầu rang đậm và xay mịn để trích ly nhanh chóng các chất tan trong bột cà phê Hạt cà phê rang rất đậm sẽ tiết ra nhiều dầu, tạo bề mặt bóng láng và màu đen Nếu tiếp tục rang quá lâu, dầu sẽ mất hết và hạt cà phê sẽ trông giống như than.

Thiết bị dùng trong sản xuất cà phê sấy phun

Trích ly

Cà phê sau khi thu hoạch trải qua nhiều công đoạn như phơi khô, xay tách vỏ, rang xay, và trích ly Quá trình trích ly sử dụng nước nóng để hòa tan các chất trong cà phê, tạo ra dung dịch chiết với nồng độ chất hòa tan khoảng 25 - 35% Cuối cùng, cà phê được lọc, cô đặc và sấy khô để sản xuất cà phê hòa tan.

Hệ thống và quá trình trích ly cà phê diễn ra như sau:

Đầu tiên đổ cà phê vào thiết bị trích ly gián đoạn hình tháp được bảo ôn nhiệt độ.

Bơm nước nóng khoảng 80 – 90 o C từ đáy tháp lên để trích ly cà phê.

Khi nước nóng đi qua cà phê trong tháp sẽ diễn ra quá trình trích ly các chất hòa tan.

Các chất hòa tan sẽ hình thành dung dịch tại đỉnh tháp, và để tăng lượng chất tan thu được, cà phê bột sẽ được thay thế liên tục trong các tháp.

Hình 8: Thiết bị trích ly cà phê

Quá trình trích ly cà phê diễn ra hai lần: lần đầu tiên trích ly các chất hương ở nhiệt độ dưới 120 o C trong 15-20 phút, và lần thứ hai là trích ly các hợp chất thủy phân với tốc độ nước gấp đôi so với phương pháp thông thường Việc trích ly nhiều lần giúp hạn chế bột mịn tan sâu vào nước, với nồng độ dung dịch cà phê có thể đạt 20-22% Sau khi trích ly, dung dịch được giữ trong bồn để làm nguội nhanh, tránh tiếp xúc với không khí nhằm ngăn chặn sự lắng đọng chất thô và bay hơi các hợp chất thơm, cuối cùng được lọc và sấy khô để tạo ra bột cà phê hòa tan.

Thời gian trích ly cà phê ảnh hưởng lớn đến hương vị, với thời gian dài giúp trích ly triệt để, nhưng nếu quá lâu sẽ gây biến đổi tiêu cực Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa bột cà phê và nước cũng rất quan trọng; diện tích lớn giúp quá trình trích ly hiệu quả, nhưng bột quá mịn có thể gây khó khăn trong việc lắng và lọc Nhiệt độ là yếu tố then chốt, khi tăng nhiệt độ, tốc độ khuếch tán tăng và độ nhớt giảm, giúp các phần tử hòa tan di chuyển dễ dàng hơn Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây ra phản ứng bất lợi cho hương vị và màu sắc của cà phê, do đó cần có giới hạn khi điều chỉnh nhiệt độ.

Lọc

Máy lọc ép khung bản hoạt động dựa trên nguyên tắc nén áp suất, bao gồm hai phần chính: bộ phận lọc và bộ phận bơm Bộ phận bơm có chức năng hút và nén dung dịch lọc qua vật liệu lọc, giúp quá trình lọc diễn ra hiệu quả.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị lọc áp lực này là làm việc gián đoạn, cho phép nhập liệu liên tục Nước lọc được thu hồi liên tục, trong khi bã thải được loại bỏ theo chu kỳ.

Khung và bản là hai thành phần chính của hệ thống lọc Khung không chỉ chứa bã lọc mà còn là nơi nhập huyền phù vào, trong khi bản tạo ra bề mặt lọc với các rãnh dẫn nước hoặc lỗ lọc Cả khung và bản thường có hình vuông và cần được bịt kín tốt khi ghép lại Nước lọc chảy ra từ bản qua hệ thống đường ống ra ngoài, trong khi bã được giữ lại trên bề mặt vách ngăn lọc và chứa trong khung Khi khung đầy bã, quá trình lọc sẽ dừng lại để tiến hành rửa và tháo bã.

Hình 9: Thiết bị lọc IC41D của Italia

Tách hương

Thiết bị SCC sử dụng hệ thống sưởi nhẹ nhàng với thời gian lưu trú chỉ 25 giây trong cột, giúp tránh sự suy giảm nhiệt của sản phẩm Điều này đảm bảo hương vị tối ưu cho mọi loại sản phẩm được chế biến.

Hình 10: Thiết bị tách hương SCC

Cấu tạo của thiết bị: (1) Nguyên liệu vào, (2) Hương thu được, (3) Sản phẩm ra, (4) Khí vào, (5) Nón xoay, (6) Nón cố định, (7) Trục xoay.

Cô đặc

Máy cô đặc chân không giúp tăng nồng độ chất tan trong dung dịch, hệ nhũ tương và hệ huyền phù, làm cho dung dịch trở nên đậm đặc và sánh hơn Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của sản phẩm.

