CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
2.2.3quy trình sản xuất hòa tan [2]
2.2.3.1Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan
Cà phê hòa tan là sản phẩm uống liền được chế biến từ cà phê bột sau khi trích ly sấy và tạo hạt
Hình 2.15 Một số sản phẩm cà phê hòa tan có mặt trên thị trường
Hình 2.16.Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan
2.2.3.2Giải thích quy trình công nghệ
Theo sơ đồ quy trình công nghệ trên, các quá trình từ làm sạch nguyên liệu cà phê nhân tới nghiền thì hoàn toàn tương tự như trong quy trình sản xuất cà phê rang xay. Trong phần này, chúng tôi chỉ trình bày các công đoạn sau quá trình nghiền trong quy trình công nghệ nói trên.
• Trích ly
Mục đích công nghệ: khai thác
Đề tài : Cà Phê Trang 64
Cà phê nhân Làm sạch Phối trộn Rang Xay Trích ly Lọc Nước B ã Tách hương Phối trộn Tạo hạt Cô đặc Sấy Đóng gói
Quá trình trích ly nhằm mục đích khi thác các chất hòa tan và các chất tạo hương trong cà phê rang. Trong quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan, trích ly là một trong những công đoạn quan trọng nhất, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất của toàn bộ quy trình công nghệ sản xuất.
Các biến đổi của nguyên liệu
Vật lý và hóa lý:
Quá trình trích ly có bản chất là một quá trình hóa lý, trong đó xảy ra hiện tượng khuếch tán của vật chất. Cụ thể là có 2 dòng chuyển động chính: khuếch tán của nước từ ngoài vào hạt và sự khuếch tán của các chất hòa tan từ nguyên liệu vào dung môi. Tốc độ của quá trình khuếch tán phụ thuộc vào các điều kiện kỹ thuật của quá trình trích ly. Sự khuếch tán nói trên dẫn đến những biến đổi về mặt vật lý của hai pha rắn và lỏng trong hỗn hợp:
- Pha rắn – các hạt bột cà phê: thành phần tạo cấu trúc của hạt cà phê nghiền chủ yếu là cellulose và hemicellulose. Sau khi rang xay, hạt bột cà phê có cấu trúc cứng, giòn, không nén được (độ ẩm của hạt cà phê sau rang xay nhỏ hơn 5%). Khi cho vào nước để trích ly, hạt bột cà phê sẽ hút ẩm, trở nên dai, mềm và nén được. hiện tượng này sẽ làm tăng trở lực, làm giảm năng suất của quá trình lọc.
- Pha lỏng – dịch trích ly cà phê: tỷ trọng và độ nhớt của dịch trích ly cà phê sẽ tăng lên do nồng độ chất khô trong dịch trích tăng lên theo thời gian. Nồng độ chất khô càng cao thì tỷ trọng và độ nhớt của dịch trích cà phê càng tăng. Cần chú ý hiện tượng này vì trong quá trình trích ly nhiều bậc, các bậc trích ly cuối cùng có độ nhớt của dịch trích ly cao hơn so với các bậc trích ly đầu tiên, do đó, tốc độ lọc sẽ giảm.
Biến đổi hóa lý khác cần được chú ý là hiện tượng bay hơi nước làm cuốn theo các hợp chất dễ bay hơi (đặc biệt là các hợp chất tạo hương). Do đó, trong quá trình trích ly, cần đảm bảo độ kín của thiết bị để hạn chế hiện tượng bay hơi nói trên, dẫn đến sự làm giảm hàm lượng hương trong bột cà phê hòa tan.
Hóa học
- Trong quá trình trích ly, nồng độ chất khô trong dịch trích sẽ dần tăng lên theo thời gian. Thành phần và nồng độ các chất trong dịch trích sẽ dần đạt đến giá trị cân bằng. thông
thường, hiệu suất trích ly các chất có trong cà phê rang xay nhu sau: 100% CGA, 90% các chất khoáng, 85-100% alkaloid và chlorogenic, 40-100% chất bay hơi, 15-20% protein, 20-25% menanoidin, 1,5% dầu coffee. Nồng độ chất khô trong dịch trích cuối cùng có thể đạt đến 20-25% (w/w), tùy thuộc vào điều kiên và phương pháp thực hiện quá trình trích ly. Một điều cần lưu ý là trích ly ở nhiệt độ cao sẽ làm tổn thất các cấu tử hương, đồng thời sẽ diễn ra các phản ứng tạo màu.
