CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
2.2.5.2Quy trình công nghệ sản xuất cà phê bột tách caffein bằng phương pháp swiss water
Đề tài : Cà Phê Trang 93 Cà phê Phụ gia Than hoạt tính Phụ gia Phụ gia Làm sạch Tách caffein Phối trộn Rang Xay Sấy Tách caffein Pha lỏng Đóng gói Pha rắn Tạp chất Pha lỏng Dịch trích cân bằng
Hình 2.28. Quy trình công nghệ sản xuất cà phê bột decaffeine
2.2.5.3 Thuyết minh quy trình
• Làm sạch .
Mục đích
Mục đích chính của quá trình làm sạch là chuẩn bị cho quá trình tách caffeinê. Tạp chất xuất hiện trong đống hạt cà phê nhân bao gồm: cát, đá, gỗ vụn, cao su, mảnh kim loại, vỏ trấu, vải sợi từ các bao vận chuyển.
Các biến đổi trong quá trình làm sạch
Biến đổi vật lý: có sự thay đổi khối lƣợng riêng xốp của đống hạt.
Phương pháp thực hiện
Nguyên tắc:
Dùng sàng rung, dòng khí thổi và thiết bị tách từ để tách các tạp chất và kim loại. Dòng hạt cà phê nguyên liệu đi qua sàng rung 2 lớp, lớp trên sẽ giữ lại những tạp chất có kích thước lớn. Những hạt qua sàng sẽ đƣợc tiếp tục tách bụi cát nhỏ qua lưới sàng. Khi dòng nguyên liệu đi đến đầu máy sàng thì quạt gió đặt ở đây sẽ thổi bay các tạp chất nhẹ như vỏ trấu, bụi… sau đó dòng nguyên liệu sẽ đi qua thiết bị tách từ để tách các tạp chất kim loại. Cuối cùng dòng nguyên liệu sẽ đi qua thiết bị phân riêng theo tỉ trọng. Dòng hạt sẽ chuyển động trên một bề mặt có đục lỗ. Do tác động rung và chuyển động của dòng không khí từ dươí lên sẽ tách được những tạp chất có tỉ trọng tương đương với tỉ trọng cà phê.
Hình 2.29.Thiết bị làm sạch cà phê nhân
A – Dòng hạt cà phê nhập liệu. B – Dòng tạp chất thô.
C – Dòng tạp chất có kích thước nhỏ.
E – Dòng thu hồi mạt sắt. F – Dòng tạp chất có khối lượng riêng lớn (đá vụn, thủy tinh).
G – Dòng hạt cà phê đã được làm sạch • Qúa trình tách caffein:
Mục đích: Mục đích của quá trình tách caffeine là chế biến.
Các biến đổi trong quá trình tách caffein: Vật lý:
Độ ẩm khối hạt tăng lên. Trong quá trình này có sự khuyến tán của caffeine từ trong hạt đi vào dung dịch trích ly. Ngoài ra, còn có sự thay đổi thành phần của một số cấu tử hương và một số chất khô hòa tan trong nước bên trong hạt cà phê phụ thuộc vào nồng độ của các chất này trong dịch trích chuẩn bị.
Phương pháp thực hiện :
Chuẩn bị dịch trích: Khối hạt cà phê sẽ được ngâm trong nƣớc nóng để trích ly cho đến khi cân bằng các chất khô hòa tan kể cả caffeine, sau đó mẻ cà phê này sẽ được loại bỏ. Tiếp đến, lượng caffeine trong dịch trích cân bằng vừa thu được sẽ được tách ra hoàn toàn bằng chloroform. Như vậy, dịch trích sau khi chuẩn bị sẽ chứa một lượng cân bằng các chất khô hòa tan trong nước mà không chứa caffeine.
Phần dịch trích này được chia làm 3 phần:
- Phần thứ nhất dùng để bão hòa chất khô cho than hoạt tính, phần này sẽ được loại bỏ.
- Phần thứ hai được dùng làm dịch trích căn bằng. - Phần thứ ba được dùng để tái sinh cột than hoạt tính.
Chuẩn bị than hoạt tính: Ngâm than hoạt tính trong dịch trích trên ta thu được than hoạt tính “bão hòa” các chất khô hòa tan trong hạt cà phê mà không chứa caffeine.
Tách caffeine: Hạt cà phê được chứa trong thiết bị trích ly. Dịch trích đã chuẩn bị sẽ được bơm vào thiết bị theo chiều từ dưới lên. Lưu lượng hay thời gian lưu của dịch trích sẽ được tính toán sao cho trích ly caffeine triệt để nhất.