Quá trình tách nước trong điều kiện chân không giúp loại bỏ các chất không bay hơi trong dung dịch Nhiệt độ sôi của dung dịch thay đổi tùy thuộc vào áp suất; cụ thể, nước sôi ở 100 độ C tại áp suất khí quyển, nhưng ở áp suất chân không, nhiệt độ sôi có thể thấp hơn 100 độ C và dao động từ 1-100 độ C Áp suất chân không tối đa trong quá trình cô đặc đạt 760mmHg (1atm), tương đương với 10m nước hoặc 101325 Pa Do đó, khi sử dụng máy cô đặc chân không, cần điều chỉnh áp suất sao cho phù hợp với năng suất bay hơi và yêu cầu của hệ thống bơm chân không.

Cô đặc chân không sử dụng hơi đốt ở áp suất thấp, tận dụng hiệu quả hơi thải từ các quy trình sản xuất khác Phương pháp này cho phép cô đặc dung dịch ở nhiệt độ sôi cao mà không gây ra phản ứng phụ không mong muốn như oxy hóa hay nhựa hóa Ngoài ra, nhiệt độ sôi thấp hơn cũng giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh so với cô đặc ở áp suất thường.

Hình 11: Thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi

Trong thiết bị bay hơi, quá trình diễn ra với dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100°C ở áp suất chân không, giúp giảm nhiệt độ sôi và tạo điều kiện cho sự bay hơi liên tục Nguyên liệu được đưa vào nồi cô đặc, nơi bơm chân không tạo chênh lệch áp suất, đồng thời động cơ cánh khuấy giúp đảo trộn nguyên liệu Hơi nước được cấp vào để gia nhiệt, làm cho nguyên liệu sôi và bốc hơi nước Hơi nước sau đó được chuyển sang nồi thứ hai, nơi dung dịch tách theo phương pháp tuần hoàn Phần dưới thiết bị là buồng đốt, nơi dung dịch đi trong ống nhận nhiệt từ hơi nước bão hòa, làm hóa hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ được dẫn qua bẫy hơi ra ngoài, trong khi buồng bốc ở phía trên tách hơi ra khỏi dung dịch và loại bỏ giọt lỏng.

Sấy phun

Sấy phun là kỹ thuật sấy hiệu quả về kinh tế, thường được áp dụng trong sản xuất công nghiệp để tạo ra bột với số lượng lớn thông qua các tháp sấy Quá trình này có thể đạt năng suất cao khi diễn ra liên tục và xử lý khối lượng lớn Bài viết sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về sấy phun, nguyên tắc hoạt động, ưu điểm và hạn chế, cấu hình máy sấy phun, ứng dụng trong ngành thực phẩm, cùng với những tiến bộ gần đây trong quy trình và tối ưu hóa nhằm phát triển các loại thực phẩm và nguyên liệu mới.

Sấy phun là quy trình bao gồm bốn bước chính: phun thức ăn lỏng vào buồng sấy, tiếp xúc giữa vòi phun và luồng không khí nóng, bay hơi ẩm từ các giọt, và tách các hạt khô Các thành phần chính của máy sấy phun bao gồm bộ phun, buồng sấy phun, và bộ tách cyclon Mỗi bước trong quy trình này tạo thành một hoạt động kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ các đặc tính của nguyên liệu và điều kiện sấy để đảm bảo chất lượng đồng nhất của bột khô cuối cùng.

Hình 12: Các giai đoạn của quy trình sấy phun

Hệ thống sấy phun gồm 4 giai đoạn cơ bản sau:

Giai đoạn 1 của quá trình là giai đoạn phun sương, trong đó các giọt bức xạ được tạo ra trong bộ phun sẽ được phun vào một dòng không khí nóng Dòng không khí này hoạt động như một môi trường làm khô, giúp thúc đẩy quá trình bay hơi hiệu quả.

Quá trình sấy phun diễn ra bằng cách lấy đi nước bay hơi và chuyển đổi nguyên liệu cần sấy thành dạng sương mù, với các hạt lỏng được phân tán trong không khí thông qua cơ cấu phun sương của thiết bị Kích thước của các giọt nhỏ sau giai đoạn phun sương dao động từ 10 đến 200 µm.

Giai đoạn 2 và 3 trong quy trình sấy là giai đoạn trộn mẫu, nơi sương mù được hòa trộn với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy Đây là bước quan trọng để tách ẩm ra khỏi nguyên liệu, nhờ vào việc phun sương, diện tích tiếp xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy trở nên lớn Điều này giúp ẩm trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóng, với thời gian tách ẩm chỉ từ vài giây đến hai chục giây Sự tiếp xúc giữa các giọt lỏng và không khí nóng làm tăng nhiệt độ của giọt nước nhanh chóng, dẫn đến sự bay hơi nhanh và quá trình làm khô hoàn tất trong vài giây, thậm chí trước khi giọt nước chạm vào thành buồng sấy.

Giai đoạn 4 trong quá trình sấy phun là giai đoạn thu hồi sản phẩm, trong đó các hạt khô được tách ra khỏi dòng không khí Những hạt này lơ lửng trong không khí và chảy vào thiết bị tách như cyclone hoặc bộ lọc túi, nơi chúng được loại bỏ khỏi không khí Phương pháp tách phổ biến nhất là sử dụng cyclone, bên cạnh các phương pháp khác như túi lọc hoặc kết tủa trong trường tĩnh điện Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun đạt khoảng 90% đến 98%.

