4- Phối trộn phụ gia
2.2.3 quy trình sản xuất hịa tan [2]
2.2.3.1Quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê hịa tan
Cà phê hịa tan là sản phâm uổng liền được chế biến từ cà phê bột sau khi trích ly sấy
Đ[z] án mơn hlHc GVHD:Huỳnh Quang Phí?]0C
ĐI?) tài: Cà Phê Trang
Hình 2.15 Một sổ sản phấm cà phê hịa tan cĩ mặt trên thị trường
t
Đ[z] án mơn hlHc GVHD:Huỳnh Quang Phí?]0C
ĐI?) tài: Cà Phê Trang
Cà phê nhân Làm sạch Phối trộn Rang Xay Trích ly Lọc Tách hương Cơ đặc Sấy Tạo hạt Phối trộn Đĩng gĩi
n2.2.3.2Giải thích quy trình cơng nghệ
Theo sơ đồ quy trình cơng nghệ trên, các quá trình từ làm sạch nguyên liệu cà phê nhân tới nghiền thì hồn tồn tương tự như trong quy trình sản xuất cà phê rang xay. Trong phần này, chúng tơi chỉ trình bày các cơng đoạn sau quá trình nghiền trong quy trình cơng nghệ nĩi trên.
4- Trích ly
> Mục đích cơng nghệ: khai thác
Quá trình trích ly nhằm mục đích khi thác các chất hịa tan và các chất tạo hương trong cà phê rang. Trong quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê hịa tan, trích ly là một trong những cơng đoạn quan trọng nhất, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất của tồn bộ quy trình cơng nghệ sản xuất.
> Các biến đồi của nguyên liệu
❖Vật lý và hĩa lý:
Quá trình trích ly cĩ bản chất là một quá trình hĩa lý, trong đĩ xảy ra hiện tượng khuếch tán của vật chất. Cụ thế là cĩ 2 dịng chuyên động chính: khuếch tán của nước từ ngồi vào hạt và sự khuếch tán của các chất hịa tan từ nguyên liệu vào dung mơi. Tốc độ của quá trình khuếch tán phụ thuộc vào các điều kiện kỳ thuật của quá trình trích ly. Sự khuếch tán nĩi trên dẫn đến những biến đơi về mặt vật lý của hai pha rắn và lỏng trong hồn họp:
Pha ran - 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 cĩ cấu trúc cứng, giịn, khơng nén được (độ âm của hạt cà phê sau rang xay nhỏ hơn 5%). Khi cho vào nước đê 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.
Đ[z] án mơn hizlc GVHD:Huỳnh Quang PhMc
DIE tài: Cà Phê Trang
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 khơ trong dịch trích tăng lên theo thời gian. Nồng độ chất khơ càng cao thì tỷ trọng và độ nhớt của dịch trích cà phê càng tăng, cần chú ý hiện tượng này vì trong quátrình trích ly nhiều bậc, các bậc trích ly cuối cùng cĩ độ nhớt của dịch trích ly cao hơn so với các bậc trích ly đầu tiên, do đĩ, tốc độ lọc sẽ giảm.
Biến đổi hĩa lý khác cần được chú ý là hiện tượng bay hơi nước làm cuốn theo các họp chất dễ bay hơi (đặc biệt là các hợp chất tạo hương). Do đĩ, trong quá trình trích ly, cần đảm bảo độ kín của thiết bị đê hạn chế hiện tượng bay hơi nĩi trên, dẫn đến sự làm giảm hàm lượng hương trong bột cà phê hịa tan.