Tái sử dụng dịch trích: Sau quá trình trích ly, một phần nhỏ chất khô trong dịch trích bám lên bề mặt hạt và nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích tăng lên, do đó để tái sử dụng dịch trích ta thực hiện như sau: Dùng nước sạch để rửa các chất khô bám trên bề mặt hạt. Lượng dịch trích có chứa caffeine sẽ được dẫn qua cột có chứa than hoạt tính (như đã chuẩn bị ở trên) để tách caffeine ra khỏi dịch trích. Lượng nước rửa sẽ được tính toán và thêm vào dịch trích trên đã tách cafffeine để đưa nồng độ chất khô trở về như ban đầu.
Thông số công nghệ
- Nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích trước quá trình tách caffeine: 15%. - Nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích sau quá trình tách caffeine: 30 - Thời gian trích ly: 8h. Hiệu suất trích ly: 99,9%.
- Độ ẩm hạt sau khi tách caffeine: 53%. - Nhiệt độ trích ly: ở nhiệt độ phòng.
Các yếu tố ảnh hưởng :
Nhiệt độ của quá trình trích ly: nhiệt độ cao sẽ làm tăng cả tốc độ hòa tan của chất tan trong dung môi và tốc độ khuếch tán vào dung môi.Nhiệt độ của hầu hết các quá trình được giới hạn thấp hơn 1000C vì lý do kinh tế, sự trích ly các cấu tử không mong muốn ở nhiệt độ cao và sự tổn thất bởi nhiệt của các thành phần hòa tan
Diện tích bề mặt tiếp xúc với dung môi: Tốc độ di chuyển của các chất tỉ lệ với diện tích bề mặt của hạt.
Độ nhớt của dung môi: Độ nhớt phải đủ nhỏ để dung môi có thể thấm vào từng phần của hạt.
Tốc độ chảy của dung môi: Tốc độ chảy càng cao sẽ làm giảm nồng độ của lớp chất tan bao quanh hạt do đó sẽ làm tăng tốc độ trích ly.
•Quá trình sấy
Mục đích
Mục đích chính của quá trình sấy trong trường hợp này là chuẩn bị cho quá trình rang. Biến đổi chính trong quá trình sấy là giảm ẩm. Ngoài ra, quá trình này còn có mục đích phụ là bảo quản vì ức chế được vi sinh vật và chế biến vì hình thành một số hợp chất hương.
Các biến đổi
Vật lý: Xảy ra sự khuếch tán ẩm từ bên trong hạt ra bề mặt hạt. Hạt sẽ bị co nhẹ thể tích, giảm khối lượng do nước bay hơi, độ giòn và độ xốp tăng.
Hóa lý: Nước từ bề mặt hạt vật liệu sẽ bốc hơi ra môi trường xung quanh.
Hóa học: Tốc độ phản ứng hóa học tăng lên do nhiệt độ vật liệu tăng như: Phản ứng Maillard và phản ứng oxy hoá một số hợp chất polyphenol gây nên hiện tượng sẫm màu cho hạt cà phê. Phản ứng oxy hoá chất béo gây nên mùi ôi khét cho hạt cà phê. Hóa sinh và sinh học: Sự tăng nhiệt độ ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật tạp nhiễm và ức chế hệ enzyme trong hạt.
Phương pháp thực hiện :
Trong công nghiệp thường sử dụng thiết bị sấy thùng quay. Hạt sau khi sấy được đưa xuống băng tải chuyển đến thiết bị rang.
Hình 2.30.Thiết bị sấy thùng quay
Chú thích: 1.Thùng sấy 9.Bộ truyền động
2.Cơ cấu bít kín 10.Bệ đỡ
3.Bánh răng dẫn động cho thùng 11.Quạt hút
4.Buồng tháo liệu khô 12,13 . Xycolon thu hồi
6. Lò đốt 15. Cửa tháo liệu 7.Quạt thổi
8. Bệ đỡ
Thông số công nghệ
- Tốc độ dòng khí: 1-3m/s. Nhiệt độ: 60-700C
- Thời gian: 1h. Độ ẩm vào : 53%. Độ ẩm ra : 10-12%. Các yếu tố ảnh hưởng
- Tốc độ dòng khí: Tốc độ dòng khí càng cao thì thời gian sấy càng ngắn nhưng tốn nhiều chi phí năng lượng cho quạt và nồi hơi.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao thì sấy càng nhanh nhƣng thƣờng thấp hơn 1000C vì tốn nhiều chi phí năng lượng.
- Kích thước hạt: Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt truyền nhiệt càng lớn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn.
• Qúa trình rang
Mục đích : Rang là một quá trình cung cấp nhiệt liên tục trong một khoảng thời gian vừa đủ để không làm cháy hạt mà chỉ làm nóng đều đặn hạt nhằm mục đích là chế biến vì góp phần tạo ra màu sắc, mùi thơm và hương vị đặc trưng cho hạt cà phê.
