Tổng quan về cà phê
Đặc tính thực vật
Trong điều kiện trồng hiện nay, cây cà phê thường được hãm ngọn 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, cuống lá ngắn Rễ cà phê thuộc dạng rễ cọc, có khả năng đâm sâu vào đất từ 1-2m, đồng thời phát triển hệ thống rễ phụ nằm sát mặt đất để hút chất dinh dưỡng.
Hoa cà phê có màu trắng và thường nở thành chùm với 5 cánh Trong tự nhiên, hoa nở rải rác quanh năm, nhưng trong trồng trọt, người ta thường tưới vào đầu mùa khô để kích thích hoa nở đồng loạt Thời gian nở của hoa kéo dài từ 3-4 ngày, trong khi thời gian thụ phấn chỉ diễn ra trong 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 và giống như quả anh đào Khi chín, màu sắc của quả chuyển từ xanh sang vàng và cuối cùng là đỏ Mỗi quả cà phê thường 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 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, và đôi khi chỉ có một hạt do sự kết dính giữa hai hạt.
Hình 1: Mô tả cây cà phê và hạt cà phê
Cây cà phê bắt đầu ra quả sau 3-4 năm trồng, với những đợt quả đầu tiên thường được gọi là quả bói Trong giai đoạn này, nông dân thường vặt bỏ hoa để cây tập trung phát triển cành lá Sau năm thứ 4, việc thu hoạch sẽ được tiến hành đại trà, đánh dấu giai đoạn kinh doanh Vườn cà phê thường chuyển sang giai đoạn già cỗi sau 20-25 năm, lúc này cần trồng mới hoặc ghép chồi để cải tạo Thời gian thu hoạch cà phê diễn ra từ tháng 10 đến hết tháng 1, với đỉnh điểm vào tháng 11, khi quả bắt đầu chuyển sang màu đỏ Sau khi thu hoạch, cà phê sẽ được phơi khô và xay để tách phần nhân, trong khi vỏ 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 hiện đại, linh hoạt, biến thức ăn dạng lỏng thành bột khô bằng cách phun nguồn cấp dữ liệu trong dòng khí nóng Công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ, trở thành giải pháp thân thiện cho ngành công nghiệp, với nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm và dược phẩm.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, sấy phun được sử dụng 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 Một ứng dụng mới nổi của công nghệ này là bao gói các thành phần thực phẩm Tùy thuộc vào bản chất và đặc tính của nguyên liệu cũng như điều kiện sấy phun, có thể tạo ra nhiều sản phẩm sấy phun đa dạng.
Sấy phun là một công nghệ tiên tiến tạo ra sản phẩm chất lượng cao với khả năng kiểm soát tốt các đặc điểm, từ đó nâng cao chức năng và hiệu suất sản phẩm Quá trình này đặc biệt nổi bật với việc sản xuất các hạt bột xốp và có hình dạng cầu, mang lại tính phân tán và hòa tan vượt trội, giúp cải thiện khả năng làm ướt và phân tán trong ứng dụng thực tế.
Các sản phẩm cuối cùng có độ ẩm thấp và mật độ khối cao, giúp kéo dài thời gian sử dụng và giảm chi phí đóng gói 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 Sản phẩm sấy phun có chất lượng và chức năng cao nhờ thời gian sấy ngắn và bảo vệ các hạt trong quá trình làm mát Những yếu tố này bảo vệ các thành phần thực phẩm nhạy cảm với nhiệt, giúp duy trì hoạt tính sinh học và các đặc tính chức năng trong sản phẩm 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 để phát triển các sản phẩm tăng cường sức khỏe như thực phẩm chức năng và dinh dưỡng.
Sấy phun là một kỹ thuật sấy hiệu quả về kinh tế và thương mại, thường được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp để tạo ra bột số lượng lớn Quá trình này diễn ra trong các buồng sấy lớn, hay còn gọi là tháp sấy, cho phép đạt được năng suất cao khi hoạt động liên tục và xử lý khối lượng lớn.
2.1.2 Phân loại 2.1.2.1 Theo chiều của tác nhân sấy
Trong buồng sấy phun, không khí và giọt phun có thể tương tác theo ba cách: dòng cùng dòng, ngược dòng hoặc dòng hỗn hợp, tùy thuộc vào hướng của 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 không khí Hầu hết các máy sấy phun công nghiệp hiện nay 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 đặt ở trên cùng để phun xuống Thiết kế này lý tưởng cho các vật liệu nhạy cảm với nhiệt, vì không khí nóng tiếp xúc với giọt ẩm cao nhất, 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 thiết kế này là chiều cao buồng sấy tương đối lớn Khi dung dịch được phun từ dưới lên, hạt nhỏ sẽ bị dòng khí cuốn lên trên, trong khi hạt nặng di chuyển chậm hơn và lắng xuống cửa đáy Chiều cao buồng sấy được xác định theo 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 hướng ngược nhau, với bộ phun đặt ở trên cùng và không khí đi vào từ dưới Máy phun sương thường được sử dụng do khả năng điều chỉnh năng lượng của tia phun để hướng ngược lại dòng không khí, mang lại lợi ích về tốc độ bay hơi nhanh và hiệu quả năng lượng cao hơn so với máy sấy cùng dòng Tuy nhiên, việc sử dụng máy sấy ngược dòng bị hạn chế cho các vật liệu chịu nhiệt, vì nhiệt độ thoát ra gần với nhiệt độ không khí đầu vào Kích thước hạt sương cần đủ lớn để đảm bảo vận tốc lắng thắng vận tốc dòng tác nhân sấy Hạt sẽ đi xuống, được tách ẩm và thoát ra từ cửa đáy, trong khi khí thải ra từ cửa đỉnh Do cấu trúc ngược chiều và vận tốc hạt chậm, sản phẩm có thể đạt độ khô thấp và dễ bị cháy nếu nhiệt độ tác nhân sấy quá cao Nếu dung dịch được phun từ dưới lên, quá trình sẽ bắt đầu với sấy ngược chiều và sau đó chuyển sang cùng chiều.