4.5.2 Cấu tạo máy sấy phun

Hệ thống phun sương bao gồm các thành phần chính như cơ cấu phun sương, quạt hút, caroliphere cấp nhiệt, buồng sấy, bộ phận thu hồi sản phẩm như cyclone và lọc túi, cùng với hệ thống xử lý khí thải Trong đó, cơ cấu phun sương và buồng sấy là hai bộ phận quan trọng và đặc trưng nhất của hệ thống sấy phun, trong khi các bộ phận khác tương tự như các hệ thống sấy truyền thống.

Hình 13: Cấu tạo của máy sấy phun ly tâm tốc độ cao LPG

1: Lưới lọc không khí 2: Bộ phận gia nhiệt

3: Bộ phận phân phối khí nóng

6: Bơm chân không (hút dung dịch sấy)

7: Đĩa phun sương ly tâm

8: Bộ phận tách bột - hơi ẩm dạng lốc xoáy dạng cyclone

9: Quạt hút 10: Thùng chứa nguyên liệu

Trong hệ thống sấy phun, ngoài các thiết bị chính, còn có các thiết bị bổ sung như: thiết bị chứa dịch trích cà phê cần sấy, thiết bị lọc dịch cà phê trước khi phun sương, bơm cao áp để nhập liệu, calorife để gia nhiệt không khí, cyclone để vận chuyển sản phẩm và hệ thống màng lọc.

Cơ cấu phun sương đóng vai trò trung tâm trong quá trình sấy phun, ảnh hưởng đến động học sấy, chất lượng bột và hiệu quả năng lượng Bộ phun, hay thiết bị tạo giọt, là thành phần quan trọng của máy sấy phun Mục tiêu chính của nguyên tử hóa là tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng Việc hình thành giọt nhỏ từ chất lỏng khối lượng lớn thông qua nguyên tử hóa giúp đạt được mục tiêu này, đồng thời giảm thiểu tổn thất các hợp chất và các hạt nhạy cảm với nhiệt, giữ nguyên hình thái và đặc tính lý hóa như mong muốn.

Cơ cấu phun đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy phun, giúp đưa nguyên liệu vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù) Giai đoạn tạo sương mù tăng cường sự tiếp xúc giữa hai pha, dẫn đến cường độ sấy cao và thời gian sấy ngắn, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm Có nhiều loại cơ cấu phun như phun áp lực, phun khí động và đầu phun ly tâm Máy phun ly tâm và máy phun chất lỏng đơn áp suất cao thường được sử dụng cho quy mô lớn, trong khi các cơ sở nhỏ hơn có thể chọn máy phun khí nén, máy phun siêu âm hoặc máy phun tĩnh điện Việc lựa chọn cơ cấu phun ảnh hưởng lớn đến đặc tính và chất lượng sản phẩm khô cuối cùng Kích thước giọt thay đổi theo loại máy phun và thông số nguyên tử hóa, ảnh hưởng đến đặc tính sản phẩm Điều chỉnh tốc độ dòng cấp là yếu tố quan trọng để đạt được quá trình sấy khô giọt tối ưu trước khi chúng tiếp xúc với thành buồng sấy.

 Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay

Hình 14: Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay áp lực

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống sấy là dịch lỏng được bơm vào tâm đĩa và dưới tác dụng của động cơ hoặc khí nén, đĩa quay quanh trục đối xứng Khi đĩa quay, dòng lỏng va đập vào các rãnh và bị phân tán thành các hạt sương có đường kính trung bình từ 8 đến 18 µm, sau đó đi vào buồng sấy Góc phun là 1800, với quỹ đạo ban đầu của hạt sương là chuyển động ngang; khi va chạm vào thành buồng sấy, hạt sương thay đổi phương đột ngột, tạo ra bụi sương sấy rối di chuyển xuống đáy và được hút vào cyclone thu hồi sản phẩm nhờ quạt hút Tốc độ quay của đĩa khi sử dụng khí nén dao động từ 10,000 đến 30,000 vòng/phút, trong khi nếu sử dụng động cơ, tốc độ quay khoảng từ 400 đến 2,000 vòng/phút.

Trong cơ cấu ly tâm, nguyên liệu được đưa vào tâm đĩa quay, nơi lực ly tâm đẩy chất lỏng ra mép, tạo thành các giọt hình cầu nhỏ Các giọt này di chuyển theo đường xoắn ốc nhờ lực ly tâm Kích thước giọt trung bình phụ thuộc vào tốc độ bánh xe và tốc độ dòng chảy, tỷ lệ thuận với tốc độ nạp và độ nhớt, đồng thời tỷ lệ nghịch với tốc độ và đường kính bánh xe Đường kính và tốc độ có thể dao động từ 25-30cm và 4.000 đến 60.000 vòng/phút Loại phun có thể điều chỉnh từ mịn đến trung bình và thô.