Các biến đổi
Vật lý: Nhiệt độ của khối cà phê tăng lên kèm theo quá trình thoát ẩm làm giảm tỉ trọng khối hạt. Độ xốp của hạt cà phê tăng lên, sự tăng thể tích làm cho hạt cà phê có thể bị nứt vỡ.
Hoá học: Hầu hết đường sucrose bị biến mất ở giai đoạn đầu của quá trình rang và lượng đường khử cũng giảm ở cuối quá trình rang. Các phản ứng Maillard, phản ứng tách nước và phản ứng polymer hóa hình thành nên hợp chất cao phân tử có thể tan hoặc không tan trong nước.
Sự hình thành CO2 (2-5g CO2 / 1kg cà phê rang) và các hợp chất dễ bay hơi cũng như sự mất nước làm giảm hàm lượng chất khô. Đối với trường hợp rang sáng màu (light-
roast) (ở Mỹ và Bắc Âu) thì hàm lượng chất khô mất từ 2-5%, còn đối với trường hợp rang sẫm màu (dark-roast) (ở Nam Au) thì sự mất mát này lên đến 8-11%.
Một số protein bị biến tính và bị phân hủy bởi nhiệt độ. Hương vị của cà phê rang có lẽ một phần được tạo ra do sự phân hủy và tương tác giữa các amino acid có nguồn gốc từ các protein này. Theo phân tích, ở loại cà phê Robusta Columbia và Angola thì có sự giảm hàm lượng của arginine, cysteine, lysine, serine, threonine và sự tăng hàm lượng của phenylalanine, proline và valine. Tuy nhiên, các hợp chất hương như pyrazine, oxazole và thiazole có lẽ cũng là sản phẩm của sự phân hủy protein. Các acid
chlorogenic mà tồn tại ở dạng phức kali-caffeine-chlorogenate sẽ bị giảm tùy theo mức độ của quá trình rang.
Bảng 2.3 Sự biến đổi của acid chlorogenic trong suốt quá trình rang (% chất khô ).
Acid Santos Colombians Green Light roast Medium roast Dark roast Green Light roast Medium roast Dark roast Chlorogenic acid 5.56 2.90 1.96 1.11 3.77 2.74 2.16 0.93 Neochlorogenic acid 0.88 1.54 1.02 0.63 0.66 1.54 1.16 0.49 Isochlorogenic acid 0.41 0.24 Trong đó:
Green : hạt cà phê nhân chưa rang. Light roast : hạt cà phê rang sáng màu.
Medium roast: hạt cà phê rang với màu trung bình. Dark roast: hạt cà phê rang sẫm màu.
Các hợp chất glyceride của acid linoleic và palmitic cùng với các glyceride của acid stearic và oleic tăng lên từ 7-16% hàm lƣợng chất béo của hạt cà phê.
Bảng2.4 Hàm lượng của dầu trong hạt cà phê chưa rang và đã rang (% chất khô ).
Loại cà phê Chưa qua rang Đã qua rang
Dầu Acid béo tự
do
Dầu Acid béo tự do
Santos 12.77 0.78 16.05 2.70
Robusta(Indonesia) 9.07 1.00 11.27 1.99
Hoá lý: Sự bay hơi nước từ bề mặt hạt ra môi trường. Một lượng nhỏ caffeine còn sót bị thăng hoa. Biến đổi hoá sinh và sinh học: Đình chỉ hoạt động của các vi sinh vật và enzyme có trong hạt.
Phương thức thực hiện :
- Phương pháp rang: thiết bị rang dạng thùng quay với thành đục lỗ. - Nguyên tắc hoạt động:
Thiết bị dạng thùng quay nằm ngang có thành đục lỗ, hạt sau khi rang sẽ đươc làm nguội ngay bằng bộ phận làm nguội được lắp với thiết bị. Không khí nóng sau quá trình rang sẽ được thu hồi xử lý để tái sử dụng.
Phụ gia trong quá trình rang
Ngoài việc pha trộn các loại cà phê với nhau theo tỉ lệ thích hợp và sử dụng các nguyên liệu phụ thì các nhà rang cà phê luôn sử dụng các chất phụ gia trong quá trình rang tẩm để giúp quá trình chế biến cũng như chất lượng cà phê được nâng cao. Các phụ gia sử dụng phụ thuộc nhiều yếu tố: chất lượng nguyên liệu, tỉ lệ phối trộn các loại cà phê và các chất độn sử dụng, khẩu vị của người tiêu dùng, yêu cầu của sản phẩm, cấp sản phẩm, mục đích sử dụng cà phê (cà phê bán cho giới bình dân, để tiêu dùng trong gia đình, để uống cà phê đen, cà phê sữa hay mục đích khác…) Các nhà rang tẩm cà phê thường sử dụng các loại phụ gia sau đây:
Rượu: là loại phụ gia không thể thiếu. Các loại rượu thường dùng: rượu trắng, các loại rượu Rhum từ loại thường đến loại hảo hạng tuỳ thuộc loại sản phẩm. Đối với các sản
phẩm cà phê loại thượng hạng các nhà chế biến sử dụng loại rượu Rhum Pháp chất lượng cao để tạo hương vị đặc biệt.