- Trong quá trình trích ly, dưới tác dụng của nhiệt độ, trong môi trường nước, các hợp chất cao phân tử có thể bị thủy phân, đặc biệt là các polysaccharide không bị phân hủy trong quá trình rang như cellulose và hemicellulose. Chính biến đổi này góp phần làm cho cấu trúc hạt bột cà phê trở nên mềm hơn. Nhiệt độ càng cao thì biến đổi này diễn ra càng mạnh.
Phương pháp thực hiện và thiết bị
- Phương pháp trích ly gián đoạn: trong phương pháp này, cà phê được cho vào các tank đã chứa nước với tỷ lệ phù hợp. Các tank chứa có cấu tạo dạng thân trụ, đáy côn, có vỏ áo. Hỗn hợp cà phê và nước được gia nhiệt bằng hơi nước. Sau khi đủ thời gian trích ly, dịch trích được tháo ra o đáy. Để nâng cao hiệu quả của quá trình trích ly, hiện nay, người ta sử dụng hệ thong trích ly nhiều bậc. Nhiệt độ trích ly trong khoảng 90-100oC, thời gian trích ly trong 1 bình xấp xỉ 45 phút. Phương pháp này có ưu diểm là cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành, giá cả lại rẻ nhưng tốn thời gian và hiệu suất thấp. - Phương pháp trích ly liên tục: phương pháp này sử dụng thiết bị trích ly dạng trục vis.
Cấu tạo của thiết bị gồm một trục vis, trục vis này sẽ làm cà phê di chuyển trong buồng trích ly. Nước nóng (thường là 100oC) sẽ di chuyển theo chiều ngược lại. Khi cà phê và nước tiếp xúc với nhau, quá trình trích ly sẽ diển ra. Hiện nay có nhiều thiết kế cho dạng thiết bj này. Một trong số đó là thiết bị trí ly Hilebrandt.
- Kết hợp 2 phương pháp: đầu tiên cà phê được trích theo phương pháp trích ly gián đoạn, sau đó sẽ được đưa di trích ly tiếp trong thiết bị trích ly liên tục. Ưu điểm của phương pháp này là nâng cao hiệu quả trích ly so với phương pháp trích ly gián đoạn.
- Nguyên liệu: kích thước của bột cà phê càng lớn thì tốc độ quá trình trích ly càng nhỏ. Thông thường, kích thước nguyên liệu cà phê trong quá trình trích ly khoảng 400 - 1200µm. cấu trúc của hạt cà phê càng xốp thì hiệu quả trích ly càng cao. Cấu trúc của hạt cà phê chủ yếu dựa vào thành phần hóa học và quá trình rang.
- Nhiệt độ: nhiệt độ trong quá trình trích ly của dung môi càng cao thì tốc độ khuếch tán các chất hòa tan vào nước càng cao, tốc độ trích ly càng nhanh. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của một số thành phần có trong nguyên liệu cà phê sẽ tăng, do đó hiệu suất trích ly các chất nay cũng tăng. Kết qủa là lượng chất khô trích được cũng tăng lên. Trong cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, thông thường thì quá trình trích ly được thực hiện ở nhiệt độ là 1000C. còn đối với các công ty sản xuất với năng suất lớn, nhiệt dộ quá trình trích ly có thể đên đến 180oC, vì nhiệt độ càng cao thì yêu cầu về vốn đầu tư thiết bị sẽ càng cao.
- Tỷ lệ dung môi trích so với nguyên liệu cà phê: cùng 1 lượng nguyên liệu, lượng dung môi càng nhiều thì tốc độ quá trình càng nhanh, các chất hòa tan càng được trích ly triệt để. Tuy nhiên, khi lượng dung môi sử dụng càng nhiều, nồng độ chất khô trong dung dịch sẽ càng thấp, chi phí cho quá trình cô đặc và sấy tăng lên. Thông thường, tỷ lệ nước: cà phê dao động từ 1: 2 đến 1: 10, tùy theo phương pháp trích ly thực hiện. - Thời gian trích ly: thời gian trích ly càng dài thì hiệu suất trích ly càng tăng. Đến một thời điểm nào đó, quá trình trích ly đạt trạng thái cân bằng, hiệu suất trích ly sẽ không tăng nữa. Thời gian trích ly phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình trích ly và tỷ lệ dung môi/ nước.
