nghiệp 3.2.4. Xay cà phê
Mục đích chính: Làm giảm kích thước của hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn có của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho q trình trích ly. Ngồi ra, mục đích của q trình nghiền cịn nhằm tạo điều kiện chi một số khí (đặc biệt là CO2) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại bên trong hạt sẽ thốt ra ngồi. Cơng đoạn xay rất quan trọng, xay đến độ mịn phù hợp và đồng đều. Nếu bột thơ thì khi pha rất khó có thể chiết được hết các chất hịa tan ra ngồi nên dịch chiết sẽ lỗng hoặc thời gian pha kéo dài. Ngược lại, nếu bột q mịn thì khi pha cà phê sẽ khó chảy và có thể dịch chiết sẽ lẫn cặn. Tuy nhiên, độ mịn của bột cũng tùy theo phương pháp (pha bằng máy độ mịn phải hơn bằng tay) hoặc nơi tiêu thu (châu Âu bột phải mịn hơn Mĩ). Độ mịn phù hợp khoảng 400µm.
Phương pháp thực hiện:
Hạt cà phê sau khi rang cần lực cắt hơn là lực xé hay lực ép, do đó thiết bị xay thường sử dụng là các con lăn có răng cưa để cắt với nhiều kiểu dáng khác nhau. Hạt cà phê sau khi nghiền khơng nên cịn q thơ vì thời gian trích li bằng nước các chất rắn hịa tan và các cấu tử dễ bay hơi sẽ lớn, nhưng cũng khơng nên q mịn có thể làm nghẹt lưới lọc. Trong khi nghiền nên thêm một ít nước (bằng cách phun ẩm) để tạo thuận lợi cho q trình trích ly bằng nước sau này. Theo nghiên cứu, lượng nước thêm vào trong giai đoạn này tốt nhất là khoảng 7%.
Người ta có thể sử dụng phương pháp nghiền lạnh đông. Theo cách này, hạt cà phê sẽ được xay mịn hơn và lượng cấu tử hương thất thốt sẽ giảm xuống (trong q trình xay ở nhiệt độ thường, sự ma sát sẽ làm tăng nhiệt độ cà phê).
Lớp vỏ bong ra có thể bị bỏ đi hay được tận dụng để phối trộn với cà phê bột lúc sau nhằm tân thu hết những chất dầu thấm ra vỏ trong quá trình rang và khống chế khối lượng riêng thể tích của khối bột sau nghiền. Sau q trình nghiền bột cà phê được đưa tới rây. Các kích thước quá lớn sẽ được hoàn lưu trở về máy nghiền.
Các biến đổi của nguyên liệu:
- Vật lý: Quá trình nghiền sẽ làm giảm kích thước của hạt. Kích thước của hạt cà phê bột thay đổi từ vài trăm µm đến vài mm phụ thuộc vào phương pháp trích ly cà phê. Từ đó, người ta phân ra các mức độ nghiền cà phê là: nghiền thô, nghiền vừa, nghiền mịn. Trong q trình nghiền, khí CO2, hơi nước và các chất dễ bay hơi được tạo thành từ giai đoạn rang sẽ tiếp tục được giải phóng, làm giảm khối lượng sản phẩm và tăng khối lượng riêng.
- Hóa lý: Tăng diện tích bề mặt riêng, sự bay hơi một số chất mùi.
- Hóa học, hóa sinh: Các biến đổi khơng đáng kể. Tuy nhiên quá trình xay sẽ làm giảm mùi thơm của cà phê, nên khi xay cà phê cần được đem đi trích ly càng nhanh càng tốt.
3.2.5. Trích ly
Mục đích: Khai thác các chất hịa tan và các chất tạo hương trong cà phê rang vào nước. Dùng nước nóng ở 80- 90°C để trích ly. Khơng dùng nước có nhiệt độ cao hơn vì sẽ trích ly cả những chất khơng tốt cho sản phẩm. Trong quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê hịa tan, trích ly là một trong những công đoạn quan trọng nhất, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất của tồn bộ quy trình cơng nghệ sản xuất. Nồng độ dung dịch cà phê trích ly có thể đạt tới 20 – 22%.