Hình 15: Cơ cấu phun ly tâm (hoặc quay)

Trên đĩa ly tâm, các đĩa hẹp có hình dáng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào tính chất và năng suất của thiết bị Rãnh thường gặp có dạng hình tròn, oval hoặc hình chữ nhật, trong đó rãnh thẳng xuyên tâm là tiêu chuẩn cho sản phẩm yêu cầu mức đồng đều cao Ngược lại, đĩa có rãnh cong thích hợp cho sản phẩm có tỉ trọng cao Số lượng và kích thước rãnh quyết định năng suất thiết bị, với năng suất tối đa đạt 200 tấn/giờ Đối với các thiết bị yêu cầu năng suất cao, thường có hai hàng rãnh bố trí xen kẽ để tăng số lượng rãnh và tốc độ nhập liệu.

Hình 16: Hệ thống sấy phun cơ cấu dạng đĩa quay Ưu điểm:

Có thể điều chỉnh tốc độ nhập liệu.

 Thích hợp cho hầu hết các loại nguyên liệu.

 Ít bị tạo khối và tắc nghẽn.

 Thay đổi kích thước được hạt sương nhờ thay đổi tốc độ đĩa quay.

 Năng lượng tiêu thụ cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực.

 Vốn đầu tư cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực.

 Kích thước buồng sấy lớn [17]

 Cơ cấu phun sương dạng vòi phun áp lực

Hình 17: Cơ cấu phun sương dạng vòi phun áp lực

Máy phun áp suất, hay còn gọi là máy phun thủy lực, là thiết bị sử dụng áp suất cao để phun chất lỏng qua vòi phun nhỏ, tạo ra dòng chảy mạnh mẽ Áp suất cao khiến cho chất lỏng bị phân tách thành các giọt nhỏ do ma sát với không khí, làm gián đoạn dòng chảy Kích thước giọt trung bình, dao động từ 120 đến 250 micromet, phụ thuộc vào tốc độ nạp liệu và độ nhớt, đồng thời tỷ lệ nghịch với áp suất nguyên tử hóa, có thể đạt tới hàng trăm bar.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống phun là dòng lỏng được nén đến áp suất 5-7MPa và được đưa vào vòi phun với tốc độ lớn Đường kính lỗ vòi phun dao động từ 0.4-4mm, và ở cuối vòi phun có một chi tiết dạng 3 cánh quay tự do quanh trục, tạo ra tốc độ xoáy ly tâm Dòng xoáy này sẽ bị phân tán thành các hạt nhỏ có kích thước từ 10-20mm Để tăng áp suất phun, nhiều vòi phun được bố trí song song.

Hình 18: Hệ thống sấy phun cơ cấu dạng vòi phun Ưu điểm:

 Máy phun áp suất tương đối rẻ, chúng tiết kiệm năng lượng, đơn giản và nhỏ gọn.

 Cấu tạo đơn giản, không có phần chuyển động nên không gây ồn.

 Thích hợp cho việc phun dung dịch keo, dung dịch có độ nhớt lớn.

 Khó điều chỉnh năng suất.

 Do lỗ vòi nhỏ nên đòi hỏi áp suất cao để tránh tắc nghẽn.

 Không dùng để phun các loại huyền phù hay bột nhão.

 Cơ cấu phun sương khí nén

Tạo Hạt

Hình 30: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tạo hạt

Hình 31: Thiết bị sấy tạo hạt tầng sôi

Máy sấy tạo hạt tầng sôi là thiết bị sử dụng nguyên lý chênh áp để thổi tung nguyên liệu bằng khí nóng, giúp đồng nhất độ ẩm của sản phẩm Thiết bị này hoạt động tự động với các thông số kỹ thuật được cài đặt sẵn và được ứng dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp Nó thường được sử dụng để tạo hạt cho các sản phẩm dạng bột, hạt, cốm trong ngành thực phẩm và dược phẩm Quá trình tạo hạt kết hợp với bơm lưu động và súng phun, có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau như trên, ngang hoặc dưới đáy bồn sấy.

Sau khi được gia nhiệt và làm sạch, không khí sẽ được dẫn vào từ phía dưới qua máy dẫn gió, đi qua tấm lưới và vào buồng làm việc của tháp chính Nước trong nguyên liệu sẽ nhanh chóng bay hơi, sau đó khí thải sẽ được dẫn ra ngoài, trong khi dịch cao lỏng được phun sấy để tạo thành hạt Sản phẩm cuối cùng sau khi hoàn tất quá trình sẽ có dạng bột khô, và trong suốt quá trình sấy tạo hạt tầng sôi, hạt luôn ở trạng thái khô.

Việc lấy mẫu kiểm tra chất lượng sản phẩm trở nên dễ dàng ngay cả khi máy đang hoạt động Thiết bị cho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ của buồng sấy và lưu lượng dung dịch từ súng phun, giúp điều chỉnh kịp thời trong quá trình sấy tạo hạt.

Bảng 11: Thông số kỹ thuật của các máy sấy tạo hạt tầng sôi

STT Thông số kỹ thuật STS-5 STS-50 STS-100 STS-150 STS-200 STS-300

2 Công suất 2-5kg 40-60kg 60-100kg 100 –

3 Motor quạt hút 3,7kW 10kW 15kW 22,5 kW 22,5 kW 30kW

4 Nhiệt độ sấy tối đa 80 o C 80 o C 80 o C 80 o C 80 o C 80 o C

5 Công suất điện trở (max) 6kW 36kW 48kW 72 kW 84 kW 96 kW

Đánh giá chất lượng sản phẩm

Phương pháp cảm quan

Xác định các trạng thái toàn diện của sản phẩm cà phê sấy phun là rất quan trọng, bao gồm các yếu tố như màu sắc, mùi vị, kích thước hạt và cấu trúc Cần kiểm tra xem cà phê có được phối trộn với phẩm màu hay các chất khác gây ra mùi lạ, cũng như có bị mốc hay không Phương pháp cảm quan sử dụng phép thử mô tả để đánh giá các đặc tính như mùi vị, cấu trúc và định lượng, cùng với phương pháp mô tả nhanh để có cái nhìn tổng quát hơn.

