(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 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. Phần vỏ được tái sử dụng làm thức ăn gia súc, phân bón hoặc sản xuất năng lượng.
2.2.5. Nghiền
2.2.5.1. Mục đích
Mục đích của quá trình nghiền là để tách chất béo từ bên trong các tế bào. Chất béo có thể được giải phóng bằng cách phá vỡ các tế bào. Điều này có nghĩa là khi nghiền làm giảm kích thước tế bào, ca cao liquor tạo ra sẽ trở nên loãng hơn do có nhiều chất béo tự do xung quanh hơn. Cuối cùng, không còn chất béo nào được giải phóng, và quá trình nghiền tiếp theo chỉ tạo ra các bề mặt mới được phủ bởi chất béo khi nó làm rách các tế bào. Điều này làm cho ca cao liquor trở nên đặc quánh trở lại.
Khi nghiền, do ma sát làm cho nhiệt độ của khối bột ca cao tăng lên đến quá 32℃, ở nhiệt độ này dầu ca cao bị chảy lỏng nên quá trình nghiền sẽ không thể đạt được đến độ mịn theo yêu cầu hoặc thậm chí không thể nghiền được. Vì vậy, trong quá trình nghiền bột thô phải khống chế nhiệt độ của khối bột không quá 32℃.
2.2.5.2. Các biến đổi
Vật lý: Hạt bị giảm kích thước do tế bào bị xé vỡ. Đây là biến đổi có lợi, kích thước hạt càng nhỏ thì kiềm hóa dễ và tăng tính hcaats cảm quan của sản phẩm.
Hóa lý: Có sự thay đổi pha của khối ca cao trước và sau khi nghiền, ban đầu ở dạng rắn chuyển sang dạng huyền phù. Đây là biến đổi có lợi do ở dạng huyền phù giúp cho quá trình kiềm hóa được thực hiện dễ dàng hơn.
2.2.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền 2.2.5.3.1. Độ ẩm 2.2.5.3.1. Độ ẩm
Thành tế bào chủ yếu được cấu tạo từ cellulose. Tốc độ chất béo có thể đi qua cellulose phụ thuộc vào lượng ẩm có trong chất béo. Khi chất béo được ép ra khỏi ca cao, quá trình chiết xuất này có thể được hỗ trợ bằng cách bổ sung ẩm vào liquor. Tuy nhiên, khi nghiền, tốt hơn là nên có độ ẩm thấp hơn. Nếu độ ẩm của bột thô cao thì độ giòn của nó giảm do đó khó nghiền bột đến kích thước cần thiết. Như vây, độ ẩm của bột thô cần giữ khoảng 2-2.5%. Qua nghiên
Bảng 2.4. Ảnh hưởng bởi độ ẩm của bột thô đến độ nhớt của nó (Nguyễn Thị Hiền và Nguyễn Văn Tặng, 2010) Độ ẩm (%) Độ nhớt 2.53 1.0 3.65 1.4-1.5 4.90 2.2 2.2.5.3.2. Nhiệt độ
Trong thời gian nghiền, do ma sát nên khối ca cao bị nóng lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của bơ ca cao, cho nên khối ca cao sau khi nghiền có dạng sền sệt. Như vây, khối ca cao nghiền (trong đó có gần 55% là bơ ca cao) ở dạng huyền phù mà bơ ca cao là pha loãng còn pha rắn là protide và tinh bột (hay bột ca cao). Nhiệt độ càng cao độ nóng chảy của khối ca cao càng lớn dẫn đến khó nghiền.
2.2.5.4. Thiết bị nghiền
Cần nghiền ca cao ngòi từ kích thước hạt tối đa khoảng 0.5 cm xuống dưới 30 micron. Điều này có nghĩa là kích thước các hạt phải được nghiền nhỏ 100 lần. Hầu hết các thiết bị nghiền chỉ có thể hoạt động hiệu quả nếu giảm được 10 lần kích thước, vì vậy cần ít nhất hai công đoạn nghiền. Ngoài ra, một số thiết bị nghiền hoạt động tốt hơn với vật liệu cứng, trong khi những thết bị khác sẽ chỉ hoạt động với chất lỏng. Điều này có nghĩa là ca cao thường được nghiền hai lần, ban đầu bằng một thiết bị nghiền va đập làm tan chảy chất béo và tạo ra chất lỏng chứa các hạt lớn có đường kính vài trăm micron. Thiết bị nghiền thứ hai thường là thiết bị nghiền bi chỉ hoạt động với chất lỏng, hoặc thiết bị nghiền đĩa sẽ hoạt động với vật liệu lỏng hoặc rắn. Các hạt ca cao được nghiền bao gồm tinh bột ca cao, chiếm khoảng 6.2% trọng lượng của ca cao liquor. Loại này có kích thước hạt từ 2 đến 12.5 micron và do đó không bị phá hủy bởi quá trình nghiền. Khoảng 10% liquor được tạo thành từ cellulose và tỷ lệ lớn hơn là từ protein.
Bảng 2.5. Thành phần hóa học của ca cao liquor (Nguyễn Thị Hiền và Nguyễn Văn Tặng, 2010)
Thành phần Hàm lượng (%) Thành phần Hàm lượng (%)
Nước 2.0 Tinh bột 6.2
Lipid 55.0 Pentozan 1.5
Protein 10.8 Chất chát 6.0
Theobromin 1.5 Acid hữu cơ 2.5
Đường 1.0 Tro 2.7
Cellulose 2.7 Chất không chứa nitơ 7.7
Nếu nhà máy sẽ ép ca cao liquor để tạo ra bột ca cao, thì ca cao liquor thường không được nghiền mịn như khi ca cao liquor được sử dụng cho chocolate. Điều này là do các hạt ca cao liquor được nghiền rất mịn sẽ làm tắc các bộ lọc trong thiết ép ca cao và làm cho việc loại bỏ bơ ca cao trở nên khó khăn hơn. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất chocolate, điều thuận lợi
2.2.5.4.1. Thiết bị nghiền va đập (Impact Mills)
Thiết bị nghiền va đập hoạt động bằng cách tác động vào ca cao ngòi bằng chốt hoặc búa chuyển động nhanh. Đôi khi các hạt bị va đập vào sàng hoặc lưới lọc. Bơ ca cao tan chảy do nhiệt từ va chạm và từ chính máy nghiền và các chất béo tự do cùng với các hạt nhỏ hơn sẽ lọt qua rây. Các hạt lớn hơn vẫn ở bên trong cho đến khi bị phá vỡ bởi loạt chốt hoặc búa tiếp theo.
2.2.5.4.2. Thiết bị nghiền đĩa (Disc Mills)
Thiết bị nghiền đĩa thường bao gồm ba cặp đĩa carborundum (Hình 2.14). Ca cao liquor hay ca cao ngòi được đưa vào tâm của bộ đĩa trên cùng, trong đó một đĩa quay và đĩa kia đứng yên. Các đĩa được ép với nhau và ca cao khối bị ép ra bên ngoài bằng lực ly tâm. Lực cắt cao sẽ phá hủy rất nhiều hạt và giải phóng nhiều chất béo. Sau đó, ca cao liquor chảy xuống máng đến tâm của bộ đĩa chính ở giữa và cuối cùng lên bộ thứ ba.
Hình 2.14. Thiết bị nghiền đĩa 2.2.5.4.3. Thiết bị nghiền bi (Ball Mills) 2.2.5.4.3. Thiết bị nghiền bi (Ball Mills)
Phần lớn ca cao trên thế giới được nghiền bằng thiết bị nghiền bi, loại thiết bị này chỉ có thể xay chất lỏng và do đó ca cao thường được nghiền sơ bộ bằng thiết bị nghiền va đập. Thiết bị này có chứa một số lượng lớn các viên bi, được tạo ra để va đập vào nhau, bằng cách làm cho chúng lộn nhào bằng cách xoay thành của thùng chứa hoặc bằng một trục quay ở giữa với
các thanh được đặt cách nhau theo phương vuông góc với trục quay (Hình 2.15). Các viên bi sẽ va đập và xoay (Hình 2.16) và bất kỳ hạt nào bị kẹt giữa chúng đều bị vỡ ra do bị nghiền hoặc bị kéo ra do tác động quay. Các hạt nhỏ hơn di chuyển nhanh hơn trong chất béo khi nó bị đẩy đi bởi các viên bi chuyển động, nhưng những hạt lớn hơn có nhiều khả năng bị nghiền mịn hơn khi chúng di chuyển chậm hơn. Với ca cao liquor thô có chứa các hạt đường kính vài trăm micron, các viên bi có thể có đường kính lên đến 15 mm. Khi muốn có loại liquor mịn hơn, có thể sử dụng một loạt thiết bị nghiền bi, mỗi thiết bị chứa các viên bi nhỏ hơn, khoảng 2 mm. Nhiều viên bi nhỏ hơn sẽ nằm trong cùng một không gian, do đó khả năng một hạt bị kẹt giữa hai viên bi sẽ tăng lên đáng kể. Tốc độ đảo trộn cũng được tăng lên với các viên bi nhỏ hơn.
Hình 2.15. Cấu tạo của thiết bị nghiền bi
Sàng được sử dụng trên đầu ra của các nhà máy để ngăn chặn các viên bi làm hỏng máy móc trong các giai đoạn tiếp theo của quá trình sản xuất. Các viên bi mòn và được thay thế định kỳ. Nam châm trong các đường ống tháo liệu sẽ được lắp đặt để hút bất kỳ mảnh kim loại nào thoát ra khỏi thiết bị nghiền.
2.2.6. Kiềm hóa
2.2.6.1. Mục đích
Hầu hết ca cao liquor được sử dụng để sản xuất bột ca cao được kiềm hóa, trong khi rất ít liquor được sử dụng để làm chocolate được xử lý theo cách này. Quá trình kiềm hóa được phát triển ở Hà Lan vào thế kỷ 19, đó là lý do tại sao nó còn được gọi là quá trình Dutching. Quá trình kiềm hóa có 2 mục đích chính:
+ Hoàn thiện: trong quy trình xử lý ca cao nhân sau thu hoạch có quá trình lên men để tách lớp vở nhầy ra khỏi hạt. Trong quá trình lên men đó, có sự hình thành nên các acid hữu cơ, đặc biệt là acid lactic và acid acetic. Acid acetic bị bay hơi đáng kể trong quá trình phơi sấy, còn acid lactid thì vẫn còn lưu lại trong nhân. Hàm lượng acid cao sẽ làm cho sản phẩm bị chua, làm giảm chất lượng cảm quan của sản phẩm.
Quá trình kiềm hoá sẽ trung hoà các acid này, làm giảm vị chua của sản phẩm. Bên cạnh đó, quá trình kiềm hoá còn góp phần tạo ra các hợp chất tiền hương cho ca cao, góp phần nâng cao chất lượng cảm quan của sản phẩm.
+ Chuẩn bị: khi hạt ca cao được kiềm hoá, một số thành phần tạo cấu trúc của hạt ca cao bị biến đổi, làm hạt ca cao mềm và xốp hơn. Do đó, quá trình ép bơ và nghiền được thực hiện dễ dàng hơn.
2.2.6.2. Các biến đổi
2.2.6.2.1. Biến đổi vật lý
Khi kiềm hóa ca cao mảnh, các thành phần tạo cấu trúc, đặc biệt là các polysaccharide sẽ bị thủy phân. Khi đó, cấu trúc của hạt ca cao sẽ trở nên xốp hơn. Bên cạnh đó, do các phản ứng ngưng tụ của các hợp chất phenol, màu sắc của ca cao sẽ trở nên sậm hơn. Trong trường hợp kiềm hóa ca cao khối, độ nhớt của khối ca cao sẽ giảm do nhiệt độ tăng.
2.2.6.2.2. Biến đổi hoá lý
Bơ ca cao tiếp tục được hoá lỏng: Nhiệt độ nóng chảy của các tinh thể lipid trong ca cao cao nhất là 37℃ mà nhiệt độ của quá trình kiềm hoá là > 80℃ nên bơ ca cao sẽ tiếp tục được hoá lỏng.
Ngoài ra, do có bổ sung thêm dung dịch K2CO3 nên khối ca cao được hấp phụ nước làm tăng hàm ẩm trong ca cao.
Dưới tác dụng của nhiệt độ, nước trong khối hạt ca cao sẽ bay hơi, làm cho hàm ẩm của khối ca cao giảm xuống nhưng không đáng kể so với lượng ẩm hấp phụ vào.
2.2.6.2.3. Biến đổi hóa học
Trong quá trình kiềm hoá, sự trung hoà các acid là biến đổi quan trọng nhất. Theo đó, quá trình kiềm hoá được xem là đạt yêu cầu khi pH của ca cao đạt giá trị trung tính.
Bên cạnh phản ứng trung hoà, dưới tác dụng của hợp chất kiềm, các phản ứng thuỷ phân sẽ diễn ra như thuỷ phân lipid, thuỷ phân protein, thuỷ phân polysaccharide. Các phản ứng này góp phần cung cấp các cấu tử tiền hương cho nguyên liệu ca cao.
Ngoài ra, dưới tác dụng của nhiệt độ và tác nhân kiềm hoá, các phản ứng ngưng tụ của các hợp chất polyphenol và phản ứng Maillard cũng diễn ra. Các sản phẩm của những phản ứng này góp phần tạo màu sắc và mùi vị đặc trưng của sản phẩm bột ca cao.
2.2.6.3. Phương pháp thực hiện
Bảng 2.6. Các tác nhân kiềm hóa được sử dụng trong quá trình sản xuất bơ ca cao
Potassium Sodium Ammonium Magnesium
Carbonate K2CO3 Na2CO3 (NH4)2CO3 MgCO3
Bicarbonate KHCO3 NaHCO3 NH4HCO3
Hydroxide KOH NaOH NH4OH
Oxide MgO
Trong quá trình kiềm hoá cao cao, người ta thường dùng các loại hoá chất có tính kiềm như K2CO3, Na2CO3, KOH,... Các chất thường được pha thành dung dịch và bổ sung vào ca cao. Nồng độ của dung dịch càng loãng thì càng dễ phân bố đều trong ca cao nhưng lại làm