Các biến đổi: - Vật lý và hóa lý:
Q trình trích ly có bản chất là một q trình hóa lý, trong đó xảy ra hiện tượng khuếch tán của vật chất. Cụ thể là có 2 dịng chuyển động chính: khuếch tán của nước từ ngồi 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 q 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, giịn, khơng 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 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 vì thế tốc độ lọc giảm.
- Hố học:
Trong q 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 có trong cà phê rang xay như 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 khơ trong dịch trích cuối cùng có thể đạt đến 20-25% (w/w), tùy thuộc vào điều kiện và phương pháp thực hiện q 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 q 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 q 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 [16].
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly và chất lượng sản phẩm:
- Độ nghiền của cà phê: Kích thước của bột cà phê càng lớn thì tốc độ của q trình trích ly càng nhỏ, kích thước nguyên liệu của cà phê trong q trình trích ly khoảng 400 – 1200µm.
- Nhiệt độ của nước vào thiết bị trích ly và sự biến đổi của nhiệt: Nhiệt độ trong q 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. Nhiệt độ của q trình trích ly từ 100-180oC, mức dao động tùy thuộc vào quy mơ sản xuất vì nhiệt độ càng cao thì yêu cầu vốn đầu tư thiết bị càng cao.
- Thời gian ngâm trích.
- Tỷ lệ cà phê/nước: Cùng một lượng nguyên liệu, lượng dung mơi càng nhiều thì tốc độ q trình trích ly càng nhanh các chất hịa được trích ly triệt để. Tuy nhiên lượng dung mơi càng nhiều thì lượng chất khơ trong dung dịch càng thấp, chi phí cho q trình cơ đặc và sấy gia tăng. Tỷ lệ nước/cà phê dao động từ 1:3 đến 1:10 phụ thuộc vào phương pháp trích ly.
Phương pháp trích ly: Trích ly gián đoạn và trích ly liên tục
- Trích ly gián đoạn: Trong phương pháp này, cà phê được cho vào các tank đã chứa với tỷ lệ phù hợp. Hỗn hợp cà phê và nước được gia nhiệt bằng hơi nước. Sau khi đủ thời gian trích ly, dịch trích được tháo ở đáy. Để nâng cao hiệu quả của q trình trích ly người ta sử dụng hệ thống trích ly nhiều bậc. Nhiệt độ trích ly khoảng 90-100oC, thời gian 45 phút.
- Trích ly liên tục: Với thiết bị gồm có khoảng 5-10 tháp nối tiếp nhau bằng ống dẫn. Trong đó dịng nước chảy ngược chiều với dòng nguyên liệu. Qua mỗi tháp dịch cà phê sẽ được kéo theo với nước và nồng độ dịch cà phê tăng. Nếu nồng độ của dịch cà phê khơng đạt thì nó sẽ được hồi lưu để đạt yêu cầu. Nhiệt độ của nước vào trong cột trích ly là khoảng 154-182oC. Nhiệt độ của nước cuối giai đoạn trích ly khoảng 60-82oC. Sau khi trích ly nhiệt độ của dịch trích cần được hạ thấp nhờ vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm để duy trì được mùi vị của hạt cà phê trước giai đoạn sấy.
Hầu hết các nhà máy cà phê hòa tan hiện nay đều dùng phương pháp trích ly liên tục vì hiệu suất làm việc tốt, trích ly được sâu hơn. Tuy nhiên cả 2 phương pháp đều phải đạt được hiệu quả trích ly 25-30%.
Ngồi ra người ta cịn dùng phương pháp trích ly bằng siêu âm. Phương pháp này có thể lấy hết tồn bộ chất hòa tan trong bột cà phê một cách liên tục, nhanh với nước lạnh. Ưu việt hơn nữa là giữ được các chất bốc hơi đạt được hương vị tốt nhất. Tuy nhiên phương pháp này khá phức tạp, phải thủy phân bột cà phê rồi trung hòa cộng với việc hóa nghiệm xác định chất lượng của dung dịch hịa tan rất phức tạp [16].
3.2.6. Lọc
Mục đích: Q trình lọc sẽ loại bỏ các hợp chất khơng tan có trong dịch trích cà phê để nâng cao chất lượng cho sản phẩm, giúp cho q trình cơ đặc tiếp theo diễn ra tốt hơn. Thơng thường dịch trích ly cịn lẫn bã cà phê do bã khơng được giữ lại hồn tồn khi dịng dịch trích đi ra khỏi thiết bị trích ly.
