quy trình sản xuất cà phê hòa tan

Trong quá trình chế biến, lipid bị biến đổi, song một phần acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dun

Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM

Khoa Kỹ Thuật Hoá Học Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm

- -

Đề tài tiểu luận môn Công nghệ chế biến

GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn SVTH: Huỳnh Hưng Thịnh 60902607

Nguyễn Thị Hồng Nhung 60901866 Võ Thành Trung 60903020 Trần Vũ Phương Trang 60902874 Trần Quốc Tuấn 60903133

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 5/2012

- -

LỜI MỞ ĐẦU

Cà phê là một loại thức uống có từ lâu đời và liên tục được phát triển cho đến ngày nay, là một trong những thức uống được ưa chuộng nhất thế giới và có mức tiêu thụ cao Đặc biệt các thị trường lớn như Mỹ, Đức , Pháp Ý và các nước Bắc Âu, nơi mà cà phê được coi là không thể thiếu thì không có đủ điều kiện đất đai, khí hậu để trồng Vì vậy đối vơí những nước có điều kiện trồng cà phê như nước ta cà phê không chỉ tiêu thụ trong nước mà còn là mặt hàng xuất khẩu mang lại lợi nhuận kinh tế cao

Ngày nay khi xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu thị hiếu của con người về thực phẩm ngày càng tăng cao đòi hỏi sản phẩm phải thỏa mãn về chất lượng và tính nhanh gọn, điển hình là thị trường nước giải khát, luôn đáp ứng những nhu cầu trên Vì vậy cà phê hoà tan đã ra đời Với người tiêu dùng cà phê hoà tan nhanh chóng được ưa chuộng vì sự tiện lợi của nó Với nhà sản xuất cà phê hoà tan là mặt hàng có giá trị cao, thuận lợi trong việc bảo quản và vận chuyển Tuy nhiên quy trình chế biến ra nó lại đòi hỏi những công nghệ hết sức phức tạp Trong bài tiểu luận này nhóm chúng em sẽ trình bày về quy trình chế biến cà phê hoà tan cùng một số thiết bị chính trong quá trình sản xuất

Bài tiểu luận có thể hoàn thành tốt không thể không kể đến sự hướng dẫn của thầy Lê Văn Việt Mẫn Nhóm chúng em xin gửi tới thầy lời cám ơn sâu sắc và chân thành

Bài tiểu luận có thể còn nhiều sai sót Nhóm chúng em rất mong nhận được sự góp ý

của thầy, cũng như ý kiến đóng góp của các bạn để bài trở nên hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh ngày 16 tháng 5 năm 2012

