2.2.1. Tiếp nhận và làm sạch
Sau khi thu hoạch, lên men và sấy khô, hạt ca cao có thể được xuất khẩu. Phương thức vận chuyển là chứa trong túi, các container rời hoặc trong hầm tàu. Sau nhiều năm, phương thức vận chuyển bằng tàu trở nên rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi. Việc “xay” hoặc chế
ca cao khối, và thậm chí cả chocolate, ngày càng được nhiều nhà sản xuất gia công cho một số công ty chuyên sản xuất.
2.2.1.1. Mục đích
Trước khi chế biến ở các công đoạn tiếp theo, hạt phải luôn được làm sạch để loại bỏ các thành phần không phải ca cao, ví dụ như đá và các mảnh kim loại. Các tạp chất có thể gây mòn và hư hỏng các máy móc.
2.2.1.2. Thiết bị làm sạch
2.2.1.2.1. Cấu tạo thiết bị làm sạch
Hình 2.4. Sơ đồ mô tả hệ thống thiết bị làm sạch hạt ca cao
(1) Cửa vào; (5) Bộ phận tách đá và phân ly tầng sôi;
(2) Bộ vận chuyển; (6) Thiết bị hút;
(3) Bộ phân ly bằng sàng; (7) Bộ lọc hút;
(4) Bộ phân ly từ tính; (8) Khóa khí.
(A) Tạp chất thô; (E) Tạp chất mật độ cao (đá, thủy tinh,...);
(B) Tạp chất mịn; (F) Sản phẩm đã làm sạch (hạt ca cao);
(C) Hút (bụi, vỏ,...); (G) Bụi bẩn.
Hình 2.5. Hệ thống thiết bị làm sạch hạt ca cao 2.2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Việc làm sạch thường được thực hiện theo nhiều giai đoạn (xem Hình 2.4): + Loại bỏ các tạp chất thô và mịn bằng sàng;
+ Loại bỏ sắt bằng nam châm;
+ Phá hủy và loại bỏ các tạp chất mật độ cao khác; + Hút bụi trong một số bước làm sạch.
Một bộ sàng rung loại bỏ cả các hạt rất lớn và rất nhỏ bằng cách sàng. Hạt, mảnh gỗ, dây và các mảnh vụn lớn khác được thu gom bằng sàng thô, trong khi hạt ca cao lọt qua. Các hạt nhỏ hơn sau đó lọt qua các lỗ sàng nhỏ hơn.
Sử dụng kỹ thuật dòng khí ngược, các hạt mịn và mật độ thấp được tách ra khỏi hạt ca cao trong quá trình làm sạch. Việc loại bỏ bụi và cát là rất quan trọng, do tính chất mài mòn của nó, chúng sẽ nhanh chóng làm mòn các viên bi trong thiết bị nghiền bi hoặc bề mặt của các trục nghiền.
Vật liệu sắt được loại bỏ bằng nam châm, nhưng máy dò kim loại vẫn có thể được sử dụng trong quá trình xử lý tiếp theo. Bộ phận tách đá (destoner) giúp loại bỏ đá và các hạt nặng
cùng của sàng nghiêng khi có không khí đi qua sàng. Các hạt nhẹ hơn (hạt ca cao) vẫn ở phía dưới.
2.2.2. Rang
2.2.2.1. Mục đích
Giảm độ ẩm của hạt xuống còn 2.5-5% giúp hạt giòn, dễ tách vỏ và nghiền hơn, kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
Tạo nên màu sắc và hương vị đặc trưng của bột ca cao (sản phẩm phụ). Bất hoạt enzyme và tiêu diệt các vi sinh vật có hại (ví dụ Salmonella).
2.2.2.2. Phương pháp thực hiện
Rang nguyên hạt là một quá trình mà nhiệt được cung cấp liên tục trong một khoảng thời gian cần thiết đủ để xuyên thấu qua nhân của từng hạt mà lại không làm cháy lớp vỏ hạt. Kết cấu của máy sao cho hạt không bị nhiễm bẩn các sản phẩm cháy của nguyên liệu, các acid bay hơi, ẩm và các sản phẩm phân huỷ khác trong quá trình rang được thoát ra dễ dàng. Cường độ và thời gian phải điều chỉnh cho phù hợp với từng giống, cỡ hạt, hàm lượng ẩm và loại sản phẩm tinh chế ra. Thời gian rang thay đổi trong khoảng 45-70 phút tuỳ theo kết cấu máy và khối lượng sản phẩm.
Nhiệt độ rang không được quá cao (nhiệt độ không khí khoảng 250-300℃), nếu quá nhiệt độ trên, dầu ca cao sẽ phân huỷ tạo ra acrolein làm giảm vị ngon của hạt ca cao. Tuy nhiên, nhiệt độ rang cũng phụ thuộc vào sản phẩm cần sản xuất. Để sản xuất bột ca cao thì nhiệt độ rang khoảng 120-150℃, còn để sản xuất bơ ca cao thì phải rang ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 100-104℃. Các mức nhiệt độ nêu ở đây là nhiệt độ đo được ở hạt ca cao khi kết thúc mẻ rang. Các nhiệt độ rang thấp hơn áp dụng trong sản xuất bơ ca cao bằng phương pháp ép đùn vì chỉ cần đủ làm ấm hạt lên nhằm làm lỏng lớp vỏ hạt, đồng thời sẽ tạo cho bơ ca cao một hương vị rất nhẹ thích hợp cho ngành chế biến chocolate sữa.
Phương pháp này có ưu điểm là sau khi rang việc tách vỏ và phân riêng thực hiện dễ dàng, tuy nhiên nó có 2 nhược điểm: Một là khi rang có khoảng 0.5% bơ ca cao di chuyển vào vỏ và bị mất đi khi tách vỏ. Hai là phải tiêu tốn một lượng nhiệt khoảng 44% cho việc làm nóng vỏ.
Trong quá trình rang cần khống chế nhiệt độ theo yêu cầu để không làm cháy vỏ. Sau quá trình rang, tiến hành làm nguội ngay để tránh hiện tượng cháy xám.
Để chất lượng rang tốt người ta còn phân loại theo kích thước hạt trước khi rang vì khi thiết lập chế độ rang cho các hạt trung bình thì các hạt nhỏ sẽ bị cháy ảnh hưởng mùi vị xấu đến chất lượng trong khi đó các hạt lớn ở trung tâm hạt vẫn chưa được rang đầy đủ, phần không được rang các thành phần hóa học không được tác động nhiệt nên hương vị của các sản phẩm tạo thành sẽ giảm (Hình 2.6 và Hình 2.7).
Hình 2.6. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến mức độ rang của hạt ca cao
Hình 2.7. Sự thay đổi nhiệt độ trong thiết bị rang và bên trong hạt ca cao trong đầu quá trình rang
Để khắc phục điều này, hai phương pháp rang thay thế đã được phát triển. Ban đầu, chỉ rang phần nhân của hạt, vì vậy các hạt ca cao nhỏ hơn nhiều và nhiệt có thể dễ dàng đi đến giữa hơn. Quá trình này được gọi là rang nhân hạt. Trong phương pháp thứ hai, ca cao ngòi được nghiền mịn, nó được chuyển thành ca cao liquor (còn được gọi là ca cao khối). Tại đây, bơ ca cao đã được giải phóng khỏi các tế bào bên trong hạt, để khi được gia nhiệt, nó sẽ chuyển thành chất lỏng. Chất lỏng này sau đó có thể được làm nóng trong một quá trình gọi là rang ca cao liquor. Sơ đồ quy trình của các phương pháp rang khác nhau được đưa ra trong Hình 2.8.
Hình 2.8. Sơ đồ mô tả ba quá trình rang hạt ca cao khác nhau
Cả hai phương pháp này đều yêu cầu loại bỏ vỏ trước khi rang. Việc này phải được làm cẩn thận, vì vỏ thường có các hạt silica bám vào, thường có nguồn gốc từ khi hạt ca cao được phơi trên mặt đất. Những thứ này cùng với vỏ rất cứng, sẽ làm hỏng bất kỳ thiết bị nghiền nào trong quá trình làm chocolate. Ngoài ra, đôi khi có các yêu cầu pháp lý quy định rằng chỉ một lượng vỏ xác định có thể tồn tại trong các sản phẩm dưới dạng chocolate.
2.2.2.3. Các biến đổi
2.2.2.3.1. Sự thay đổi hàm lượng ẩm
Hàm lượng ẩm trong hạt ca cao trước khi rang khoảng 6-8%, độ ẩm này phân bố trong hạt ca cao không đồng đều, độ ẩm trong lõi cao hơn nhiều lần độ ẩm trong vỏ. Sau khi rang, độ ẩm còn lại trong hạt còn khoảng 2%, độ ẩm này có ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.
Nếu độ ẩm của hạt sau khi rang < 1% thì tính chất công nghệ của bột thô sẽ xấu đi. Đồng thời, nó sẽ làm giảm mức độ nghiền và lượng dầu khi ép.
Sau khi rang, khả năng hút ẩm của hạt và của bột thô sẽ khác trước. Nếu độ ẩm của không khí càng cao thì chúng hút ẩm càng mạnh. Kết quả nghiên cứu khả năng hút ẩm của hạt ca cao đã rang bảo quản trong bình hút ẩm ở nhiệt độ bình thường với độ ẩm của không khí khác nhau thể hiện ở Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Khả năng hút ẩm của hạt ca cao phụ thuộc vào độ ẩm của không khí trong quá trình bảo quản (Nguyễn Thị Hiền và Nguyễn Văn Tặng, 2010)
Độ ẩm của không khí (%) Thời gian bảo
quản (ngày) Độ ẩm bảo quản (%) Hạt ca cao Bột thô 56 67 77 82 56 67 77 82 0 2.6 2.6 2.6 2.6 2.5 2.5 2.5 2.5 2 2.9 4.0 4.3 4.8 3.2 4.8 5.1 4.4 4 2.9 5.0 4.9 5.8 3.2 5.5 6.1 9.0 6 2.9 5.6 5.6 6.7 3.2 6.1 6.7 10.8 8 2.9 6.1 6.0 7.3 3.2 6.9 7.0 11.5
10 2.9 6.1 6.4 7.8 3.2 7.0 7.5 12.0
12 2.9 6.1 6.7 7.6 3.2 7.1 7.5 12.1
14 2.9 6.1 6.7 7.6 3.2 7.1 7.5 12.1
2.2.2.3.2. Sự thay đổi độ acid và các chất dễ bay hơi
Các chất dễ bay hơi trong ca cao làm cho nó có mùi khó chịu. Hàm lượng các chất dễ bay hơi (tính theo acid acetic) trước khi rang là 0.4%, sau khi rang là 0.3%. Độ acid tính theo acid acetic trước khi rang là 0.92%, sau khi rang là 0.67%. Acid dễ bay hơi bị tách ra trong khi rang có kèm theo sự tiêu hao chất khô, lượng chất khô bị tiêu hao khoảng 0.1-0.2%.
2.2.2.3.3. Sự thay đổi chất chát (polyphenol)
Chất chát trong ca cao làm cho nó có vị chát và đắng, chất chát gồm hai nhóm:
Chất chát thuỷ phân: Là hợp chất mà nhân phenol trong các phân tử của chúng được nối lại bằng các nguyên tử oxy tạo thành hợp chất phức tạp hơn. Những chất này có đặc tính của ether, khi đun nóng với nước hoặc acid loãng chúng tách ra thành hợp chất có phân tử bé hơn và khi tác dụng với muối của oxide sắt cho màu xanh thẫm.
Chất chát ngưng tụ: Là hợp chất mà các nhân phenol trong các phân tử của chúng được nối lại bằng các liên kết carbon. Các chất này không bị thuỷ phân khi đun nóng với acid loãng tạo thành các chất đơn giản. Khi tác dụng với muối của oxide sắt thì nhóm chất này cho màu xanh lục thẫm. Dưới tác dụng của acid mạnh thì chúng bị ngưng tụ tạo ra các flobaphen và nếu bị tác dụng mạnh của kiềm thì các mạch carbon của chất này có thể bị thuỷ phân.
Qua nghiên cứu cho thấy, chất chát trong hạt ca cao sau khi lên men chính là những sản phẩm ngưng tụ của các hợp chất polyphenol. Hàm lượng chất chát trong hạt phụ thuộc vào loại ca cao và chiếm khoảng 3-6% nhưng sau khi rang còn lại 2-3%.
2.2.2.3.4. Sự thay đổi chất màu
Trong quá trình rang, một phần chất chát tạo thành flobaphen có màu nâu đỏ. Ngoài ra, trong hạt ca cao còn chứa một số nhóm màu khác như anthocyanin.
Trong hạt ca cao tươi không lên men hoặc lên men yếu còn có chứa chất màu mang tính chất đặc trưng của anthocyanin có màu tím, hoà tan khá trong rượu, hoà tan yếu trong nước và không hoà tan trong ether, chloroform, benzene. Chất màu này có vị đắng, cay, sắc tố của nó trong môi trường trung tính có màu đỏ tía, trong môi trường acid chuyển sang màu đỏ còn trong môi trường kiềm trở thành màu xanh.
Như vậy, trong quá trình rang sự thay đổi chất màu trong hạt không những do sự oxy hoá chất chát mà còn do sự biến đổi của các chất màu có trong thành phần hạt ca cao. Ngoài các biến đổi trên, trong quá trình rang tinh bột không hoà tan chuyển sang dạng hoà tan, một lượng dầu chuyển từ bên trong ra bên ngoài vỏ, ngoài ra hàm lượng chất thơm tăng lên đáng kể.
2.2.2.4. Thiết bị rang
2.2.2.4.1. Cấu tạo thiết bị
(1) Cửa vào; (2) Cửa ra; (3) Trống rang; (4) Buồng đốt;
(5) Cửa vào không khí nóng để gia nhiệt đối lưu; (6) Cửa khí thoát ra từ bên trong trống rang; (7) Cửa khí thoát ra từ bên ngoài trống rang;
(8) Cửa để bơm nước, hơi nước và các thành phần khác; (9) Bộ làm mát. 1 2 3 5 6 7 8 9
(A) Cửa nhập liệu; (D) Bộ gia nhiệt khí;
(B) Trục cấp liệu; (E) Bộ lọc khí;
(C) Quạt hút gió; (F) Vít tháo liệu.
2.2.2.4.2. Nguyên tắc hoạt động
Thiết bị rang hạt ca cao theo mẻ thường được sử dụng trong ngành công nghiệp ca cao để rang ca cao ngòi (Hình 2.9 và Hình 2.10). Nguyên lý hoạt động của các thiết bị rang này nói chung là giống nhau. Ca cao ngòi được đưa vào trống rang và tùy theo yêu cầu, nước có thể được thêm vào và một phương pháp rang cụ thể sẽ được áp dụng. Quá trình rang xảy ra bởi nhiệt từ thành trống và sản phẩm nhào trộn trong trống, do đó tránh được hiện tượng cháy và quá nhiệt cục bộ.
Sau khi rang, sản phẩm được làm nguội trong thiết bị mát bên ngoài. Khi sử dụng các loại thiết bị rang dạng trống này, điều cực kỳ quan trọng là phải duy trì sự tách biệt chặt chẽ giữa phần ca cao ngòi nguyên liệu và phần ca cao ngòi đã được rang, vì việc nhập liệu và tháo liệu xảy ra qua cùng một cửa có thể dễ dàng xảy ra nhiễm chéo.
Ngoài ra, có thể sử dụng thiết bị rang hạt ca cao liên tục dạng đứng cho hạt ca cao hoặc ca cao ngòi (Hình 2.11). Loại thiết bị rang trục này được chia thành nhiều phần: phần trên dùng để rang, phần dưới dùng để làm nguội.
Thiết bị rang sẽ được nhập liệu từ phía trên và sản phẩm rơi xuống hệ thống rang thông qua một loạt các kệ. Mỗi kệ sẽ được lắp đặt nghiêng để tải hạt ca cao xuống kệ bên dưới. Không khí nóng đi qua các khe hẹp đặc biệt trong các kệ, đảm bảo luồng không khí trong hệ thống rang được phân bố đều. Các kệ dưới cùng của thiết bị được sử dụng để làm mát.
2.2.2.4.3. Thông số công nghệ
Nhiệt độ rang: 110-140℃. Thời gian: 15-30 phút.
Độ ẩm của hạt sau khi rang 2-5%.
2.2.3. Làm nguội
Hạt ca cao sau khi rang được đem đi làm nguội nhanh nhằm tản nhiệt cho hạt, tránh các biến đổi không có lợi xảy ra và giải phóng khí CO2 sinh ra trong quá trình rang tạo thuận lợi cho các quá trình tiếp theo.
Làm nguội bằng cách rải hạt ca cao lên sàng kết hợp với quạt thổi không khí để tránh tổn thất các chất.
2.2.4. Tách vỏ
2.2.4.1. Mục đích
Trong vỏ hạt ca cao có tới gần 17% chất xơ, còn nhân thì cứng nên khó nghiền. Vì vậy, phải tiến hành đập vỡ hạt ca cao thành các mảnh nhỏ rồi mới tách nhân ra khỏi vỏ.
Phân ly nhằm tách lớp vỏ cứng và vỏ lụa cùng bụi ra khỏi lớp nhân, do vỏ hạt ca cao có hàm lượng cellulose cao (17%) nên khó tiêu hoá, làm giảm chất lượng của sản phẩm. Sau khi tách vỏ hàm lượng vỏ có trong hạt khoảng 0.5-2%.
Bảng 2.2. Thành phần của hạt ca cao sau khi rang (Nguyễn Thị Hiền và Nguyễn Văn Tặng, 2010) Thành phần Vỏ trấu (%) Nhân (%) Độ ẩm 3.8 2.7 Protein 13.1 12.1 Cafein 0.1 0.4 Theobromin 1.3 1.0 Lipid 3.4 50.1 Tinh bột 2.8 9.1 Cellulose 16.7 2.6
Chất không chứa Nitơ - 19.6
Tro 8.1 3.3
2.2.4.2. Phương pháp thực hiện
Hạt sau khi rang phải qua thời gian làm nguội, để lượng ẩm phân bố đều, vỏ hạt giòn dễ tách. Sau đó chuyển đến thiết bị tách vỏ, bên trong của thiết bị này có dạng hình nón và cơ cấu răng cưa. Sau đó, cho hạt qua sàng kiểu khung rây để phân loại hạt theo kích thước và cuối cùng hạt được qua máy thổi khí để lọai bỏ những hạt gãy và những mảnh bụi và vỏ nhỏ còn sót lại.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách vỏ là: Tính chất của hạt, loại hạt, giống, độ đồng đều của khối hạt, trạng thái của vỏ, độ ẩm của hạt, tính năng thiết bị.
2.2.4.3. Thiết bị tách vỏ
2.2.4.3.1. Cấu tạo thiết bị
(1) Máy nghiền thứ nhất; (6) Máng thu ca cao ngòi;
(2) Máy nghiền thứ hai; (7) Máng thu vỏ ca cao;
(3) Hệ thống sàng; (8) Gàu tải;
(4) Khung rây; (9) Cyclone.
(5) Hệ thống thổi khí;
Hình 2.13. Thiết bị tách vỏ 2.2.4.3.2. Nguyên lý hoạt động
Khung rây thường được chia làm 7 lớp có kích thước tăng dần theo dòng chảy của hỗn hợp là 0.75, 1.5, 3, 4.5, 6, 7, 8 mm. Do đó, những phần có kích thước lớn hơn 8mm sẽ chuyển đến đoạn cuối của rây rồi rơi vào máy riêng. Nhờ vít tải chuyển trở về gầu tải để đưa lại máy đập.
Sau khi qua khung rây chia hỗn hợp nhân và vỏ ra thành từng loại có kích thước như trên, từng phần một sẽ rơi vào thùng gió để tách nhân và vỏ riêng nhau ra.
Bảng 2.3. Tỷ lệ của từng thành phần sau khi rây (Nguyễn Thị Hiền và Nguyễn Văn Tặng, 2010)
Cấu tử Kích thước lỗ rây (mm) Tỷ lệ của từng phần (%) Hàm lượng chung (%) Tỷ lệ vỏ (%) 1 0.75 5.074 5.032 2 1.50 2.272 1.262 3 3.00 7.608 1.338 4 4.50 19.412 0.972 5 6.00 28.242 1.162 6 7.00 33.100 2.420 7 8.00 4.292 0.622
Phần nhân có chất lượng đạt yêu cầu được đưa đến công đoạn sản xuất tiếp theo.