Sản phẩm khô đều nhờ kích thước hạt nhỏ hơn, với sản phẩm mịn được thu thập từ phía đáy, trong khi khí thải được thải ra qua cửa bên và dẫn đến thiết bị thu hồi.
Máy sấy phun kết hợp
Máy sấy phun dòng hỗn hợp kết hợp cả dòng đồng và dòng ngược dòng, với không khí vào từ phía trên và bộ phun ở dưới phun lên 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, máy 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 vào buồng sấy sau khi quá trình sấy hoàn tất Thiết kế này đặc biệt quan trọng khi xử lý thực phẩm kết hợp với dung môi hữu cơ dễ cháy, vì nó giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, ô nhiễm và độc hại từ hơi, mùi và phát thải hạt Bên cạnh đó, sấy phun chu trình kín cũng tối ưu hóa việc thu hồi dung môi, cho phép sản xuất các sản phẩm không chứa dung môi và bảo vệ sản phẩm khỏi 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 môi trường xung quanh Không khí này được làm nóng và chuyển qua buồng sấy phun trước khi thoát ra ngoài sau quá trình tách Thiết bị này hiện đang được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Máy sấy phun chu trình nửa kín nửa mở
Máy sấy phun bán kín kết hợp chu trình đóng và mở, với 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, giới hạn không khí vào mức cần thiết cho quá trình đốt cháy Khí tái chế trong máy sấy phun chủ yếu là sản phẩm của quá trình đốt cháy, có hàm lượng oxy thấp, phù hợp với vật liệu nhạy cảm với oxy, đồng thời 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, 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 xyclon Mỗi bước trong quy trình này tạo thành một hoạt động kỹ thuật phức tạp, yêu cầu sự cân bằng hoàn hảo 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 giữa các giọt và không khí nóng làm tăng nhanh nhiệt độ của giọt nước, dẫn đến bay hơi nhanh chóng Quá trình làm khô hoàn tất chỉ trong vài giây, trước khi các giọt nước chạm vào thành buồng sấy Các hạt khô sau đó lơ lửng trong không khí và được đưa vào thiết bị tách, như xyclon và bộ lọc túi, nơi chúng được loại bỏ khỏi không khí và thu gom để đóng gói hoặc xử lý thêm Thông tin chi tiết về lý thuyết của từng bước trong quá trình này có thể tìm thấy trong các tài liệu tham khảo khác.
Hệ phân tán mịn được hiểu là nguyên liệu từ chất lỏng hòa tan, nhũ tương, huyền phù với 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 bay hơi nhanh chóng Cuối cùng, các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ 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 hiệu quả để tạo ra các loại bột với hình thức hạt hoặc dạng 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, đáp ứng nhu cầu cho các 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 bằng cách điều chỉnh nhiệt độ và thời gian tiếp xúc, giúp bảo tồn 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 hạn sử dụng lâu dài nhờ vào hoạt độ nước thấp Chúng rất dễ bảo quản và thuận tiện trong quá trình chuẩn bị.
- 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 giữ được hương vị gần giống với nguyên liệu tươi.
Sấy phun là một phương pháp hiệu quả, cho phép xử lý khối lượng lớn nguyên liệu với khả năng kiểm soát quá trình tốt Tốc độ cung cấp nguyên liệu có thể thay đổi đáng kể, 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 chứa nhiều đường và axit hữu cơ, như trái cây và một số loại rau, thường gặp khó khăn trong quá trình phun khô do bột của chúng dễ bám vào thành buồng sấy Vấn đề này, được gọi là “độ dính”, có thể gây ra hiện tượng kết tụ và hình thành 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
Kiểm soát kích thước giọt trong quá trình sấy phun là một thách thức quan trọng, vì điều này có thể gây ra sự không đồng đều trong quá trình sấy khô, dẫn đến hình thái và cấu trúc vi mô không đồng nhất của các hạt.
Nhiệt độ trên 100º C có thể làm mất đi các thành phần bền nhiệt như vitamin B1, C, anthocyanin, lycopen và vi khuẩn probiotic, đồng thời 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 tình trạng 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 trong sản xuất vật liệu dạng bột, việc thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn là vô cùng cần thiết.