❖Hĩa học
- Trong quá trình trích ly, nồng độ chất khơ 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, thơng thường, hiệu suất trích ly các chất cĩ trong cà phê rang xay nhu sau: 100% CGA, 90% các chất khống, 85-100% alkaloid và chlorogenic, 40- 100% chất bay hơi, 15- 20% protein, 20-25% menanoidin, 1,5% dầu coffee. Nồng độ chất khơ trong dịch trích cuối cùng cĩ thế 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 tơn 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 mơi trường nước, các
hợp chất cao phân tử cĩ thê bị thủy phân, đặc biệt là các polysaccharide khơng bị phân hủy trong quá trình rang như cellulose và hemicellulose. Chính biến đổi này gĩp 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 cĩ cấu tạo dạng thân trụ, đáy cơn, cĩ 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. Đe 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- 100°c, thời gian trích ly trong 1 bình xấp xỉ 45 phút. Phương pháp này cĩ 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 chuyên trong buồng trích ly. Nước nĩng (thường là 100°C) sẽ di chuyên theo chiều ngược lại. Khi cà phê và nước tiếp xúc với nhau, quá trình trích ly sẽ diển ra. Hiện nay cĩ nhiều thiết kế cho dạng thiết bj này. Một trong sổ đĩ là thiết bị trí ly Hilebrandt.
-Kết hợp 2 phương pháp: đầu tiên cà phê được trích theo phương pháp trích ly
Đ[z] án mơn hizlc GVHD:Huỳnh Quang PhMc
DIE tài: Cà Phê Trang
Ưu điếm của phương pháp này là nâng cao hiệu quả trích ly so với phương pháp trích ly gián đoạn.
> Các thơng số cơng nghệ
-Nguyên liệu: kích thước của bột cà phê càng lớn thì tốc độ quá trình trích ly
càng nhỏ. Thơng thường, kích thước nguyên liệu cà phê trong quá trình trích ly khoảng 400 - 1200|im. 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 hĩa học và quá trình rang.
-Nhiệt độ: nhiệt độ trong quá trình trích ly của dung mơi càng cao thì tốc độ
khuếch tán các chất hịa tan vào nước càng cao, tốc độ trích ly càng nhanh. Ngồi ra, khi nhiệt độ tăng, độ hịa tan của một số thành phần cĩ trong nguyên liệu cà phê sẽ tăng, do đĩ hiệu suất trích ly các chất nay cũng tăng. Ket qủa là lượng chất khơ trích được cũng tăng lên. Trong cơ sở sản xuất quy mơ nhỏ, thơng thường thì quá trình trích ly được thực hiện ở nhiệt độ là 100°c. cịn đối với các cơng ty sản xuất với năng suất lớn, nhiệt dộ quá trình trích ly cĩ thể đên đến 180°c, vì nhiệt độ càng cao thì yêu cầu về vốn đầu tư thiết bị sẽ càng cao.
-Tỷ lệ dung mơi trích so với nguyên liệu cà phê: cùng 1 lượng nguyên liệu,
lượng dung mơi càng nhiều thì tốc độ quá trình càng nhanh, các chất hịa tan càng được trích ly triệt đê. Tuy nhiên, khi lượng dung mơi sử dụng càng nhiều, nồng độ chất khơ trong
dung dịch sẽ càng thấp, chi phí cho quá trình cơ đặc và sấy tăng lên. Thơng 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.
Đen một thời điếm nào đĩ, quá trình trích ly đạt trạng thái cân bằng, hiệu suất trích ly sẽ khơng tăng nữa. Thời gian trích ly phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình trích ly và tỷ lệ dung mơi/ nước.
4- Lọc
> Mục đích cơng nghệ: hồn thiện
Quá trình lọc sẽ loại bỏ các hợp chất khơng tan cĩ trong dịch trích cà phê đê nâng cao chất lượng cho sản phẩm. Thơng thường dịch trích ly cịn lẫn bã cà phê do bã khơng được giữ lại hồn tồn khi dịng dich trích đi ra khỏi thiết bị trích ly. Quá trình lọc sẽ loại bỏ những tạp chất này, đảm bảo khi hịa tan sản phẩm đe sử dụng sẽ khơng thấy cặn xuất hiện.
> Phương pháp thực hiện
Quá trình tách tạp chất khơng tan trong dịch trích cĩ 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 hon 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 bơ sung bột trợ lọc đế hạn chế sự tắc nghẽn bề mặt lọc.
Đ[z] án mơn hizlc GVHD:Huỳnh Quang PhMc
DIE tài: Cà Phê Trang
> Mục đích cơng nghệ: khai thác
Trong các quá trình xử lý bằng nhiệt độ cao (như quá trình trích ly, quá trình cơ đặc...) sẽ xảy ra hiện tượng tổn thất các cấu tử hương. Do đĩ, cà phê sẽ được xử lý đê tách các cấu tử hương (stripping flavour). Hương này sẽ được bổ sung trở lại vào sản phấm cà phê hịa tan trước hoặc sau quá trình sấy phun (trước quá trình tạo hạt).
Phương pháp thực hiệ
nHiện nay cĩ khá nhiều cách đê thực hiện quá trình tách hương. Dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp tách hương phổ biến trong sản xuát cà phê hịa tan.
- Phương pháp dung hơi nước nĩng quá bão hịa, thổi qua khối cà phê chuẩn bị cho
quá trình trích ly. Hơi này sẽ được đem ngưng tụ và bơ sung lại vào dich trích cà phê sau khi đã cơ dặc. Nhược điểm của phương pháp này là tốn thời gian và phải xử lý ở nhiệt độ cao, cĩ thể làm một sổ cấu tử bị phân hủy bởi nhiệt.
- Phương pháp Sivezts: cà phê được cho vào các tank trích ly. Nước nĩng được bơm
vào từ đáy tank sẽ dâng lên và đây khí trong khối cà phê dần đi ra. Khi cĩ nhiệt độ cao, các cấu tử hương cũng bay hơi theo các khí. Khí này sẽ được thu hồi và hĩa lỏng, sau đĩ bồ sung vào dịch cà phê sau khi cơ đặc. Nhược điêm 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 cĩ nhiệt độ khá cao (khoảng 100 - 130°C) sẽ được đưa vào thiết bị tách hương. Thiết bị này cĩ 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 chuyên dần xuống đáy. Trong quá trình đĩ dịch trích sẽ dàn mỏng lên các đTa. Khí trơ sẽ được thổi từ đáy lên và lơi cuốn các cấu tử hương ra. Hỗn họp khí được thu hồi ở đỉnh và đem đi ngưng tụ, sau đĩ bổ sung vào dịch cà phê sau khi cơ đặc. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
4- Quá trình cơ đặc
> Mục đích: khai thác
Sau khi trích ly xong, nồng độ chất khơ hịa tan trong dịch trích cà phê thường thấp. Hiện nay, nồng độ chất khơ trong dịch trích cao nhất cĩ thế đạt được khoảng 25 - 30% (w/w). Khi nồng độ chất khơ cịn thấp như thế việc thực hiện quá trình sấy đê thu hồi sản phấm sẽ khơng mang lại hiệu quả kinh tế cao. Do đĩ, dịch trích cần phải được cơ đặc đến nồng độ chất khơ cao hơn đê quá trình sấy được thực hiện dễ dàng hơn. Như vậy, mục đích
của quá trình cơ đặc là nâng cao nồng độ chất khơ cĩ trong dịch trích nhằm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sấy.
> Các biến đơi của nguyên liệu
Trong quá trình cơ đặc cần quan tâm đến một số biến đổi chính sau đây:
-Sự tăng độ nhớt của dịch trích: trong quá trình cơ đặc, nồng độ chất khơ của
Đ[z] án mơn hizlc GVHD:Huỳnh Quang PhMc
DIE tài: Cà Phê Trang
-Hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi: trong quá trình cơ 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 tơn thất hương, làm giảm cường độ hương của sản phâm. Đê hạn chế việc tơn thất hương, người ta thực hiện quá trình tách hương trước khi cơ đặc.
-Sự thay đối nồng độ chất khơ: nồng độ chất khơ trong dịch trích cà phê sẽ
tăng lên sau khi dịch trích được cơ đặc. Nồng độ chất khơ thích hợp cho quá trình sấy dịch trích cà phê là 40 - 42% (w/w).