Phép thử mô tả là phương pháp được sử dụng để khách quan hóa các đặc tính và thành phần cơ bản của sản phẩm Nó giúp xác định các thông số trong quá trình chế biến dựa trên các tính chất cảm quan có thể nhận biết Qua đó, phương pháp này cho phép định lượng mức độ khác biệt giữa các sản phẩm và xác định những tính chất cảm quan có liên quan đến thị hiếu của người tiêu dùng.

Phép thử mô tả mùi vị là một phương pháp kiểm tra định tính, tập trung vào việc đánh giá mùi vị tổng thể và các thành phần mùi riêng biệt trong thực phẩm Kỹ thuật này cung cấp bảng thống kê về các hương vị nhận biết, cường độ, thứ tự cảm nhận, dư vị và ấn tượng tổng thể của chúng Các ghi nhận về mùi được thể hiện trên thanh đo thông qua các con số và biểu tượng.

Phép thử mô tả cấu trúc là một kỹ thuật cảm quan quan trọng, giúp phân tích toàn diện các đặc điểm cấu trúc của sản phẩm Kỹ thuật này bao gồm việc đánh giá các đặc tính như hoá học, hình học, độ mịn, độ hoà tan, độ cứng, độ bám dính và độ đàn hồi Qua đó, nó xác định mức độ của từng đặc tính và thứ tự xuất hiện của chúng từ lần cắn đầu tiên cho đến khi sản phẩm được nhai hoàn toàn.

Phép thử mô tả định lượng được sử dụng để đánh giá các tính chất cảm quan của sản phẩm, từ hình dạng bên ngoài đến hậu vị Người đánh giá có thể được hướng dẫn để tập trung vào một số chỉ tiêu cảm quan cụ thể, chẳng hạn như cấu trúc sản phẩm.

Phương pháp mô tả nhanh (Flash profile) cho phép truy cập nhanh vào vị trí tương đối của một bộ sản phẩm, hỗ trợ trong việc điều tra các đặc tính của sản phẩm trên thị trường và đánh giá tác động của công thức, công nghệ hoặc bao bì mới đến chất lượng sản phẩm Ngoài ra, phương pháp này còn giúp dự đoán sở thích của người tiêu dùng khi ra mắt sản phẩm mới Thực chất, Flash profile mô tả và định lượng sự khác biệt cảm quan giữa các sản phẩm, dựa trên sự kết hợp giữa lựa chọn tự do và đánh giá thiết lập cho toàn bộ sản phẩm, cho phép mỗi người dùng lựa chọn và sử dụng từ ngữ riêng để đánh giá một cách tương đối.

 Phòng thử: sạch sẽ, không có mùi lạ [38, 43]

Để đánh giá chất lượng bột cà phê sấy phun, tiến hành cân 50g mẫu bằng cân phân tích với sai số 0,1g, sau đó tán mỏng bằng đũa thuỷ tinh và quan sát màu sắc, trạng thái bề ngoài cũng như ngửi mùi thơm Yếu tố quyết định cho việc đưa sản phẩm ra thị trường là nước pha cà phê, sử dụng 50g bột cà phê trong 500ml nước tinh khiết ở nhiệt độ 95-100°C, kèm theo 6% đường sucrose cho các bài kiểm tra chấp nhận Các mẫu cà phê được giữ trong thùng chứa nhiệt trong 2 giờ trước khi đánh giá bởi 30 người tham gia chưa qua đào tạo, bao gồm sinh viên và giảng viên, theo thang điểm Hedonic 9 điểm Mỗi người nếm thử 20mL cà phê trong cốc thuỷ tinh 50mL được mã hóa bằng ba chữ số ngẫu nhiên ở nhiệt độ 70°C, và được yêu cầu rửa sạch vòm miệng bằng nước trước và giữa các mẫu.

Các loại cà phê pha chế từ cà phê sấy phun đạt điểm cảm quan trung bình từ 4,5 đến 6,9 trên thang điểm 9 của Hedonic Điểm trung bình cao hơn 6 được ghi nhận ở các yếu tố như hương thơm, màu sắc và sự ưa thích tổng thể, trong khi điểm thấp hơn chủ yếu do vị đắng và chua.

Bảng 12: Chỉ tiêu đánh giá cà phê sấy phun TCVN 5250:1990 [7, 42]

Tên các chỉ tiêu cảm quan

- Hạt đồng đều, không cháy.

- Màu nâu cánh gián đậm

- Hạt không được đồng đều.