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

I NGUYÊN LIỆU 8

1 Cà phê nhân 8

1.1 Thành phần hóa học 8

1.2 Tiêu chuẩn cà phê nhân 10

2 Nước 14

3 Bột sữa gầy 15

II QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ HOÀ TAN 17

1 Quy trình I 18

2 Quy trình II 19

III THUYẾT MINH QUY TRÌNH 20

A Quy trình I: 20

1 Làm sạch 20

1.1 Mục đích : Chuẩn bị 20

1.2 Các biến đổi 20

1.3 Phương pháp thực hiện 20

1.4 Thiết bị 21

2 Phối trộn 22

2.1 Mục đích: hoàn thiện 22

2.2 Các biến đổi 22

2.3 Phương pháp thực hiện 22

2.4 Thiết bị 22

Máy trộn thùng quay 22

3 Rang 23

3.1 Mục đích: chế biến và bảo quản 23

3.2 Các biến đổi 23

3.3 Phương pháp thực hiện: 28

3.4 Thiết bị: 29

4 Nghiền 29

4.1 Mục đích: chuẩn bị 29

4.2 Các biến đổi 29

4.3 Phương pháp thực hiện 30

4.4 Thiết bị: 30

5 Trích ly 31

5.1 Mục đích: Khai thác 31

5.2 Các biến đổi : 31

5.3 Phương pháp thực hiện 32

5.4 Thiết bị: 32

6 Xử lý dịch chiết 34

6.1 Mục đích: chuẩn bị và hoàn thiện 34

6.2 Các biến đổi 34

6.3 Phương pháp thực hiện 34

6.4 Thiết bị 34

7 Tách hương: 35

7.1 Mục đích: khai thác 35

7.2 Phương pháp thực hiện: 35

7.3 Thiết bị: 36

8 Cô đặc bốc hơi 36

8.1 Mục đích: Khai thác 36

8.2 Các biến đổi 36

8.3 Phương pháp thực hiện 37

8.4 Thiết bị: 35

9 Sấy Phun 35

9.1 Mục đích: hoàn thiện 35

9.2 Các biến đổi 35

9.3 Phương pháp thực hiện 36

9.4 Thiết bị 37

10 Tạo hạt (Agglomeration) 39

10.1 Mục đích: hoàn thiện 39

10.2 Các biến đổi 39

10.3 Phương pháp thực hiện 39

11 Phối trộn 40

11.1 Mục đích: hoàn thiện 40

11.2 Phương pháp thực hiện và thiết bị 40

12 Bao gói 40

12.1 Mục đích: Hoàn thiện và Bảo quản 40

12.2 Các biến đổi 40

12.3 Phương pháp thực hiện 40

12.4 Thiết bị 41

B Quy trình 2 42

1 Sấy thăng hoa 42

1.1 Mục đích: chế biến, bảo quản 42

1.2 Các biến đổi 42

1.3 Phương pháp thực hiện 42

1.4 Thiết bị 44

2 Nghiền 46

2.1 Mục đích: hoàn thiện 46

2.2 Các biến đổi 46

2.3 Phương pháp thực hiện: 46

2.4 Thiết bị: 47

III SO SÁNH 2 QUY TRÌNH 47

IV SẢN PHẨM CÀ PHÊ HÒA TAN 48

1 Các chất tạo nên hương vị cà phê 48

1.1 Nhóm chất dễ bay hơi 48

1.2 Nhóm chất không bay hơi 50

2 Những thay đổi của hương cà phê trong quá trình chế biến 52

3 Chất lượng của cà phê hoà tan 53

3.1 Những nhân tố góp phần tạo hương tốt hơn cho cà phê 53

3.2 Đặc điểm kỹ thuật của cà phê hòa tan 53

3.3 Vấn đề về vệ sinh trong sản xuất cà phê 54

V TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG CỦA CÀ PHÊ HÒA TAN 54

1 Yêu cầu về thành phần 55

2 Các chỉ tiêu khác 56

3 Bao bì và đóng gói 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Thiết bị sàng 2 tầng nối tiếp 22

Hình 2: Đánh giá mức độ cảm quan của hạt cà phê khi rang 27

Hình 3: Thiết bị rang thùng quay liên tục 29

Hình 4: Sơ đồ hoạt động của thiết bị trích ly gián đoạn 33

Hình 5: Thiết bị làm lạnh dạng bản mỏng 34

Hình 6: Thiết bị ly tâm dạng đĩa 35

Hình 7: Thiết bị tách hương 36

Hình 8: Cô đặc bằng thiết bị dạng màng rơi 37

Hình 9: Thiết bị bốc hơi dạng màng rơi 35

Hình 10: Sơ đồ hệ thống sấy phun 37

Hình 11: Đầu phun ly tâm 38

Hình 12: Thiết bị tạo hạt 40

Hình 13: Thiết bị bao gói cà phê hòa tan 41

Hình 14: Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa công nghiệp 42

Hình 15:Bình thăng hoa 45

Hình 16: Hạt cà phê sau sấy thăng hoa 46

Hình 17: Máy nghiền trục 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Thành phần hoá học cà phê nhân 10

Bảng 2: Phân hạng chất lượng cà phê nhân 11

Bảng 3: Tỉ lệ lẫn cà phê khác loại cho phép trong các hạng cà phê 11

Bảng 4: Tổng trị số lỗi cho phép đối với từng hạng cà phê 12

Bảng 5: Trị số lỗi quy định cho từng loại khuyết tật 12

Bảng 6: Tiêu chuẩn nước dùng trong công nghiệp thực phẩm 14

Bảng 7: Các chỉ tiêu cảm quan của sữa bột gầy 15

Bảng 8: Chỉ tiêu hoá lý của sữa bột gầy 15

Bảng 9: Hàm lượng kim loại nặng của sữa bột 15

Bảng 10: Chỉ tiêu vi sinh vật của sữa bột 16

Bảng 11: Chỉ tiêu cảm quan của đường tinh luyện 16

Bảng 12: Chỉ tiêu hoá lý đường tinh luyện 16

Bảng 13: Chỉ tiêu vi sinh vật của đường tinh luyện 17

Bảng 14: Chỉ tiêu về dư lượng SO2 và kim loại nặng trong đường tinh luyện 17

Bảng 15: Cỡ sàng sử dụng cho cà phê chè và cà phê vối 20

Bảng 16: Cỡ sàng và kích thước lỗ sàng [TCVN 4807: 2001 (ISO 4150:1991)] 20

Bảng 17: Sự tổn thất chất khô theo mức độ rang 24

Bảng 18: Hàm lượng chất khô hoà tan trong cà phê nhân và cà phê rang 25

Bảng 19: Đánh giá mức độ cảm quan so với mức độ rang 28

Bảng 20: Sự thay đổi thành phần hương cà phê trong quá trình chế biến 52

Bảng 21: Đặc điểm kỹ thuật của cà phê hoà tan 53

Bảng 22: Chỉ tiêu chất lượng cà phê hòa tan 55

Bảng 23: Yêu cầu về thành phần cà phê hoà tan 55

I NGUYÊN LIỆU

1 Cà phê nhân

1.1 Thành phần hóa học

Thành phần hoá học trong nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản

Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại 10-12% ở dạng liên kết Khi hàm lượng nước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt Mặt khác, hàm lượng nước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang, tốn nhiều nhiên liệu và nhất là làm tổn thất hương cà phê Hàm lượng nước trong cà phê sau khi rang còn 2,7%

Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3-5%, chủ yếu là kali, nitơ, magie, photpho, clo Ngoài ra còn thấy nhôm, sắt, đồng, iod, lưu huỳnh… Những chất này ảnh hưởng không tốt đến mùi cà phê Chất lượng cà phê cao khi hàm lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại

Chiếm khoảng ½ tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào thành phần nước uống mà chỉ cho màu và vị caramel Đường có trong cà phê do trong quá trình thuỷ phân dưới tác dụng của acid hữu cơ và enzyme thuỷ phân Hàm lượng saccharose có trong cà phê phụ thuộc vào mức độ chín: quả càng chín thì hàm lượng saccharose càng cao Hạt cà phê còn chứa nhiều polysaccharide nhưng phần lớn bị loại ra ngoài bã cà phê sau quá trình trích ly