> Phương pháp thực hiện
Hiện nay cĩ nhiều phương pháp khác nhau để cơ đặc dịch trích cà phê. Trong đĩ cĩ 3 phương pháp được sử dụng khá phơ biến:
-Phương pháp cơ đặc bốc hơi: phương pháp này sử dụng nhiệt đế thực hiện quá trình cơ đặc. Cần lưu ý là quá trình cơ đặc này thường thực hiện ở điều kiện chân khơng đe tăng hiệu quả quá trình cơ đặc, đồng thời hạn chế các biến đơi của những cấu tử trong dịch trích cà phê do tách động của nhiệt độ.
-Phương pháp cơ đặc kết tinh: trong phương pháp này, dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh đến 2°c. Sau đĩ dung dịch được làm lạnh chậm đến nhiệt độ -4°c. Khi đĩ, nước sẽ kết tinh. Tốc độ làm lạnh càng chậm, tinh thê tạo thành càng to, quá trình tách các tinh thê 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 2°c, 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 - 4°c và duy trì ở nhiệt độ này cho đến khi quá trình kết tinh hồn thành. Sau đĩ tinh thể đá cĩ thể được tách ra bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm.
-Phương pháp cơ đặc bằng membrane: trong phương pháp này dịch trích cà phê được phân riêng bằng membrane với dịng reteníate là dịng dich trích cà phê cơ đặc và dịng permeate là dịng thải bỏ. Thơng thường, trong cơ đặc cà phê hai kỹ thuật membrane thường được ứng dụng là kỹ thuật lọc nano và kỹ thuật thâm thấu ngược. Ưu điêm của phương pháp cơ đặc bằng membrane là chất lượng cảm quan của dịch trích khơng ảnh hưởng đáng kể, chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, chi phí đầu tư thiết bị membrane khá cao và nồng độ chất khơ cuối cùng của dịch cơ đặc thường thấp hơn các phương pháp khác. Do đĩ, membrane thường được sử dụng như quá trình tiền cơ đặc, sau đĩ cĩ thể thực hiện tiếp quá trình cơ đặc chân khơng hay cơ đặc kết tinh.
4- Sấy
> Mục đích cơng nghệ: hồn thiện
Quá trình sấy dịch cà phê cơ đặc (cĩ nồng độ chất khơ 40 - 42%) nhằm tách nước đê thu hồi sản phẩm cĩ dạng bột. Sản phẩm cà phê hịa tan thường cĩ độ ẩm từ 2 - 5% (w/w). Phương pháp sấy thường được sử dụng trong sản xuất cà phê hịa tan là sấy thăng hoa và sấy phun.
> Các biến đổi của nguyên liệu
Trong quá trình sấy, tùy theo phương pháp sấy mà cĩ những biến đoi khác nhau. Tuy nhiên, các biến đơi diễn ra trong quá trình sấy dịch cà phê cơ đặc thường khơng đảng kê, chủ yếu là sự bay hơi của ẩm. Trong quá trình sấy phun,
Đ[z] án mơn hizlc GVHD:Huỳnh Quang PhMc
DIE tài: Cà Phê Trang
quá trình bay hơi nước diễn ra với tổc 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.
Đ[z] án mơn hlHc GVHD:Huỳnh Quang Phí?]0C
Ngồi sự bay hơi ẩm, trong quá trình sấy phun cịn cĩ 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. Thơng thường, đê đảm bảo chất lượng hương vị của cà phêhịa 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. Neu sử dụng phương pháp sấy thăng hoa, hiện tượng tổn thất hương sẽ được hạn chế.
> Phương pháp thực hiện và thiết bị
Hệ thống thiết bị sấy phun và sấy thăng hoa dịch cà phê đặc thường cĩ cấu tạo tương tự như các thiết bị sấy phun và sấy thăng hoa cho các sản phấm khác, cần chú ý là sản phấm cà phê cĩ yêu cầu rất cao về tính chất cảm quan,