- Màu nâu cánh gián đậm

Mùi - Có mùi thơm đặc trưng

- Có mùi thơm đặc trưng

Vị Vị đậm đà, hấp dẫn, thể chất phong phú

Vị đậm, thể chất trung bình, không có vị lạ

Trạng thái Không bị vón cục Không bị vón cục

Nước pha Màu cánh gián đậm, trong sánh

Màu cánh gián đậm, trong đạt yêu cầu

Phương pháp hoá lý

Giá trị màu được xác định bằng máy đo màu (Hunter Lab / Color QuestXE, TES-135A). Các giá trị sẽ ghi lại kết quả:

 L* - L* = 100 có nghĩa là màu trắng và L* = 0 có nghĩa là màu đen

 a *- độ đỏ (+) và độ xanh lá cây (-)

 b * - độ vàng (+) và độ xanh lam (-)

Các giá trị độ sáng, góc màu và sắc độ của từng mẫu bột cà phê sấy phun đã được ghi nhận Góc Hue (góc màu) và sắc độ được tính toán theo công thức: h ab = b ¿ a ¿ C ¿ = √(a ¿ 2 + b ¿ 2).

Độ ẩm là yếu tố quyết định trong việc phân tích giá trị dinh dưỡng, chất lượng sản phẩm và khả năng bảo quản Theo phương pháp AOAC (2005), độ ẩm cao dẫn đến hàm lượng dinh dưỡng thấp và giảm khả năng bảo quản của sản phẩm.

48 phẩm là cà phê sấy phun dạng bột thì độ ẩm thấp là một vấn đề cần phải được kiểm soát chặt chẽ

 Nguyên tắc và phương pháp

Mẫu thử cà phê được sấy phun ở nhiệt độ 103 o C ± 1 o C trong 2 giờ tại áp suất khí quyển Quá trình sấy dẫn đến hao hụt khối lượng do nước và các chất bay hơi bị bay hơi Từ sự chênh lệch khối lượng mẫu thử trước và sau khi sấy, có thể tính toán phần trăm nước có trong mẫu thử.

 Cân phân tích có độ chính xác 0.0001g

Sấy khô đĩa petri và nắp ở nhiệt độ 103 o C trong 1 giờ Sau đó, chuyển đĩa và nắp từ tủ sấy vào bình hút ẩm, để nguội đến nhiệt độ phòng trước khi cân.

Cho 5g bột cà phê sấy phun vào đĩa đã chuẩn bị và đậy nắp, sau đó cân trên cân phân tích có độ chính xác 0.0001g Đặt toàn bộ vào tủ sấy ở nhiệt độ 103°C trong 2 giờ với nắp mở để nước bốc hơi Sau khi lấy đĩa ra, để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng rồi cân lại Nên thực hiện sấy và cân lần 2 trong 30 phút, với chênh lệch giữa hai lần không quá 0.5mg Từ trọng lượng trước và sau khi sấy, tính hàm lượng ẩm theo công thức [38,43].

Trong nghiên cứu này, các ký hiệu được sử dụng bao gồm: mo đại diện cho khối lượng của đĩa và nắp (g), m1 là khối lượng của đĩa, nắp và mẫu thử cà phê sấy phun trước khi sấy (g), và m2 là khối lượng của đĩa, nắp và mẫu thử cà phê sấy phun sau khi sấy (g).

5.2.3 Xác định chỉ số hoà tan

Cân 2g mẫu cà phê sấy phun và pha vào bình tam giác với 20 mL nước khử ion nóng ở nhiệt độ 90–95°C, sau đó đun trong 5 phút bằng máy khuấy từ Tiến hành ly tâm ở tốc độ 14006 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ các hạt mịn Phần chất không tan nổi trên bề mặt được thu hồi, sau đó làm bay hơi trên bình cách thuỷ cho khô và sấy ở 105°C đến khi đạt khối lượng không đổi WSI được tính toán theo công thức đã đề cập.

Trong đó: DM ¿ : Khối lượng chất không tan sau khi sấy (g)

DM imi : Khối lượng ban đầu của cà phê sấy phun (g)

Bảng 13: Kết quả của các đặc tính hoá lý nêu trên của cà phê sấy phun [29]

Độ ẩm của mẫu cà phê sấy phun dao động từ 1,37% đến 2,79%, với sự gia tăng tỷ lệ Arabica trong hỗn hợp Robusta làm tăng nhẹ độ ẩm sản phẩm, nhưng vẫn thấp hơn giới hạn khuyến nghị 5% cho bột khô Giá trị màu L* nằm trong khoảng 38,57 đến 41,10, cho thấy màu nâu nhạt hơn khi sử dụng hỗn hợp Arabica và Robusta Chỉ số hòa tan (WSI) trong sản phẩm cà phê sấy phun không được dưới 25%, với WSI cao hơn ở các mẫu chế biến từ hỗn hợp Arabica và Robusta nhờ vào sự phân hủy của polysaccharide, đường, amin acid, chlorogenic acid và mức độ caramel hóa cao.

Chất lượng của cà phê cũng được đánh giá độ mịn của nó Cà phê càng mịn thì chất lượng càng cao.

Để xác định độ mịn của sản phẩm cà phê sấy phun, có thể sử dụng rây với đường kính 0.56mm và 0.25mm Khối lượng bột cà phê lọt qua rây có đường kính nhỏ (0.25mm) và khối lượng bột cà phê lọt qua rây đường kính lớn (0.56mm) sẽ được dùng để tính toán độ mịn của sản phẩm.