• Lọc
Mục đích công nghệ: hoàn thiện
Quá trình lọc sẽ loại bỏ các hợp chất không tan có trong dịch trích cà phê để nâng cao chất lượng cho sản phẩm. Thông thường dịch trích ly còn lẫn bã cà phê do bã không được giữ lại hoàn toàn khi dòng dich trích đi ra khỏi thiết bị trích ly. Quá trình lọc sẽ loại bỏ những tạp chất này, đảm bảo khi hòa tan sản phẩm để sử dụng sẽ không thấy cặn xuất hiện. Phương pháp thực hiện
Quá trình tách tạp chất không tan trong dịch trích có thể thực hiện bằng phương pháp ly tâm hoặc lọc khung bản. Phương pháp lọc khung bản thường được sử dụng vì hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương pháp lọc ly tâm. Tuy nhiên, nên chú ý là bã cà phê là bã nén được, nên trong quá trình lọc cần bổ sung bột trợ lọc để hạn chế sự tắc nghẽn bề mặt lọc.
• Tách hương
Mục đích công nghệ: khai thác
Trong các quá trình xử lý bằng nhiệt độ cao (như quá trình trích ly, quá trình cô đặc…) sẽ xảy ra hiện tượng tổn thất các cấu tử hương. Do đó, cà phê sẽ được xử lý để tách các cấu tử hương (stripping flavour). Hương này sẽ được bổ sung trở lại vào sản phẩm cà phê hòa tan trước hoặc sau quá trình sấy phun (trước quá trình tạo hạt).
Phương pháp thực hiện
Hiện nay có khá nhiều cách để thực hiện quá trình tách hương. Dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp tách hương phổ biến trong sản xuát cà phê hòa tan.
- Phương pháp dung hơi nước nóng quá bão hòa, thổi qua khối cà phê chuẩn bị cho quá trình trích ly. Hơi này sẽ được đem ngưng tụ và bổ sung lại vào dich trích cà phê sau khi đã cô dặc. Nhược điểm của phương pháp này là tốn thời gian và phải xử lý ở nhiệt độ cao, có thể làm một số cấu tử bị phân hủy bởi nhiệt.
- Phương pháp Sivezts: cà phê được cho vào các tank trích ly. Nước nóng được bơm vào từ đáy tank sẽ dâng lên và đẩy khí trong khối cà phê dần đi ra. Khi có nhiệt độ cao, các cấu tử hương cũng bay hơi theo các khí. Khí này sẽ được thu hồi và hóa lỏng, sau đó bổ sung vào dịch cà phê sau khi cô đặc. Nhược điểm của phương pháp này là hiệu suất thu hồi hương thấp.
- Phương pháp tách hương bằng các khí trơ: dịch trích cà phê sau khi rời khỏi thiết bị trích ly thường có nhiệt độ khá cao (khoảng 100 – 1300C) sẽ được đưa vào thiết bị tách hương. Thiết bị này có cấu tạo gồm nhiều đĩa xếp chồng lên nhau được gắn vào một trục (Spinning Cone Column – SCC). Trục này được gắn vào một động cơ. Dịch trích cà phê sẽ được đưa vào từ phía trên thiết bị, di chuyển dần xuống đáy. Trong quá trình đó dịch trích sẽ dàn mỏng lên các đĩa. Khí trơ sẽ được thổi từ đáy lên và lôi cuốn các cấu tử hương ra. Hỗn hợp khí
được thu hồi ở đỉnh và đem đi ngưng tụ, sau đó bổ sung vào dịch cà phê sau khi cô đặc. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
• Quá trình cô đặc
Mục đích: khai thác
Sau khi trích ly xong, nồng độ chất khô hòa tan trong dịch trích cà phê thường thấp. Hiện nay, nồng độ chất khô trong dịch trích cao nhất có thể đạt được khoảng 25 – 30% (w/w). Khi nồng độ chất khô còn thấp như thế việc thực hiện quá trình sấy để thu hồi sản phẩm sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế cao. Do đó, dịch trích cần phải được cô đặc đến nồng độ chất khô cao hơn để quá trình sấy được thực hiện dễ dàng hơn. Như vậy, mục đích của quá trình cô đặc là nâng cao nồng độ chất khô có trong dịch trích nhằm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sấy.
Các biến đổi của nguyên liệu
Trong quá trình cô đặc cần quan tâm đến một số biến đổi chính sau đây:
- Sự tăng độ nhớt của dịch trích: trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô của dịch trích sẽ tăng lên, do đó độ nhớt của dịch trích cũng tăng theo.
- Hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi: trong quá trình cô đặc, dưới tác dụng của nhiệt độ cùng với sự bay hơi nước, các chất dễ bay hơi (đặc biệt là các cấu tử tạo hương) cũng sẽ bị bay hơi, gây hiện tượng tổn thất hương, làm giảm cường độ hương của sản phẩm. Để hạn chế việc tổn thất hương, người ta thực hiện quá trình tách hương trước khi cô đặc.
- Sự thay đổi nồng độ chất khô: nồng độ chất khô trong dịch trích cà phê sẽ tăng lên sau khi dịch trích được cô đặc. Nồng độ chất khô thích hợp cho quá trình sấy dịch trích cà phê là 40 – 42% (w/w).
Phương pháp thực hiện
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để cô đặc dịch trích cà phê. Trong đó có 3 phương pháp được sử dụng khá phổ biến:
-Phương pháp cô đặc bốc hơi: phương pháp này sử dụng nhiệt để thực hiện quá trình cô đặc. Cần lưu ý là quá trình cô đặc này thường thực hiện ở điều kiện chân không để tăng hiệu quả quá trình cô đặc, đồng thời hạn chế các biến đổi của những cấu tử trong dịch trích cà phê do tách động của nhiệt độ.
-Phương pháp cô đặc kết tinh: trong phương pháp này, dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh đến 20C. Sau đó dung dịch được làm lạnh chậm đến nhiệt độ -40C. Khi đó, nước sẽ kết tinh. Tốc độ làm lạnh càng chậm, tinh thể tạo thành càng to, quá trình tách các tinh thể đá càng thuận lợi. Dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng đến nhiệt độ khoảng 20C, dịch cà phê sau khi làm lạnh được đưa vào thiết bị kết tinh. Tại đây, dịch cà phê được hạ nhiệt độ dần xuống - 40C và duy trì ở nhiệt độ này cho đến khi quá trình kết tinh hoàn thành. Sau đó tinh thể đá có thể được tách ra bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm.
-Phương pháp cô đặc bằng membrane: trong phương pháp này dịch trích cà phê được phân riêng bằng membrane với dòng retentate là dòng dich trích cà phê cô đặc và dòng permeate là dòng thải bỏ. Thông thường, trong cô đặc cà phê hai kỹ thuật membrane thường được ứng dụng là kỹ thuật lọc nano và kỹ thuật thẩm thấu ngược. Ưu điểm của phương pháp cô đặc bằng membrane là chất lượng cảm quan của dịch trích không ảnh hưởng đáng kể, chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, chi phí đầu tư thiết bị membrane khá cao và nồng độ chất khô cuối cùng của dịch cô đặc thường thấp hơn các phương pháp khác. Do đó, membrane thường được sử dụng như quá trình tiền cô đặc, sau đó có thể thực hiện tiếp quá trình cô đặc chân không hay cô đặc kết tinh.
• Sấy
Mục đích công nghệ: hoàn thiện
Quá trình sấy dịch cà phê cô đặc (có nồng độ chất khô 40 – 42%) nhằm tách nước để thu hồi sản phẩm có dạng bột. Sản phẩm cà phê hòa tan thường có độ ẩm từ 2 – 5% (w/w). Phương pháp sấy thường được sử dụng trong sản xuất cà phê hòa tan là sấy thăng hoa và sấy phun.
Trong quá trình sấy, tùy theo phương pháp sấy mà có những biến đổi khác nhau. Tuy nhiên, các biến đổi diễn ra trong quá trình sấy dịch cà phê cô đặc thường không đáng kể, chủ yếu là sự bay hơi của ẩm. Trong quá trình sấy phun, quá trình bay hơi nước diễn ra với tốc độ rất nhanh vì diện tích bề mặt bốc hơi lớn. Tốc độ của quá trình bay hơi nước theo phương pháp sấy thăng hoa sẽ chậm hơn.
Ngoài sự bay hơi ẩm, trong quá trình sấy phun còn có sự bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi, đặc biệt là các cấu tử tạo hương. Đây là nguyên nhân làm giảm giá trị cảm quan của cà phê trong quá trình sấy phun. Thông thường, để đảm bảo chất lượng hương vị của cà phê hòa tan, các cấu tử hương sẽ được tách ra từ trước. Sau khi sấy xong, hương cà phê sẽ được tẩm lại vào bột cà phê. Nếu sử dụng phương pháp sấy thăng hoa, hiện tượng tổn thất hương