- Cách sử dụng: tẩm vào cà phê sau khi rang.
- Tác dụng: làm nguội nhanh cà phê, khử đi một số tạp chất mùi và tạo hương vị hài hòa cho cà phê.
- Cơ chế phản ứng: tham gia phản ứng quinonamin… Các cấu tử hương có trong rượu và tạo thành do các phản ứng tương tác với nhau tạo nên hương vị cho cà phê. Rượu cũng phản ứng với lượng acid có trong cà phê rang xay tạo thành este.
Muối ăn: sử dụng để tạo vị đậm đà, hài hòa cho nước cà phê, ngoài ra còn tạo ra lớp bao bên ngoài cà phê trong quá trình rang tẩm. Loại muối sử dụng cần sạch, không có tạp chất và mùi lạ, cho vào cà phê rang khi còn nóng. Một số ngƣời khi pha chế cũng sử dụng thêm muối để tạo khẩu vị ưa thích.
Bơ, magarin, dầu mỡ: bơ được cho vào khi rang với rất nhiều công dụng. Bơ tạo mùi vị đặc biệt cho cà phê và tạo bề mặt cảm quan cho hạt cà phê trở nên bóng đẹp. Đồng thời lƣợng bơ cho vào tạo một lớp màng mỏng bao bọc quanh hạt cà phê, phủ lấp những khe hở trên bề mặt hạt (hình thành do sự giãn nở thể tích của hạt khi rang), lớp màng bao này có tác dụng bảo vệ ngăn không cho các chất thơm dễ bay hơi trong bản thân hạt cà phê thoát ra ngoài cũng như ngăn chặn sự hút ẩm và hấp thụ các mùi lạ, khắc phục nhược điểm lớn này của cà phê.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại bơ với đủ mọi chủng loại của nhiều hãng sản xuất khác nhau: từ các loại bơ thƣờng bán theo kí như bơ Tường An đến các loại bơ thùng của ÚC, Na Uy, Pháp, Đức… đến các loại bơ cao cấp như Fretel (Pháp). Tuỳ theo sản phẩm mà các nhà chế biến sẽ lựa chọn loại bơ thích hợp. Trong dân gian một số nhà rang xay nhỏ hoặc trong các hộ gia đình sử dụng mỡ động vật hay mỡ gà tạo hương vị đặc biệt.
Chất tạo hương (Essence of coffee/ Coffee Aroma):trong quá trình chế biến, rang xay cà phê rất dễ bị mất mùi nên các nhà rang xay luôn phải dùng thêm các chất hương hỗ trợ. Các chất hương này được biết ở dạng lỏng, màu nâu như màu cà phê, rất sánh mà thị trường gọi là tinh cà phê. Tinh cà phê được sử dụng để tăng thêm mùi cà phê cho sản phẩm, đặc biệt là khi pha chế tạo mùi mạnh hấp dẫn ngƣời dùng.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chủng loại của các hãng sản xuất hương của nước ngoài xuất khẩu mà người bán gọi là: tinh cà phê Pháp, tinh cà phê Đông Đức, tinh cà phê Tây Đức, tinh cà phê Moka (Singapore)… Liều lượng sử dụng khoảng 0.1 – 0.5%, dùng để tẩm vào cà phê hạt sau khi rang hoặc dùng khi pha chế. Một số cơ sở còn dùng bột vanille để tạo thêm mùi thơm cho cà phê. Loại này thường được trộn vào cà phê rang trước khi xay.
Bột sữa béo (milk flavour/ milk emulsion):có tên trên thị trường là sữa đục, là loại sữa béo dùng trong sản xuất bánh kẹo xuất khẩu. Một số nhà rang tẩm cũng sử dụng để tăng vị béo và nước pha sánh, hấp dẫn hơn. Liều lượng sử dụng khoảng 0.1 – 0.3%, được cho vào khi tẩm cà phê.
Đường: hiện nay các nhà rang cà phê sử dụng loại đường cát hoặc dạng đường đã được caramel hóa ở dạng lỏng. Đường sử dụng nhằm mục đích điều vị và tạo màu cho cà phê, nhất là khi sản xuất loại cà phê cánh gián. Nếu sử dụng nhiều caramel sẽ tạo màu đậm và độ sánh cho nước cà phê. Đừơng hòa tan với nước hoặc caramel được tưới trực tiếp vào hạt cà phê đang nóng sẽ tạo màng bao bên ngoài có tác dụng bảo quản tránh cho các chất dầu,