Chất lượng sản phẩm sấy phun thường bị ảnh hưởng bởi các thách thức như độ dính, đóng cục, lắng đọng thành, kết tinh và hút ẩm Độ dính và đóng cục làm giảm độ chảy của bột, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng thu hồi sản phẩm Để khắc phục, có thể điều chỉnh các thông số sấy phun, bao gồm thành phần thức ăn chăn nuôi và sử dụng chất hỗ trợ như polyme Một số sản phẩm như trái cây và cà chua khó sấy khô do chứa nhiều đường và chất rắn hòa tan, dễ bám vào buồng sấy Các biện pháp giảm độ dính bao gồm làm khô ở nhiệt độ thấp hơn "điểm dính" và sử dụng không khí đã hút ẩm Thêm polyme như polysaccharid hoặc protein cũng có thể tăng điểm dính Các kỹ thuật sấy phun cải tiến như sấy phun hỗ trợ siêu âm, chân không và không khí hút ẩm đã nâng cao khả năng phun 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 là bước 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 làm sạch là nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng, đồng thời đảm bảo thuận lợi cho các giai đoạn sản xuất tiếp theo Các tạp chất này nếu không được loại bỏ có thể ảnh hưởng xấu đến tính chất cảm quan của sản phẩm và giảm năng suất của thiết bị.
Phương pháp thực hiện quá trình chế biến cà phê bao gồm phân loại theo kích thước, khối lượng riêng và màu sắc Việc làm sạch được thực hiện bằng cách sử dụng sàng, máy tách kim loại hoặc nước để khử mùi hạt cà phê Quá trình phân loại giúp loại bỏ các hạt cà phê không đạt tiêu chuẩn về kích thước và tỷ trọng, từ đó đảm bảo sự đồng đều trong quá trình rang Rửa sạch cà phê trước khi đưa vào máy không chỉ nâng cao năng suất mà còn tăng độ bền của thiết bị, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm.
Mục đích của việc trộn các loại cà phê trong sản xuất cà phê rang xay là để đa dạng hóa sản phẩm và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Thông thường, cà phê Arabica và Robusta được pha trộn với nhau, với tỉ lệ phối trộn 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 của 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 dẫn đến sự biến đổi màu sắc và hình thành các tính chất đặc trưng về màu sắc và mùi vị 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, hạt cà phê thường có độ bền cơ học giảm và độ giòn tăng, khiến cho hạt dễ bị vỡ trong quá trình nghiền.
Quá trình rang cà phê diễn ra trong nhiều loại thiết bị với mức độ cơ giới và nhiên liệu khác nhau, như thùng đứng có trục khuấy hoặc tay đảo, đi kèm với ống lấy mẫu và cửa quan sát Sau khi rang, cà phê được làm nguội nhanh chóng bằng thùng hoặc băng tải để đảm bảo chất lượng Quá trình này không chỉ tạo ra những biến đổi về tính chất cơ lý của hạt cà phê mà còn giúp cho việc nghiền cà phê sau đó trở nên dễ dàng hơn.
Sử dụng nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian nhất định là phương pháp hiệu quả để tạo ra sự biến đổi hương vị và chất lượng của hạt cà phê Quá trình này diễn ra thông qua ba phương thức truyền nhiệt chính: bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt, mỗi phương thức đều đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đặc tính cuối cùng của cà phê.
Rang cà phê là quá trình 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 quá trình rang, cà phê cần được làm nguội ngay để bảo toàn hương vị.
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 của nguyên liệu sẽ bị tổn thất đáng kể Trong quá trình rang, màu sắc của nguyên liệu sẽ chuyển biến từ nhạt sang đậm.
Cà phê rang nhạt, còn gọi là cà phê rang quế, có màu nâu vàng tương tự như vỏ cây quế thường gặp ở Đông Nam Á Khi được rang, hạt cà phê mất khoảng 3-5% khối lượng chất khô, mang đến hương vị chua dịu Mặc dù cà phê không có vị đậm đà, nhưng những hương vị lạ vẫn giữ nguyên và dễ nhận biết khi nếm thử Vì lý do này, cà phê rang nhạt thường được sử dụng 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, nổi bật với màu nâu vừa, nằm giữa socola đậm và socola sữa Bề mặt hạt khô, không có dầu tiết ra, mang đến hương vị đậm đà và chua nhẹ khi pha Ở giai đoạn này, hạt cà phê chứa đầy đủ các hợp chất tạo ra mùi 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 các vết dầu lốm đốm Loại cà phê này thường mất đi khoảng 8% khối lượng khô trong quá trình rang.
Cà phê rang đậm kiểu Ý và kiểu Pháp thường có bề mặt hạt tiết ra nhiều dầu, nhưng chưa bóng láng và ít vị chua Hạt cà phê có màu nâu đậm, chưa đạt đến mức đen hoàn toàn Phương pháp này phổ biến tại Pháp, với hạt cà phê mất từ 8 đến 12% chất khô trong quá trình rang.
Cà phê rang rất đậm, hay còn gọi là rang cháy, là loại cà phê được sử dụng chủ yếu cho máy pha chế espresso đặc biệt Để đạt được hương vị tối ưu, hạt cà phê cần được rang rất đậm và xay mịn, giúp trích ly nhanh chóng các chất tan trong bột cà phê chỉ trong vài giây Hạt cà phê rang đậm thường có nhiều dầu trên bề mặt, khiến chúng bóng láng và có màu đen Nếu tiếp tục rang, dầu sẽ biến mất, và hạt cà phê sẽ giống như than.