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hương vị của sản phẩm Thành phần protein của cà phê có những acid amin sau: cysteine, alanie, phenylalanine, histidine, leucine, lysine… Các acid amin này ít thấy ở trạng thái tự do, chúng thường ở dạng liên kết Khi gia nhiệt, các mạch polypeptide

bị phân cắt, các acid amin được giải phóng tiếp tục tham gia các phản ứng maillard, caramel tạo mùi và vị cho cà phê rang Trong số các acid amin kể trên đáng chú ý nhất là những acid amin có chứa lưu huỳnh như cysteine, methionine và proline, chúng góp phần tạo nên hương đặc trưng của cà phê sau khi rang Đặc biệt, methionine và proline có tác dụng làm giảm tốc độ oxi hoá các chất thơm, làm cho cà phê rang giữ được mùi vị khi bảo quản Trong quá trình chế biến chỉ có một phần protein bị phân giải thành acid amin, còn phần lớn bị biến thành hợp chất không tan

Hạt cà phê chứa lượng lipid khá lớn (10-13%) Lipid trong cà phê gồm chủ yếu dầu và sáp Trong đó sáp chiếm 7-8% tổng lượng lipid, còn dầu chiếm 90% Trong quá trình chế biến, lipid bị biến đổi, song một phần acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hoà tan các chất thơm Khi pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã

Trigonelline (acid metyl betanicotic: C7H7NO2) là alcaloid không có hoạt tính sinh lý,

ít tan trong rượu etylic, không tan trong cloroform và ete, tan nhiều trong nước nóng, nhiệt độ nóng chảy là 218oC Tính chất đáng quý của trigonelline là dưới tác dụng của nhiệt độ cao nó bị thủy phân tạo thành acid nicotic (tiền vitamin PP) Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy trong cà phê nhân không có acid nicotic nhưng nó được hình thành trong quá trình gia nhiệt trong đó sự nhiệt phân trigonelline giữ vị trí quan trọng

Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong hạt Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố như đất đai, khí hậu và nhất là chủng loại cà phê Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá trình rang Chất thơm bao gồm nhiều cấu tử khác nhau: acid, aldehide, cetone, rượu, phenol, este Trong quá trình rang, các chất thơm thoát ra ban đầu có mùi hắc sau chuyển thành mùi thơm Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi, biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm nên cần đựng trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh

Bảng 1: Thành phần hoá học cà phê nhân

Thành phần hóa

học

Đơn vị g/100g Thành phần hóa học

Đơn vị mg/100g

Nước Chất béo

Đạm Protein Caffeine

Acid chlorogenic

Trigonelline

Tannin Acid caffetanic

Hemicellulose

Lignin Tro

8 - 12

4 - 18 1,8 - 2,5

9 - 16 0,8 - 2

5 - 10

10 - 20

20

4 2,5 - 4,5

1.2 Tiêu chuẩn cà phê nhân

Do sự đa dạng về sản phẩm theo thị hiếu của người sử dụng, hiện nay tiêu chuẩn cà phê nguyên liệu để sản xuất cà phê rang xay phụ thuộc vào từng nhà sản xuất cụ thể Để đánh giá chất lượng cà phê nhân, người ta thường dựa vào các chỉ tiêu sau:

 Độ ẩm: <13%

 Cỡ hạt đồng đều theo tiêu chuẩn TCVN 4807: 2001

 Hàm lượng tạp chất và tỷ lệ lẫn các loại cà phê khác nhau

 Tổng trị số lỗi trên 300g mẫu

 Các tính chất cảm quan về màu sắc và thể chất của hạt cà phê

Bảng 2: Phân hạng chất lượng cà phê nhân

Cà phê chè Cà phê vối Hạng đặc biệt Hạng đặc biệt

1a 1b

2a 2b 2c

1

Cà phê chè Không được

lẫn R và C

Được lẫn 1% R và 0,5% C

A

Được lẫn 1% C và 5%

A

Được lẫn 5%

A và 5% C Chú thích:

A: Cà phê chè (Arabica) B: Cà phê vối (Robusta) C: Cà phê mít (Chari)

% tính theo phần trăm khối lượng Từ phần mẫu thử 300g tách riêng các hạt cà phê chè (A), cà phê vối (R), cà phê mít (C) và tính phần trăm (%) khối lượng của từng loại hạt rồi xác định tỷ lệ lẫn cà phê khác loại

Bảng 4: Tổng trị số lỗi cho phép đối với từng hạng cà phê

Hạng chất lượng Mức tối đa (trong 300g mẫu)

Cà phê chè Cà phê vối

Bảng 5: Trị số lỗi quy định cho từng loại khuyết tật

1 nhân bị mốc toàn bộ (nghĩa là trên

1 nhân bị sâu đục từ 2 lỗ trở lên 0,2

1 nhân vỡ (kích thước còn lại từ ½

đến ¾ nhân)

0,1

1 mảnh vỡ (kích thước nhỏ hơn ½

nhân)

0,2

1 mảnh vỏ quả khô lớn (> ¾ vỏ) 1,0

1 mảnh vỏ quả khô trung bình (< ½

vỏ)

0,5

1 mảnh vỏ quả khô nhỏ (< ½ vỏ) 0,2

1 vỏ trấu lớn (> ½ vỏ) 0,2

1 mẩu cành cây to (2cm-4cm) 5,0

1 mẩu cành cây trung bình

(1cm-2cm)