 Cân phân tích có độ chính xác 0.1g

 Dụng cụ rây cà phê: rây có cỡ lỗ tròn hoặc vuông với đường kính 0.56mm và 0,25mm

Để tiến hành lắp rây, cần sắp xếp theo thứ tự: đáy rây, rây có đường kính nhỏ (0.25mm), rây có đường kính lớn (0.56mm) và nắp đậy kín Cân chính xác 100g cà phê sấy phun với sai số cho phép là 0.1g, sau đó cho vào rây Lắc tròn đều trong 2 phút và vỗ nhẹ vào thành rây Tiếp theo, cân phần bột lọt rây 0.56mm và phần bột trên rây 0.25mm, cũng với sai số cho phép là 0.1g Cuối cùng, tính toán theo công thức đã được chỉ định.

Trong đó: M1: khối lượng bột lọt rây 0.56mm (g)

M2: khối lượng bột trên rây 0.25mm (g) M: khối lượng mẫu ban đầu (g)

5.2.5 Xác định hàm lượng tro tổng số (TCVN 5253:1990)

Sau khi nung cháy hoàn toàn các chất hữu cơ trong thực phẩm, phần còn lại chủ yếu là tro, trong đó chứa chủ yếu là muối khoáng có trong sản phẩm.

 Nguyên tắc và phương pháp

Hàm lượng tro trong cà phê phản ánh lượng muối khoáng tự nhiên có trong quá trình sản xuất Để xác định tổng hàm lượng tro, cần đốt và nung mẫu thử ở nhiệt độ cao, sau đó đo phần còn lại.

Cân 5g cà phê sấy phun vào chén sứ đã được cân trước Tán đều mẫu trên đáy chén và đặt lên bếp điện để loại bỏ hoàn toàn hơi nước Chuyển chén vào lò nung ở nhiệt độ 550 – 600 oC trong 60 phút cho đến khi mẫu được tro hoá hoàn toàn Sau đó, làm nguội chén trong bình hút ẩm khoảng 40 phút và tiến hành cân lại Công thức tính hàm lượng tro tổng số của sản phẩm cà phê được áp dụng.

Trong đó: A: khối lượng mẫu ban đầu (g)

B: khối lượng tro sau khi tro hoá (g) b: độ ẩm của mẫu ban đầu (%)

5.2.6 Xác định hàm lượng tro không tan trong acid (TCVN 5253:1990)

Để xác định hàm lượng chất bẩn có trong cà phê sấy phun như đất, cát, sạn, chúng ta sử dụng acid clohydric 10% (HCl 10%) Các chất bẩn này không hòa tan trong acid clohydric vì chúng không phải là muối khoáng hoặc các chất khác, và sẽ là phần còn lại sau khi hòa tan tro tổng số bằng acid.

Để xác định hàm lượng tro không tan trong axit clohydric, cần thực hiện quy trình đốt và nung mẫu thử Sau đó, hòa tan phần tro bằng axit clohydric 10% nóng, tiếp theo là lọc và nung lại để xác định phần còn lại.

Xác định kim loại nặng

5.3.1 Xác định cadimum bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Quá trình thuỷ phân mẫu cà phê sấy phun sử dụng HNO3, H2SO4 và H2O2 cho phép chiết xuất toàn bộ kim loại có trong mẫu thử Sau đó, pH được điều chỉnh về 9 bằng dithizone – CHCl3 Cuối cùng, tách CHCl3 với HCl loãng và xác định ở bước sóng 228,8 nm để thu được Cd.

 Dụng cụ, thiết bị và hoá chất

 Citric acid: monohydrate, dạng tinh thể

 Dung dịch tiêu chuẩn Cadimi

 Máy quang phổ hấp thu nguyên tử với đèn catot rỗng Cd và đầu đốt C2H2, buớc sóng 228.8nm, phạm vi 0 - 2àg/ml.

Cân 50g mẫu thử vào cốc thuỷ tinh, thêm 25ml HNO3 và đun nhẹ để kích thích phản ứng Tiếp tục thêm 25ml HNO3 cho đến khi đạt 100ml Đun nóng cho đến khi khí NO bay lên, kiểm soát bọt bằng nước Làm lạnh cốc và gạn để loại bỏ chất béo và dung dịch nước qua màng thấm len thuỷ tinh Thêm 100ml H2O vào chất béo, gia nhiệt và xoáy mạnh để rửa, sau đó làm lạnh và lọc Thêm 20ml H2SO4, pha loãng với 300ml H2O, và bay hơi trên ngọn lửa cho đến khi bắt đầu cháy than Cẩn thận thêm 1ml H2O2 50% khi phản ứng giảm, tiếp tục cho đến khi dung dịch mất màu Cuối cùng, gia nhiệt mạnh để đuổi SO3 lên và thêm H2O2 nếu có hiện tượng than hoá.

H2O2, làm nguội về nhiệt độ phòng Cách thực hiện tương tự đối với việc loại bỏ HNO3.