Phương pháp thực hiện: Quá trình tách tạp chất khơng 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.
3.2.7. Tách hương
Trong các q trình xử lí bằng nhiệt độ cao (q trình trích ly nhiệt, q trình cơ đặc...) sẽ xảy ra hiện tượng tổn thất các cấu tử hương. Do đó cà phê sẽ được xử lí để tách cấu tử hương. Hương này được bổ sung lại sản phẩm sau quá trình sấy phun.
Phương pháp thực hiện:
- Phương pháp dung hơi nước nóng q bão hịa, thổi qua khối cả phê chuẩn bị cho q trình trích ly. Hơi này sẽ được đem ngưng tụ và bổ sung lại vào dịch 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, 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 khí trơ: dịch trích cà phê sau khi rời khỏi thiết bị trích ly thường có nhiệt độ khá cao (khoảng 100 – 130oC) 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 q 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 [16].
3.2.8. Cô đặc
Mục đích: Tăng thêm nồng độ chất tan trong dịch, để thời gian sấy tiếp theo càng nhanh, giữ được mùi hương của cà phê. 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 có thể đạt được khoảng 25 – 30% (w/w). Khi nồng độ chất khơ cịn thấp như thế thực hiện q trình sấy để thu hồi sản phẩm sẽ khơng mang lại hiệu quả.
Phương pháp thực hiện:
- Phương pháp cô đặc bốc hơi: Phương pháp này sử dụng nhiệt để thực hiện quá trình cơ đặc. Cần lưu ý là q trình cơ đặc này thường thực hiện ở điều kiện chân khơng để tăng hiệu quả
q trình cơ đặc, đồng thời hạn chế các biến đổi của những cấu tử trong dịch trích cà phê do tác động của nhiệt độ.
- Phương pháp cô đặc kết tinh: Trong phương pháp này, dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh đến 2°C. Sau đó dung dịch được làm lạnh chậm đến nhiệt độ -4°C. Khi đó, nước sẽ kết tinh. Tốc độ làm lạnh càng chậm, tinh thể tạo thành càng lớn, 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 2oC, 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 q trình kết tinh hồn 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 dịng retentate là dịng dịch trích cà phê cơ đặc và dịng permeate là dịng 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 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 khô cuối cùng của dịch cô đặc thường thấp hơn các phương pháp khác. Do đó, membrane thường được sử dụng như q trình tiền cơ đặc, sau đó có thể thực hiện tiếp q trình cơ đặc chân khơng hay cô đặc kết tinh.
Các biến đổi:
- Vật lý: Trong q trình cơ đặc nhiều biến đổi vật lý xảy ra trong nguyên liệu như hàm lượng chất khơ tăng và khi đó tính chất dung dịch thay đổi phụ thuộc vào thời gian cơ đặc đó là:
+ Hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt, hoạt độ của nước giảm. + Khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt độ sôi tăng.
- Hóa học: Dưới tác dụng của nhiệt trong q trình cơ đặc các thành phần của nguyên liệu có thể phản ứng với nhau hoặc thủy phân. Xảy ra phản ứng Maillard, phản ứng Caramel hóa. Phản ứng thủy phân một số hợp chất cao phân tử.
- Hóa lý:
Biến đổi hóa lý quan trọng trong q trình cơ đặc là sự chuyển pha của nước. Nước tồn tại ởtrạng thái hơi lỏng trong nguyên liệu trước khi cô đặc sẽ chuyển sang trạng thái hơi và thoát ra mơi trường bên ngồi. Trong q trình cơ đặc, có thể xảy ra sự đơng tụ protein trong nguyên liệu nếu nhiệt độ cao và đủ làm biến tính bất thuận nghịch protein.
Sự thay đổi nồng độ chất: nồng độ chất khơ trong dịch trích sau khi cơ đặc tăng lên. Nồng độ chất khơ thích hợp cho q trình sấy là 40-42%.
- Hóa sinh: Khi cơ đặc ở áp suất thường, do nhiệt độ cao (không thấp hơn 100°C) nên các enzyme trong nguyên liệu bị vô hoạt. Nhiều vi sinh vật bị ức chế. Các biến đổi do enzyme xúc tác hầu như không xảy ra [16].
3.2.9. Sấy phun
Quá trình sấy dịch cà phê cơ đặc có nồng độ chất khơ 40 – 42 % nhằm tách nước để thu hồi