2,0

1 mẩu cành cây nhỏ (<1cm) 1,0

1 cục đất, đá to (trên sàng No20) 5,0

1 cục đất, đá trung bình (dưới sàng

No20 và trên sàng No12)

2,0

1 cục đất, đá nhỏ (dưới sàng No 12

và trên sàng No10)

2 Nước

Nước dùng trong sản xuất thực phẩm phải trong, không màu không mùi vị

Bảng 6: Tiêu chuẩn nước dùng trong công nghiệp thực phẩm

Tổng số vi sinh vật hiếu khí < 100 cfu/ml

Chỉ số Coli ( số Coli/1l nước ) <20

Vi sinh vật gây bệnh Không có

3 Bột sữa gầy

Bột sữa gầy là sản phẩm thu được từ quá trình tách nước của sữa tiệt trùng Bột sữa gầy chứa không quá 5% hàm lượng ẩm và không quá 1,5% hàm lượng béo (tính theo trọng lượng), trừ các trường hợp khác Bột sữa gầy được phối trộn vào bột cà phê hoà tan để thay đổi màu sắc vốn có của cà phê, làm cho bột cà phê mềm, mịn hơn và hạn chế vị đắng của cà phê

Bảng 7: Các chỉ tiêu cảm quan của sữa bột gầy

Tên chỉ tiêu Đặc trưng của sữa bột

Màu sắc Từ màu trắng sữa đến màu kem nhạt

Mùi, vị Thơm, ngọt đặc trưng của sữa bột không có mùi vị lạ

Trạng thái Dạng bột, đồng nhất không vón cục

Bảng 8: Chỉ tiêu hoá lý của sữa bột gầy

1 Hàm lượng nước, % khối lượng 5

2 Hàm lượng chất béo, % khối lượng 1.5

3 Hàm lượng protein, tính theo hàm

lượng chất khô không có chất béo,

Bảng 9: Hàm lượng kim loại nặng của sữa bột

Bảng 10: Chỉ tiêu vi sinh vật của sữa bột

1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí, số khuẩn lạc trong 1g sản

4

2 Nhóm coliform, số vi khuẩn trong 1g sản phẩm 10

3 E.Coli, số vi khuẩn trong 1g sản phẩm 0

4 Salmonella, số vi khuẩn trong 25g sản phẩm 0

5 Staphylococcus aureus, số vi khuẩn trong 1g sản phẩm 10

6 Clostridium perfringer, số vi khuẩn trong 1g sản phẩm 0

7 Bacillus cereus, số vi khuẩn trong 1g sản phẩm 102

8 Nấm men, nấm mốc, số khuẩn lạc trong 1g sản phẩm 10

4 Đường tinh luyện

Đường tinh luyện là đường saccharose được tinh chế và kết tinh có độ Pol trên 99,8% theo TCVN 6958-2001 Đường tinh luyện được bổ sung vào cà phê hòa tan để làm giảm bớt vị đắng của cà phê

Bảng 11: Chỉ tiêu cảm quan của đường tinh luyện

Hình dạng Tinh thể màu trắng, kích thước tương đối

đồng đều, tơi khô không vón cục Mùi vị Tinh thể đường hoặc dung dịch đường trong

nước có vị ngọt, không có mùi vị lạ Màu sắc Tinh thể trắng óng ánh Khi pha vào nước

cất cho dung dịch trong suốt

Bảng 12: Chỉ tiêu hoá lý đường tinh luyện

2 Hàm lượng đường khử, % khối lượng <=0,03

4 Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105oC trong 3h, % khối lượng <=0,05

Bảng 13: Chỉ tiêu vi sinh vật của đường tinh luyện

Tổng số VSV hiếu khí, CFU/10g <=200

Bảng 14: Chỉ tiêu về dư lượng SO2 và kim loại nặng trong đường tinh luyện

II QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ HOÀ TAN

Cà phê hòa tan là một loại thức uống bắt nguồn từ cà phê Nó xuất hiện đầu tiên trên thị trường vào những năm 50 của thế kỷ 20 Từ đó, công nghiệp sản xuất cà phê hòa tan đã phát triển rất mạnh, và trở thành một trong những loại thức uống phổ biến nhất của cà phê được hàng triệu người trên thế giới ưa chuộng Loại cà phê này rất tiện lợi và dễ dàng sử dụng nhưng quy trình sản xuất thì rất phức tạp và đòi hỏi chi phí cao

1 Quy trình I

Làm sạch Phối trộn Rang Xay Trích ly

Xử lý dịch chiết Cô đặc bốc hơi

Phối trộn

2 Quy trình II

Cà phê nhân

Làm sạch Phối trộn Rang Xay Trích ly

Xử lý dịch chiết Cô đặc bốc hơi

Nghiền Tạo hạt

III THUYẾT MINH QUY TRÌNH

Bên cạnh đó, để đảm bảo sự đồng đều của cà phê trong quá trình rang, quá trình phân loại sẽ giúp loại bỏ các hạt cà phê không đảm bảo về kích thước (quá nhỏ hoặc quá

to hạt cà phê bị vỡ nát) và tỷ trọng

1.2 Các biến đổi

Trong quá trình làm sạch chỉ có sự thay đổi về thành phần các cấu tử mà không có sự thay đổi về chất Khối lượng của nguyên liệu giảm do các tạp chất được tách ra Nguyên liệu cà phê sẽ đồng đều hơn về kích thước và tỷ trọng

1.3 Phương pháp thực hiện

Để làm sạch tốt nguyên liệu ta tiến hành theo 3 bước:

- Phân loại theo kích thước: thực hiện bằng sàng Thông thường, quá trình phân loại

được thực hiện trên 2 sàng nối tiếp Cà phê được cho vào sàng thứ nhất, phần tạp chất có kích thước lớn được giữ lại trên sàng, phần đi qua sẽ tiếp tục chuyển qua sàng thứ 2 Tại đây các tạp chất có kích thước nhỏ hơn sàng sẽ đi qua sàng, hạt cà phê có kích thước theo yêu cầu sẽ được giữ lại trên sàng Kích thước lỗ của 2 sàng này phụ thuộc vào từng loại

cà phê nguyên liệu

Bảng 15: Cỡ sàng sử dụng cho cà phê chè và cà phê vối

Hạng chất lượng Cỡ sàng

Cà phê chè Cà phê vối Hạng đặc biệt No18/No16 No18/No16 Hạng 1 No16/No14 No16/No12Hạng 2 No12 /No12 No12 /No12 Hạng 3 và 4 No12/No10 No12/No10

Bảng 16: Cỡ sàng và kích thước lỗ sàng [TCVN 4807: 2001 (ISO 4150:1991)]

Cỡ sàng Kích thước lỗ sàng

- Phân loại theo tỷ trọng (bằng khí động):Tỷ trọng của hạt cà phê trung bình là

1,1-1,3 loại máy phân loại theo tỷ trọng phổ biến là catador Nguyên lý của máy là dùng sức gió thổi hạt cà phê đang rơi ngược chiều từ trên xuống Các hạt có tỷ trọng cao sẽ vượt qua sức gió rơi xuống dưới đáy và được dẫn ra sàng ra ngoài Hạt nhẹ sẽ bị nảy lên trên Phần tạp chất nhẹ và bụi được thổi ra ngoài qua một lớp lưới gắn phía trên Quạt ly tâm có số vòng quay 550-620 vòng / phút, vận tốc gió từ 13-15 m/s Năng suất máy từ 500-

Sau đó, nhờ hệ thống quạt hút, các tạp chất nhẹ lẫn trong cà phê nhân sẽ được hút

ra ngoài Từ đây, nguyên liệu được dẫn qua bộ phận nam châm quay để tách kim loại

Cuối cùng, nguyên liệu đi qua máy tách đá và thoát ra ngoài

Hình 1: Thiết bị sàng 2 tầng nối tiếp

2 Phối trộn

2.1 Mục đích: hoàn thiện

Nhằm đa dạng hoá sản phẩm và đáp ứng yêu cầu của người sử dụng, người ta thường trộn một số loại cà phê với nhau trong sản xuất cà phê rang xay Thông thường là trộn cà phê Arabica và cà phê Robusta với nhau Tỷ lệ phối trộn tuỳ theo nhà sản xuất và loại sản phẩm sẽ được phục vụ cho những đối tượng tiêu dùng nào

2.2 Các biến đổi

Trong giai đoạn này, các biến đổi trong bản thân từng hạt cà phê nhân hầu như không xảy ra, chỉ có sự phân bố đồng đều các hạt trong toàn khối

2.3 Phương pháp thực hiện

Các loại cà phê khác nhau sẽ được phối trộn lại với nhau theo một công thức nào đó tạo nên hương vị đặc trưng riêng cho sản phẩm

Cà phê Arabica thường được đánh giá cao hơn về tính chất hương vị và thường được dùng để sản xuất cà phê rang xay Cà phê Robusta thường được sử dụng để sản xuất cà phê hòa tan hoặc phối trộn với cà phê Arabica để sản xuất cà phê rang xay

Chọn tỷ lệ Robusta : Arabica là 7:3

2.4 Thiết bị

Máy trộn thùng quay

Thùng chứa vật liệu được truyền động quay qua các trục được gắn với thùng Khi thùng quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, vật liệu trong thùng sẽ được nâng lên và rơi xuống tạo sự đảo trộn trong khối vật liệu

3 Rang

3.1 Mục đích: chế biến và bảo quản

Chế biến: trong quá trình rang cà phê, dưới tác động của nhiệt độ, các phản ứng hoá học sẽ diễn ra tạo nên hương vị màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm

Bảo quản: quá trình rang xảy ra ở nhiệt độ cao làm giảm độ ẩm của cà phê, tiêu diệt các vi sinh vật và ức chế các phản ứng hóa sinh

3.2 Các biến đổi

 Vật lý:

Trong quá trình rang nhiệt độ hạt cà phê tăng là do nhiệt lượng cung cấp từ tác nhân gia nhiệt và nhiệt lượng do các phản ứng hoá học bên trong hạt sinh ra Trong giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt lượng do các phản ứng nhiệt phân là không đáng kể Sau đó, nhiệt lượng sinh ra từ các phản ứng nhiệt phân sẽ tăng do cường độ các phản ứng tăng lên Nhiệt lượng này tăng mạnh khi nhiệt độ của hạt cà phê dao động trong vùng

1700C đến 2500C Để hạn chế hiện tượng tăng nhiệt này trong quá trình rang, khi rang đến nhiệt độ trong vùng nói trên, các nhà sản xuất cầøn giảm lượng nhiệt cung cấp từ bên ngoài bằng cách giảm lưu lượng tác nhân rang