Pha 2g axit citric với 25ml H2O để làm mát dung dịch thuỷ ngân, sau đó thêm chỉ thị thymolble và điều chỉnh pH về 8.8 bằng NH4OH cho đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh vàng sang xanh Chuyển dung dịch vào bình phân loại 250ml, pha loãng với H2O thành 150ml, sau đó làm mát Thêm lần lượt 2 lần 5ml dung dịch dithizone đậm đặc, mỗi lần lắc 1-2 phút, rồi tiếp tục thêm 5ml dung dịch dithizone pha loãng cho đến khi màu sắc không thay đổi Kết hợp chiết dithizone và rửa với H2O, mỗi lần 125ml, rồi rửa với 5ml CHCl3 để chiết xuất dithizone Thêm 50ml HCl 0.2M để kết hợp chiết xuất dithizone, lắc mạnh trong 1 phút để tách lớp và loại bỏ dithizone Rửa dung dịch với 5ml CHCl3 và loại bỏ CHCl3, sau đó chuyển dung dịch vào cốc khác đun sôi, bốc hơi đến khi khô Cuối cùng, rửa cốc với 10-20ml H2O và tiếp tục đun bốc hơi đến khi khô.

Sử dụng C2H2 oxy hoá dưới ngọn lửa kết hợp với máy quang phổ hấp thu nguyên tử ở bước sóng 228.8nm Hoà tan mẫu khô trong 5ml HCl 2M và rửa bằng H2O giữa mỗi lần đo Công thức xác định nồng độ Cd dựa trên đường chuẩn.

5.3.2 Xác định chì bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Trong quá trình phân tích cà phê sấy phun, các chất hữu cơ sẽ được thủy phân, dẫn đến sự kết tủa của chì (Pb) với sulfat stronti (SrSO4) Dịch chiết muối sulfat sau đó sẽ chuyển đổi thành muối carbonate, được hòa tan trong acid và tiếp tục được xác định qua các phương pháp phân tích thích hợp.

 Dụng cụ, thiết bị và hoá chất

 Máy quang phổ hấp thu nguyên tử

 Dung dịch Strontium: Hoà tan 2% 6g SrCl2.6H2O trong 100ml H2O

 Hỗn hợp acid (H2SO4, HNO3, HClO4 70%)

 Dung dịch Pb tiêu chuẩn

Trong quá trình phân tích, cho 10g chất khô khụ cà phờ sấy phun và 3g Pb vào bình Kjeldahl 500ml, thêm 1ml dung dịch Sr 2% cùng với hạt thủy tinh Chuẩn bị mẫu trắng tương tự và thêm 15ml hỗn hợp acid cho mỗi gam chất khô, để yên ít nhất 2 giờ Gia nhiệt cho đến khi chỉ còn H2SO4 và muối vô cơ, tránh bọt hình thành Sau khi làm mát, cho 40-50ml vào ống ly tâm, ly tâm 10 phút để lắng cặn, gạn chất lỏng vào cốc thủy tinh Thêm 20ml H2O và 1ml H2SO4, gia nhiệt và lặp lại quy trình Tiếp theo, thêm 25ml dung dịch (NH4)2CO3 bão hòa 20%, khuấy đều và để yên 1 giờ, sau đó ly tâm và gạn chất lỏng Lặp lại quy trình này, sau khi gạn xong, để ráo và thêm 5ml HNO3 1M, khuấy mạnh để đuổi CO2 Nếu còn kết tủa, tiếp tục ly tâm.

Sử dụng phương pháp oxy hóa C2H2 dưới ngọn lửa kết hợp với máy quang phổ hấp thu nguyên tử ở bước sóng 217 hoặc 283.3nm để đo lường hàm lượng chì (Pb) Thực hiện thí nghiệm với mẫu trắng và dung dịch Pb tiêu chuẩn trong điều kiện tối ưu Công thức xác định nồng độ Pb dựa trên đường chuẩn.

Pb (mg/kg) = ( à g/ mlPb gmẫuthử ) x( ml HNO 3)

5.3.3 Xác định kẽm bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Mẫu cà phê sấy phun được hấp thu trong acid và pha loãng Dung dịch được xác định bởi

AA quang phổ ở 213.8nm và chuyển đổi nồng độ Zn qua đường chuẩn [7].

 Dụng cụ, thiết bị và hoá chất

 Dung dịch Zn tiêu chuẩn

 Máy quang phổ hấp thu nguyên tử

Cõn mẫu thử ước tính 25-100 mg Zn, sau đó than hóa dưới đốt hồng ngoại và tro hóa trong lò nung ở nhiệt độ dưới 525 °C cho đến khi C tự do giải phóng Hòa tan tro với HCl theo tỉ lệ 1:1, cho vào 20ml H2O và đun gần khô, sau đó thêm 20ml HCl 0.1M và gia nhiệt thêm 5 phút Lọc qua giấy lọc, rửa và tiếp tục lọc với 5-10ml HCl 0.1M Làm mát và pha loãng với HCl 1M để đạt tiêu chuẩn hoạt động của thiết bị, sau đó xác định Zn từ đường chuẩn.

Zn (mg/kg) = ( à g/ ml Zn gmẫuthử ) x (ml HCl )

5.3.4 Chỉ tiêu về kim loại nặng trong cà phê sấy phun

Bảng 15: Chỉ tiêu về kim loại nặng [7]

Tên kim loại ML(mg/kg)

Thủy ngân (Hg) 0,05 Đồng (Cu) 30