Cà phê Robusta thường được sử dụng với 14 rang khác nhau, trong khi cà phê Arabica hiếm khi áp dụng phương pháp này Nhiệt độ rang cao có thể làm mất đi hương thơm của Arabica, nhưng lại cần thiết để tăng cường hương vị đặc trưng của Robusta.
Hình 6: Màu sắc cà phê qua các quá trình rang
Thiết bị dùng trong sản xuất cà phê sấy phun
Trích ly
Cà phê sau khi thu hoạch trải qua quy trình phơi khô, xay tách vỏ để lấy hạt nhân, sau đó được rang xay và trích ly Quá trình trích ly sử dụng nước nóng để hòa tan các chất có trong cà phê, tạo thành dung dịch chiết với nồng độ chất hòa tan khoảng 25 - 35% Cuối cùng, dung dịch này 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 tạo thành dung dịch ở đỉnh tháp, và để tăng lượng chất tan tại đây, bột cà phê 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, các chất hương được trích ly ở nhiệt độ thấp hơn 120 o C trong 15-20 phút; lần thứ hai, các hợp chất thủy phân được trích ly với tốc độ nước gấp đôi so với phương pháp thông thường Việc trích ly nhiều lần giúp hạn chế bột mịn tan vào nước, đạt nồng độ dung dịch cà phê lên đến 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 lắng đọng và bay hơi các chất thơm, sau đó được lọc và sấy khô để tạo ra bột cà phê hòa tan.
Thời gian trích ly cà phê càng dài thì quá trình trích ly càng triệt để, nhưng nếu cà phê tiếp xúc với nước nóng quá lâu sẽ ảnh hưởng xấu đến mùi vị 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 hơn, nhưng bột cà phê quá mịn có thể gây khó khăn trong việc lắng và lọc Nhiệt độ là yếu tố quyết định, khi nhiệt độ tăng, tốc độ khuếch tán và độ nhớt giảm, giúp các chất hòa tan di chuyển dễ dàng hơn Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây ra những phản ứng bất lợi cho hương vị và màu sắc của cà phê, vì vậy cần phải kiểm soát mức nhiệt độ một cách hợp lý.
Lọc
Máy lọc ép khung bản là thiết bị 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 nhiệm vụ hút và nén dung dịch 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 trong khi nước lọc được tháo ra một cách liên tục Tuy nhiên, bã sẽ được tháo ra theo chu kỳ.
Khung và bản là hai thành phần chính của thiết bị lọc Khung giữ bã lọc và là nơi tiếp nhận huyền phù, trong khi bản tạo ra bề mặt lọc với các rãnh hoặc lỗ để dẫn nước lọc Cả khung và bản thường được thiết kế hình vuông và cần được bịt kín tốt khi ghép lại Nước lọc chảy ra từ bản qua hệ thống ống dẫn ra ngoài, trong khi bã được giữ lại trên bề mặt vách ngăn 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 áp dụng hệ thống sưởi nhẹ nhàng với thời gian lưu trú chỉ 25 giây trong cột, giúp ngăn chặn sự suy giảm nhiệt của sản phẩm chế biến và đảm bảo hương vị tối ưu cho từng sản phẩm.
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, từ đó làm cho dung dịch trở nên đậm đặc và sánh hơn Quá trình này không chỉ cải thiện tính chất của dung dịch mà còn tối ưu hóa hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Quá trình tách nước (dung môi) trong điều kiện chân không giúp giữ lại các chất không bay hơi trong dung dịch Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào áp suất; khi cô đặc ở áp suất khí quyển, nước sôi ở 100°C, nhưng ở áp suất chân không, nhiệt độ này sẽ thấp hơn và có thể dao động từ 1-100°C tùy vào áp suất chân không Áp suất chân không tối đa trong quá trình cô đặc do máy cô đặc chân không tạo ra là 760 mmHg (1 atm), tương đương với 10m nước hoặc 101325 Pa Do đó, khi sử dụng máy cô đặc chân không, việc điều chỉnh áp suất là cần thiết để đạt được năng suất bay hơi và điều kiện chân không mong muốn.
Cô đặc chân không sử dụng hơi đốt ở áp suất thấp, mang lại lợi ích khi tận dụng hơi thải từ các quá 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, nhựa hóa hay đường hóa Hơn nữa, nhiệt độ sôi thấp trong quá trình cô đặc chân không giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh so với việc cô đặc ở áp suất thường.
Hình 11: Thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị là quá trình bay hơi diễn ra với dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 o C ở áp suất chân không, giúp dung dịch tuần hoàn hiệu quả, ít cặn và bay hơi liên tục Nguyên liệu được đưa vào nồi cô đặc, nơi áp suất giảm nhờ bơm chân không, làm giảm nhiệt độ sôi Động cơ cánh khuấy giúp đảo trộn nguyên liệu, trong khi hơi được cấp vào để gia nhiệt, dẫn đến quá trình trao đổi nhiệt và bay hơi nước trong nguyên liệu Hơi nước sau đó được chuyển sang nồi thứ hai, nơi dung dịch tách ra theo phương pháp tuần hoàn Phần dưới thiết bị có buồng đốt với ống truyền nhiệt, trong khi dung dịch chảy từ trên xuống nhận nhiệt từ hơi nước bão hòa Hơi ngưng tụ được dẫn qua bẫy hơi, và buồng bốc ở phía trên giúp tách hơi khỏi dung dịch, đồng thời có bộ phận tách bọt để loại bỏ giọt lỏng.