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nước và một số chất có phân tử lượng thấp sẽ bay hơi, do đó làm trương nở và giảm khối lượng hạt cà phê, tỷ trọng hạt cũng giảm đi Các biến đổi này phụ thuộc vào giống, chất lượng cà phê nhân ngyên liệu, mức độ rang và phương thức rang Thể tích hạt sau khi rang có thể tăng lên 40-60% Cà phê Robusta trương nở ít hơn cà phê Arabica khi có cùng mức độ rang Cùng một giống cà phê, độ trương nở và mức độ giảm khối lượng hạt càng nhiều khi mức độ rang càng “đậm”, hay khi sử dụng phương thức rang nhiệt độ cao và thời gian ngắn Khối lượng hạt giảm còn do trong quá trình rang, lớp vỏ lụa bị tách ra Cà phê nhân được đánh bóng càng tốt trong quá trình chế biến sau thu hoạch thì mức độ giảm khối lượng do lớp vỏ lụa bị tách ra càng ít Hạt cà phê nhân có khối lượng riêng khoảng 1,25-1,3g/ml, sau khi rang có thể còn xấp xỉ 0,7g/ml

 Hóa lý:

Biến đổi hóa lý quan trọng nhất trong quá trình rang là hiện tượng bay hơi ẩm và các hợp chất dễ bay hơi làm giảm trọng lượng hạt Quá trình này làm cho cấu trúc bên trong hạt giòn và xốp

Trong quá trình rang, độ ẩm của hạt thay đổi từ 14-23% Các yếu tố ảnh hưởng:

 Độ ẩm cà phê nhân

 Giống cà phê

 Kỹ thuật rang

Ởû nhiệt độ 180-2200C, một lượng khí sinh ra (CO2, CO, H2O, ), hạt cà phê trở nên giòn, thể tích hạt tăng từ 50-80% phụ thuộc vào giống, độ ẩm, tốc độ rang…Đây cũng là một chỉ tiêu quan trọng trên quan điểm thương mại

 Hóa học:

Biến đổi hóa học là biến đổi quan trọng nhất trong quá trình rang Những biến đổi hóa học sẽ tạo ra các đặc trưng về hương vị cho cà phê thành phẩ.Các biến đổi hóa học diễn ra trong quá trình rang bao gồm:

Độ ẩm của hạt cà phê trước khi rang khoảng 12-13% (w/w) Độ ẩm cà phê sau khi

rang thường khoảng 1-2%, tùy thuộc vào mức độ rang

Sự tổn thất chất khô: Hàm lượng các chất khô trong quá trình rang sẽ giảm do các

phản ứng phân hủy Khi cà phê rang càng đâm, lượng chất khô giảm sẽ càng nhiều Thông thường, cà phê rang ở khoảng nhiệt độâ từ 180-240oC trong vòng 15-25 phút thì tổn thất về khối lượng là 16-18%

Bảng 17: Sự tổn thất chất khô theo mức độ rang

Mức độ rang Tổn hao chất khô(%)

Hàm lượng chất khô hòa tan: Trong quá trình rang, hàm lượng chất khô hòa tan

thường tăng lên Thông thường, hàm lượng chất khô hòa tan của cà phê Arabica sau khi rang xấp xỉ 30% (chất khô), còn lượng chất khô hòa tan của cà phê Robista thì có thể cao hơn 3-4% (xét trường hợp 2 cà phê co cùng mức độ rang) Để đạt được củng một mức độ rang, nếu thời gian rang càng ngắn thì hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê thành phẩm sẽ càng cao Ngoài ra, sự thay đổi hàm lượng chất khô hòa tan còn phụ thuộc vào mức độ rang(nhanh, chậm), thiết bị rang (thùng quay, tầng sôi)

Bảng 18: Hàm lượng chất khô hoà tan trong cà phê nhân và cà phê rang

Thành phần Cà phê nhân (%) Cà phê rang (%)

Protein: một phần bị phân hủy dưới nhiệt độ cao, một phần kết hợp với

hrydrocacbon và acid clorogenic tạo thành những chất màu nâu

Lipit: thay đổi không lớn so với hàm lượng cà phê nhân (giảm 1-2%) Dưới ảnh

hưởng của nhiệt, chất béo sẽ giải phóng khỏi các hợp chất protide hoặc glucide mà nó liên kết Chất béo tự do này đóng vai trò dung môi hòa tan hay cố định các phần tử hương thơm, là tác nhân bảo vệ các phần tử này chống lại sự ôxy hóa của ôxy môi trường

Đường: Các phân tử lớn sẽ bị phân cách, các phân tử nhỏ sẽ chuyển thành các hợp

chất bay hơi và tạo vị cho cà phê Một lượng glucide trọng lượng phân tử thấp cung cấp các acid bay hơi, các aldehyde và các hợp chất tạo hương khác

Acid: còn lại một phần sau quá trình rang (mất 30-70%) Các acid bay hơi đóng vai

trò quan trọng trong việc tạo hương và tạo vị (vị chua) cho cà phê

Các phản ứng tạo CO2, CO, N2 (đặc biệt là CO2) Quá trình rang cà phê sẽ giải phóng ra CO2, lượng CO2 này phụ thuộc vào mức độ rang, sự đảo trộn và cả phương pháp xác định tuy nhiên không phải tất cả các lượng CO2 sinh ra đều thoát ra ngoài mà còn một lượng bị giữ lại trong đống hạt Khối hạt cà phê sau khi rang có thể lưu lại 2 – 5mlCO2/g thậm chí đến 10mlCO2/g (chiếm khoảng 0,4 – 1% trọng lượng khối hạt), (xác định ở 20oC, 760mmHg) Lượng CO2 này sẽ từ từ thoát ra khỏi khối hạt Aùp suất gây bởi lượng CO2 lưu lại trong khối hạt có thể tính theo công thức:

với: Vr là thể tích rỗng khối hạt

Các phản ứng tỏa nhiệt: trong quá trình rang, có hiện tượng tỏa nhiệt của khối hạt,

nhiệt lượng này làm cho nhiệt độ rang thay đổi đáng kể, do đó cần theo dõi chặt chẽ để nhiệt đọâ rang không tăng quá cao so với tính toán Hiện tượng tỏa nhiệt này theo một số giả thiết thì nó liên quan đến sự hiện diện của thành phần saccharide đặc biệt là sucrose

Phản ứng maillard: tạo ra các hợp chất pyruvadehyde, 2,3-butanedione,

Sự phân hủy trigonelline:

Sựï phân hủy các acid phenolic:

Acid phenolic  hộ chất phenol đơn giản ( p-coumaricferrulic, sinapic caffeic)

Sựï phân hủy lipid:

Lipid  Aldehyde dễ bay hơi + các hợp chất khác

Sự phân hủy đường: Các phản ứng caramel hóa, phản ứng millard

Sự phân hủy acid amin chứa lưu huỳnh:

Acid amin chứa lưu huỳnh + đường khử  hợp chất bay hơi chứa lưu huỳnh

Sự phân hủy các acid amin chứa nhóm hydroxyl

Sự phân hủy các Proline và hydroxyproline tạo thành các hợp chất dễ bay hơi (phản ứng maillard) : pyridine, pyrrolizine

Giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi: phenol, pyrazine, furfuryl alcohol,

acetic acid, cyclopentanol

Trong quá trình rang, trigoneline sẽ mất đi một lượng lớn tạo thành các sản phẩm gồm Nicotinic (niacin), Nicotiamide và các chất thơm dễ bay hơi như là Pyridine và Pyrol

Nhiệt độ cao khi rang, đặc biệt là khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt kim loại nóng, sẽ gây ra những phản ứng hóa học không mong muốn, nhất là ở bề mặt cà phê (bề mặt cà phê có thành phần khác với phía trong nhân) ví dụ như quá trình than hóa

 Hóa sinh và vi sinh:

Do nhiệt độ hạt rất cao nên sau quá trình rang, các enzyme và vi sinh vật bị vô hoạt hoàn toàn

 Cảm quan:

Đầu tiên, bề mặt hạt cà phê dần trơn và nhẵn Sau đó, bề mặt hạt sẽ khô và bắt đầu xuất hiện các vết nứt Cuối cùng, bề mặt hạt sẽ bóng lên do dầu bên trong nhân cà phê thoát ra ngoài bề mặt Trong quá trình rang, có hai thời điểm quan trọng Đó là khi bề mặt hạt cà phê xuất hiện vêt nứt thứ nhất và vết nứt thứ hai Đây là các đặc điểm quan trọng để đánh giá mức độ rang của cà phê

Màu sắc của hạt cà phê sẽ biến đổi dần từ màu xanh xám sang màu vàng nhạt, vàng đậm, nâu cánh gián, nâu đen và cuối cùng có màu đen đậm Đây chính là cơ sở để phân cấp mức độ rang cà phê

Hình 2: Đánh giá mức độ cảm quan của hạt cà phê khi rang

Bảng 19: Đánh giá mức độ cảm quan so với mức độ rang

Rang sáng – rang sơ Màu nâu sáng đến nâu vàng (màu quế)

Hương vị nhẹ, độ acid thấp Bề mặt hạt khô

Rang nhẹ vừa Màu nâu sáng vừa

Độ acid rõ và hương vị tăng nhẹ Bề mặt hạt khô

Độ acid và hương vị tăng Hầu hết các hạt vẫn khô

Rang hơi đậm – rang hơi

kỹ

Màu nâu tối Bề mặt có sự hiện diện của những hạt dầu nhỏ Độ acid giảm nhẹ và hương vị mạnh nhất Độ rang này thích hợp cho cà phê expresso

Rang đậm – rang kỹ Màu đen hoặc nâu đen

Hạt cà phê có những đốm dầu hay cả hạt đều có dầu

Hương vị giảm trong khi độ béo tăng mạnh

Rang rất đậm – rang rất

kỹ

Hạt màu đen với bề mặt phủ đầy dầu Hương vị giảm rất mạnh, độ béo cũng giảm Đây là kiểu rang cà phê expresso ở Mỹ

3.3 Phương pháp thực hiện:

Quá trình rang được thực hiện ở áp suất thường Tác nhân cung cấp nhiệt cho quá trình rang: không khí, bề mặt kim loại nóng hay các tia bức xạ Hiện nay, không khí nóng được sử dụng phổ biến hơn, bề mặt kim loại chỉ được dùng như tác nhân phụ bổ sung cho không khí nóng

Phương pháp rang thùng quay liên tục: Cấu tạo thiết bị gồm có một thùng quay được

gắn vào một trục động cơ Tác nhân rang thường dùng là không khí nóng; không khí nóng tuần hoàn Bên trong thùng quay có cơ cấu vis tải để đảm bảo cho cà phê di chuyển trong thùng quay từ đầu vào đến đầu ra