Sấy phun
Sấy phun là một kỹ thuật sấy kinh tế và thương mại, thường được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất bột số lượng lớn thông qua các buồng sấy hay tháp sấy Quy trình này cho phép đạt năng suất cao khi diễn ra liên tục và xử lý khối lượng lớn Bài viết sẽ tổng quan về sấy phun, nguyên tắc hoạt động, ưu điểm và hạn chế, các thành phần và cấu hình của 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 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 quá trình này tạo thành một hoạt động kỹ thuật phức tạp, do đó, cần kiểm soát đầy đủ các đặc tính của nguyên liệu và điều kiện sấy phun 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 phóng vào một dòng không khí nóng Dòng không khí này hoạt động như một môi trường làm khô, giúp thúc đẩy quá trình sấy khô 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 khi phun dao động từ 10 đến 200 micromet.
Trong giai đoạn 2 và 3 của quá trình sấy, nguyên liệu được trộn với sương mù và dòng tác nhân sấy trong buồng sấy, giúp tách ẩm ra khỏi nguyên liệu một cách hiệu quả Việc phun sương tạo ra diện tích tiếp xúc lớn giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy, dẫn đến việc ẩm trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóng trong khoảng thời gian từ vài giây đến hai chục giây Sự tiếp xúc giữa các giọt nước và không khí nóng làm tăng nhiệt độ của giọt nước, khiến nước bay hơi nhanh và làm khô nguyên liệu Toàn bộ quá trình sấy hoàn tất trong vài giây, thậm chí trước khi các giọt nước chạm vào thành buồng sấy.
Giai đoạn 4 trong quy trình sấy phun là giai đoạn thu hồi sản phẩm, nơi các hạt khô được tách ra khỏi dòng không khí sấy Những hạt này, sau khi lơ lửng trong không khí, sẽ chảy vào thiết bị tách như cyclone hoặc bộ lọc túi, giúp loại bỏ chúng khỏi không khí Phương pháp tách sản phẩm phổ biến nhất là sử dụng cyclone, mặc dù cũng có thể áp dụng túi lọc hoặc phương pháp kết tủa trong trường tĩnh điện Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun thường dao động từ 90% đến 98%.
4.5.2 Cấu tạo máy sấy phun
Hệ thống phun sương bao gồm nhiều thành phần quan trọng như cơ cấu phun sương, quạt hút, caroliphere cung cấp nhiệt cho tác nhân sấy, buồng sấy, và các bộ phận thu hồi sản phẩm như cyclone và lọc túi Trong đó, cơ cấu phun sương và buồng sấy phun là hai bộ phận đặc trưng nhất của hệ thống sấy phun, trong khi các bộ phận còn lại tương tự như các hệ thống sấy khác.
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 4: Buồng sấy (tháp sấy) 5: Lọc dung dịch sấy
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 những thiết bị bổ sung quan trọng như: thiết bị chứa dịch trích cà phê, thiết bị lọc dịch cà phê trước khi phun sương, bơm cao áp để nhập liệu, calorife để gia nhiệt không khí, cyclone vận chuyển sản phẩm và hệ thống màng lọc.
Cơ cấu phun sương là trung tâm của 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, đóng vai trò quan trọng trong máy sấy phun Mục tiêu chính của nguyên tử hóa là tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích để đạt được quá trình sấy nhanh chóng Việc hình thành giọt nhỏ từ chất lỏng khối lượng lớn giúp tối ưu hóa quá trình này, dẫn đến tổn thất tối thiểu các hợp chất và bảo toàn các hạt nhạy cảm với nhiệt, giữ được hình thái và đặc tính lý hóa như mong muốn.
Cơ cấu phun trong quá trình sấy phun đóng vai trò quan trọng, không chỉ đưa nguyên liệu vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn mà còn tạo ra sương mù, tăng cường sự tiếp xúc giữa hai pha Việc phun nguyên liệu thành hạt nhỏ giúp nâng cao cường độ sấy, rút ngắn thời gian và cải thiện chất lượng sản phẩm Có nhiều dạng cơ cấu phun như phun áp lực, phun bằng khí động và đầu phun ly tâm Các máy phun ly tâm hoặc máy phun chất lỏng áp suất cao thường được sử dụng trong quy mô lớn, trong khi máy phun khí nén, máy phun siêu âm và máy phun tĩnh điện phù hợp cho các cơ sở nhỏ hơn Sự lựa chọn cơ cấu phun ảnh hưởng lớn đến đặc tính và chất lượng của sản phẩm khô cuối cùng, với kích thước giọt thay đổi theo loại máy và thông số nguyên tử hóa Điều chỉnh tốc độ dòng cấp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quá trình sấy khô giọt 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, nơi đĩa quay quanh trục đối xứng nhờ động cơ hoặc khí nén Sự quay của đĩa kết hợp với khí nén tạo ra dòng lỏng va đập vào các rãnh, phân tán thành các hạt sương có đường kính trung bình từ 8 đến 18 µm vào buồng sấy Góc phun là 1800, hạt sương di chuyển ngang và khi va chạm vào thành buồng sấy, chúng thay đổi phương đột ngột, tạo ra bụi sương sấy rối di chuyển xuống đáy và được hút vào cyclone thu hồi sản phẩm bởi quạt hút Tốc độ quay của đĩa khi sử dụng khí nén khoảng 10,000 đến 30,000 vòng/phút, trong khi khi sử dụng động cơ, tốc độ quay dao động 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 đĩa, tạo thành các giọt hình cầu nhỏ Các giọt này di chuyển theo đường xoắn ốc dưới tác động của 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, nhưng tỷ lệ nghịch với tốc độ và đường kính bánh xe, với đường kính từ 25-30cm và tốc độ từ 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, với các rãnh thường có dạng hình tròn, oval hoặc hình chữ nhật Rãnh thẳng xuyên tâm là tiêu chuẩn cho sản phẩm yêu cầu đồng đều hạt, trong khi rãnh cong thường được sử dụng cho sản phẩm có tỉ trọng cao Số lượng và kích thước rãnh ảnh hưởng đến năng suất thiết bị, với năng suất tối đa có thể đạt tới 200 tấn/giờ Đối với thiết bị có năng suất cao, thường có hai hàng rãnh xen kẽ để tăng số 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, hoạt động bằng cách sử dụng áp suất cao để buộc chất lỏng qua một lỗ vòi phun nhỏ, tạo ra dòng chảy với tốc độ lớn Ma sát giữa chất lỏng và không khí làm gián đoạn dòng chảy, biến nó thành các giọt nhỏ Kích thước giọt trung bình (120–250µm) tỷ lệ thuận với tốc độ nạp liệu và độ nhớt, trong khi đó tỷ lệ nghịch với áp suất nguyên tử hóa, có thể lên đến vài trăm bar.
Nguyên tắc hoạt động của vòi phun là dòng lỏng được nén đến áp suất 5-7MPa và đi vào vòi phun với tốc độ lớn Đường kính lỗ vòi phun dao động từ 0.4-4mm 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 bị phân tán thành các hạt nhỏ có kích thước từ 10-20mm Để tăng áp suất, nhiều vòi phun được bố trí cùng nhau.
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 hoạt động dựa trên nguyên tắc thổi tung nguyên liệu bằng khí nóng trong bồn có sự chênh áp, giúp đồng đều độ ẩm của nguyên liệu Thiết bị này hoàn toàn tự động và được cài đặt các thông số kỹ thuật để tối ưu hóa quy trình Máy sấy này được ứng dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp, đặc biệt trong ngành thực phẩm và dược phẩm, để tạo hạt cho các sản phẩm dạng bột, hạt, cốm Quá trình tạo hạt kết hợp với bơm lưu động và súng phun, có thể lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau trong bồn sấy.
Không khí được gia nhiệt và làm sạch sẽ được dẫn vào từ dưới qua máy dẫn gió, đi qua tấm lưới vào bình chứa nguyên liệu và sau đó vào buồng làm việc của tháp chính Sau khi nước bay hơi nhanh chóng, khí thải sẽ được dẫn ra ngoài, trong khi dịch cao lỏng được bơm qua hệ thống phun sấy để tạo thành bột khô Trong suốt quá trình sấy tạo hạt tầng sôi, các hạt luôn duy trì trạng thái khô.
Dễ dàng lấy mẫu kiểm tra chất lượng sản phẩm ngay cả khi máy đang hoạt động Thiết bị cho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ buồng sấy và lưu lượng dung dịch từ súng phun, giúp tối ưu hóa quá trình sấy tạo hạt kịp thời.
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 bao gồm màu sắc, mùi vị, kích thước hạt và cấu trúc Cần kiểm tra xem cà phê có bị pha trộn với phẩm màu hoặc chất khác gây mùi lạ, cũng như có bị mốc hay không Phương pháp cảm quan sử dụng phép thử mô tả để đánh giá mùi vị, cấu trúc và định lượng, cùng với phương pháp mô tả nhanh.
Phép thử mô tả là phương pháp dùng để mô tả khách quan các đặc tính và nhận biết thành phần cơ bản của sản phẩm Nó giúp xác định thông số của quá trình chế biến trong phạm vi các tính chất cảm quan có thể nhận biết được Phương pháp này còn được sử dụng để định lượng mức độ khác biệt giữa các sản phẩm và xác định những tính chất cảm quan liên quan đến thị hiếu người tiêu dùng.
Phép thử mô tả mùi vị là một phương pháp kiểm tra định tính nhằm 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 Các ghi nhận về mùi được đánh dấu trên thanh đo bằng các con số và biểu tượng, giúp dễ dàng theo dõi và phân tích.
Phép thử mô tả cấu trúc là một kỹ thuật cảm quan quan trọng, giúp phân tích toàn bộ đặc điểm của sản phẩm, bao gồm các yếu tố như đặc tính hóa học, hình học, độ mịn, độ hòa tan, độ cứng, độ bám dính và độ đàn hồi Kỹ thuật này đánh giá 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 toàn diện 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 các sản phẩm, giúp điều tra đặc tính sản phẩm trên thị trường và đánh giá tác động của công thức, công nghệ hay bao bì mới đến chất lượng Phương pháp này còn dự đoán sở thích người tiêu dùng khi ra mắt sản phẩm mới Flash profile thực chất là 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, với mỗi người dùng tự chọn từ ngữ riêng để đánh giá tương đối.
Phòng thử: sạch sẽ, không có mùi lạ [38, 43]
Cân 50g mẫu bột cà phê sấy phun 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, cùng với việc ngửi mùi thơm Để đánh giá chất lượng sản phẩm, pha 50g cà phê sấy phun với 500ml nước tinh khiết ở nhiệt độ 95-100°C, thêm 6% đường sucrose cho các bài kiểm tra chấp nhận Các bình pha 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, giảng viên và nhân viên Trước khi đánh giá, họ được thông báo về quy trình và sử dụng thang điểm Hedonic 9 điểm Mẫu cà phê 20mL được đựng trong cốc thuỷ tinh 50mL mã hóa bằng ba chữ số ngẫu nhiên và nếm thử ở 70°C, với yêu cầu rửa sạch vòm miệng trước và giữa các mẫu.
Cà phê pha chế dạng cà phê sấy phun có điểm cảm quan trung bình từ 4,5 đến 6,9 trên thang điểm 9 của Hedonic Hương thơm, màu sắc và sự ưa thích tổng thể đạt điểm trung bình cao hơn 6, trong khi vị đắng và chua lại làm giảm điểm đánh giá.
Bảng 12: Chỉ tiêu đánh giá cà phê sấy phun TCVN 5250:1990 [7, 42]
Tên các chỉ tiêu cảm quan (TCVN 5250:1990)
- 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 (-)
Độ vàng (+) và độ xanh lam (-) là các chỉ số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng bột cà phê sấy phun Các giá trị độ sáng, góc màu và sắc độ của mỗi mẫu đã được ghi nhận Góc Hue (h ab) được tính bằng công thức h ab = b ¿ a ¿ C ¿ = √(a ¿ 2 + b ¿ 2), giúp xác định sắc thái màu sắc của sản phẩm.
Độ ẩm là yếu tố quyết định trong việc đánh giá giá trị dinh dưỡng, chất lượng sản phẩm và khả năng bảo quản của nó Theo phương pháp AOAC (2005), độ ẩm cao sẽ dẫn đến hàm lượng dinh dưỡng thấp và khả năng bảo quản kém.
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 bốc hơi Từ sự chênh lệch khối lượng mẫu thử trước và sau khi sấy, ta có thể tính toán phần trăm nước có trong mẫu.
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 vào bình hút ẩm để làm nguội đến nhiệt độ phòng trước khi tiến hành cân.
Cho 5g bột cà phê sấy phun vào đĩa đã chuẩn bị, đậy nắp và cân trên cân phân tích chính xác 0.0001g Đặt toàn bộ vào tủ sấy ở 103°C trong 2 giờ với nắp mở để nước bốc hơi Sau khi nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng, tiến hành cân lại Nên sấy và cân thêm một lần nữa trong 30 phút, với chênh lệch giữa hai lần không quá 0.5mg Từ trọng lượng trước và sau khi sấy, tính toán hàm lượng ẩm theo công thức [38,43].
Trong nghiên cứu này, các tham số quan trọng bao gồm: mo là 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 cho vào bình tam giác với 20 mL nước khử ion nóng (90–95°C), sau đó đun trong 5 phút bằng máy khuấy từ Để loại bỏ các hạt mịn, tiến hành ly tâm ở tốc độ 14,006 vòng/phút trong 10 phút bằng máy ly tâm siêu âm Phần chất không tan nổi trên bề mặt được thu hồi, sau đó bay hơi trên bình cách thuỷ cho khô và tiếp tục sấy trong tủ sấy ở 105°C cho đến khi đạt khối lượng không đổi WSI được tính toán theo công thức [15, 29].
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 Arabica trộn Robusta làm tăng nhẹ độ ẩm sản phẩm, nhưng vẫn thấp hơn giới hạn thương mại 5% đối với bột khô Giá trị màu khác nhau có ý nghĩa, với giá trị L* từ 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%, và WSI cao hơn ở các mẫu chế biến từ hỗn hợp này nhờ vào sự phân hủy polysaccharide, đường, amin acid, chlorogenic acid và mức độ cao của caramel hóa cùng các sản phẩm ngưng tụ.
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 kích thước 0.56mm và 0.25mm Bằng cách đo khối lượng bột cà phê lọt qua rây 0.25mm và 0.56mm, chúng ta có thể tính toán độ mịn chính xác 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
Lắp rây theo thứ tự: đáy rây, rây 0.25mm, rây 0.56mm và nắp đậy Cân chính xác 100g cà phê sấy phun với sai số cho phép 0.1g, cho vào rây và lắc đều trong 2 phút, sau đó vỗ nhẹ vào thành rây Cân phần bột lọt qua rây 0.56mm và phần bột trên rây 0.25mm, với sai số cho phép 0.1g, rồi tính toán theo công thức đã 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, phần chất còn lại của thực phẩm chủ yếu là muối khoáng, được gọi là phần tro.
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, mẫu thử cần được đốt và nung ở nhiệt độ cao, sau đó tiến hành xác định 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 Sau đó, chuyển chén sứ vào lò nung ở nhiệt độ 550 – 600 o C trong 60 phút cho đến khi mẫu tro hoá hoàn toàn Để nguội chén sứ trong bình hút ẩm khoảng 40 phút trước khi cân Công thức tính kết quả hàm lượng tro tổng số của sản phẩm cà phê là [7,43].
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 trong cà phê sấy phun như đất, cát, và sạn, ta sử dụng acid clohydric 10% (HCl 10%) Các chất bẩn không tan trong acid này do không phải là muối khoáng hoặc các chất khác, và chúng sẽ là phần còn lại sau khi hòa tan tro tổng số bằng acid.
Để xác định hàm lượng tro không tan trong acid clohydric, cần tiến hành đốt và nung mẫu thử Sau đó, hòa tan phần tro bằng acid clohydric 10% nóng, tiếp theo là lọc và nung 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 thủy phân mẫu cà phê sấy phun bằng HNO3, H2SO4 và H2O2 cho phép chiết xuất toàn bộ kim loại có trong mẫu thử Sau khi chiết xuất, dung dịch được điều chỉnh pH về 9 bằng dithizone – CHCl3 Tiếp theo, CHCl3 được tách ra khỏi HCl loãng và kim loại Cd được xác định ở bước sóng 228,8nm.
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 và cho vào cốc thuỷ tinh, sau đó thêm 25ml HNO3 và đun nhẹ để kích thích phản ứng Khi phản ứng giảm, tiếp tục thêm 25ml HNO3 cho đến khi đạt tổng cộng 100ml Đun nóng cho đến khi khí NO bay lên và kiểm soát bọt bằng nước Làm lạnh cốc thuỷ tinh và gạn để loại bỏ chất béo cùng dung dịch nước từ dầu đông và chất rắn 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 để kiểm tra, pha loãng với 300ml H2O và bay hơi trên ngọn lửa cho đến khi bắt đầu cháy than Khi khu vực cháy than mở rộng, cẩn thận thêm 1ml H2O2 50% từng chút một sau khi phản ứng giảm Khi dung dịch mất màu, gia nhiệt mạnh để SO3 bay lên, tiếp tục gia nhiệt để đuổi hết.
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 thủy 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, rồi làm mát Thêm lần lượt 2 lần 5ml dung dịch dithizone đậm đặc, lắc mỗi lần 1-2 phút 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 Rửa với 5ml CHCl3 để chiết xuất dithizone, sau đó thêm 50ml HCl 0.2M, lắc mạnh trong 1 phút để tách lớp và loại bỏ dithizone Rửa dung dịch với 5ml CHCl3 và loại bỏ CHCl3 Cuối cùng, chuyển dung dịch vào cốc khác, đun sôi và bốc hơi đến khi khô, rửa cốc với 10-20ml H2O và tiếp tục đun bốc hơi cho đến khi khô.
Sử dụng phương pháp oxy hóa C2H2 dưới ngọn lửa kết hợp với máy quang phổ hấp thu nguyên tử ở bước sóng 228.8nm Để xác định nồng độ Cd, hòa tan mẫu khô với 5ml HCl 2M và rửa bằng H2O giữa mỗi lần đo Công thức xác định Cd được 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 trải qua quá trình thủy phân, dẫn đến việc Pb kết tủa với SrSO4 Dịch chiết muối sunfat sau đó chuyển đổi thành muối carbonate, hòa tan trong acid và 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 mẫu, cho 10g chất khụ cà phờ sấy phun và 3g Pb vào bình Kjeldahl 500ml, thêm 1ml dung dịch Sr 2% cùng hạt thuỷ tinh Chuẩn bị mẫu trắng tương tự Thêm 15ml hỗn hợp acid cho mỗi gam chất khô và để yên ít nhất 2 giờ Gia nhiệt cho đến khi chỉ còn H2SO4 và muối vô cơ, tránh bọt Sau khi làm mát, cho 40-50ml vào ống ly tâm, ly tâm trong 10 phút, gạn chất lỏng vào cốc thuỷ tinh Thêm 20ml H2O và 1ml H2SO4, gia nhiệt và lặp lại 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, thêm 5ml HNO3 1M, khuấy mạnh để loại bỏ CO2, nếu còn kết tủa thì ly tâm tiếp.
Sử dụng C2H2 oxy hoá dưới ngọn lửa kết hợp với máy quang phổ hấp thu nguyên tử tại bước sóng 217 hoặc 283.3 nm để đo lường Thực hiện thí nghiệm với mẫu trắng và dung dịch Pb tiêu chuẩn trong điều kiện tối ưu Công thức xác định hàm lượng Pb dựa trên đường chuẩn.
Pb (mg/kg) = ( à g/ mlPb gmẫuthử ) x (ml HNO3 )
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
Để xác định lượng kẽm (Zn) trong mẫu thử ước tính từ 25-100 mg, tiến hành than hóa dưới đốt hồng ngoại và tro hóa trong lò nung ở nhiệt độ dưới 525°C cho đến khi giải phóng carbon tự do Sau đó, hòa tan tro với HCl theo tỉ lệ 1:1, cho vào 20ml nước và đun gần khô, tiếp tục 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 Sau khi làm mát, pha loãng với HCl 1M để đạt tiêu chuẩn hoạt động của thiết bị, từ đó xác định lượng kẽm dựa trên 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