Trong thiết bị rang có bộ phận làm nguội bằng không khí lạnh nhằm hạ nhiệt độ khối cà phê xuống nhanh sau khi đã đạt được mức độ rang cần thiết Do cà phê sau quá trình rang có nhiệt độ cao làm cho các hợp chất tạo hương mới sinh ra tiếp tục bay hơi làm thất thoát hương Vì vậy, để tránh thất thoát hương, cần làm nguội nhanh sản phẩm

3.4 Thiết bị:

Hình 3: Thiết bị rang thùng quay liên tục

 Các thông số công nghệ:

 Nhiệt độ của hạt cà phê nên nằm trong giới hạn 180-240oC

 Thời gian rang được xác định theo mức độ rang mong muốn và nhiệt độ thực hiện quá trình rang; không vượt quá 1 giờ

 Quá trình làm nguội sẽ kết thúc khi nhiệt độ hạt bằng nhiệt độ môi trường

4 Nghiền

4.1 Mục đích: chuẩn bị

Quá trình nghiền cà phê rang có mục đích chính là giảm kích thước của hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn có của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích

ly khi sản xuất cà phê hòa tan hoặc trong quá trình pha chế cà phê khi sử dụng

Ngoài ra, mục đích của quá trình nghiền còn nhằm tạo điều kiện cho một số khí (đặc biệt là CO2) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại bên trong hạt sẽ thoát ra ngoài, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bao gói

4.2 Các biến đổi

 Vật lý:

 Sự giảm kích thước hạt của cà phê từ hạt rắn sang dạng bột rắn khô

 Giảm khối lượng toàn hạt và tăng khối lượng riêng xốp lượng do khí CO2, hơi nước và các chất dễ bay hơi tạo thành từ giai đoạn rang tiếp tục được giải phóng

 Sự gia tăng nhẹ nhiệt độ do ma sát

 Sự tách tiếp tục lớp vỏ còn chưa được tách ra trong quá trình rang

4.3 Phương pháp thực hiện

Hạt cà phê sau khi rang cần lực cắt hơn là lực xé hay lực ép, do đó thiết bị xay thường sử dụng là các con lăn có răng cưa để cắt với nhiều kiểu dáng khác nhau Ngoài ra còn có nhiều loại thiết bị khác để tạo cà phê hạt mịn hay cà phê dạng bông (thường có lợi cho quá trình ủ sau này)

Hạt cà phê sau khi nghiền không nên còn quá thô vì thời gian trích ly bằng nước các chất rắn hòa tan và các cấu tử dễ bay hơi sẽ lớn, nhưng cũng không nên quá mịn có thể làm nghẹt lọc

Trong khi nghiền nên thêm một ít nước (bằng cách phun ẩm) để tạo thuận lợi cho quá trình trích ly bằng nước sau này Theo nghiên cứu, lượng nước thêm vào trong giai đoạn này tốt nhất là khoảng 7%

Người ta có thể sử dụng phương pháp nghiền lạnh đông Theo cách này, hạt cà phê sẽ được xay mịn hơn và lượng cấu tử hương thất thoát sẽ giảm xuống (trong quá trình xay

ở nhiệt độ thường, sự ma sát sẽ làm tăng nhiệt độ cà phê)

Khí thoát ra có thể được thu hồi và sử dụng ở các giai đoạn sản xuất sau và trong quá trình bao gói

Lớp vỏ bong ra có thể bị bỏ đi hay được tận dụng để phối trộn với cà phê bột lúc sau nhằm tận thu hết những chất dầu thấm ra vỏ trong quá trình rang và khống chế khối lượng riêng thể tích của khối bột sau nghiền

Thiết bị nghiền cà phê là các loại máy nghiền hạt (đôi khi còn được gọi là máy xay) Sau quá trình nghiền, bột cà phê được đưa tới ray Các thành phần có kích thước quá lớn sẽ được hoàn lưu trở về máy nghiền Hai loại máy nghiền thường được sử dụng là máy nghiền trục trơn và máy nghiền răng

4.4 Thiết bị:

Thiết bị nghiền trong công nghiệp được thiết kế nhiều trục nghiền răng có tốc độ quay khác nhau Trên bề mặt các trục quay có tốc độ cao có các răng cưa hình chữ U nằm nghiêng, còn trên bề mặt trục quay tốc độ thấp có các răng cưa hình chữ U thẳng đứng Hai trục quay với tốc độ khác nhau sẽ tạo thành một cặp, giữa mỗi cặp sẽ có 1 khoảng cách thích hợp với mức độ nghiền Đi từ trên xuống dưới, mức độ nghiền sẽ đi từ thô sang tinh

Hình 4: Thiết bị nghiền trục

 Độ ẩm nguyên liệu vào: 1-2%

 Kích thước hạt sau nghiền: 1000 m

5 Trích ly

5.1 Mục đích: Khai thác

Quá trình này nhằm khai thác các chất hòa tan trong bột cà phê Đây là giai đoạn

quan trọng, quyết định đến chất lượng, hương vị và cả sản lượng cà phê hòa tan

5.2 Các biến đổi :

 Vật lý:

Sự thay đổi về khối lượng riêng, thể tích, nhiệt độ của dung dịch và bã cà phê

 Hóa lý:

 Độ ẩm của bột cà phê tăng

 Độ nhớt dung dịch tăng

 Có sự chuyển pha của các chất rắn hòa tan trong cà phê thành lỏng

 Có sự thất thoát các cấu tử mùi

 Một phần protein bị kết tủa do biến tính bất thuận nghịch

 Hóa học: