Khảo sát sự thay đổi mật độ một số hệ vi sinh vật trong quá trình lên men hạt cacao (theobroma cacao l ) đã tách cơm và chưa tách cơm đến chất lượng của hạt cacao sau quá trình lên men

- Nghiên cứu sự biến đổi của hệ vi sinh vật trong quá trình lên men khi thay đổi các tỷ lệ tách cơm cacao 5%, 10%, 15% so với tổng trọng lượng của hạt cacao.. Quá trình lên men cacao xuấ

-

LÊ KIM HIỀN

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI MẬT ĐỘ MỘT SỐ HỆ VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN HẠT

CACAO (Theobroma cacao L.) ĐÃ TÁCH CƠM VÀ CHƯA

TÁCH CƠM ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HẠT CACAO

SAU QUÁ TRÌNH LÊN MEN

STUDY ON CHANGES IN SOME CATEGORIES OF MICROORGANISMS DURING THE FERMENTATION

OF COCOA BEANS (Theobroma cacao L.) WITH AND

WITHOUT MUCILAGE REMOVAL ON THE QUALITY

OF COCOA BEANS AFTER FERMENTATION

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Mã số: 8540101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS ĐỐNG THỊ ANH ĐÀO

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tịch: PGS.TS Trần Thị Thu Trà

2 Phản biện 1: PGS.TS Mai Huỳnh Cang

3 Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Vũ Hồng Hà

4 Ủy viên: GS.TS Đống Thị Anh Đào

5 Ủy viên, Thư ký: TS Nguyễn Quốc Cường

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:

Khảo sát sự thay đổi mật độ một số hệ vi sinh vật trong quá trình lên men hạt cacao

(Theobroma cacao L.) đã tách cơm và chưa tách cơm đến chất lượng hạt cacao sau

quá trình lên men

Study on changes in some categories of microorganisms during the fermentation of

cocoa beans (Theobroma cacao L.) with and without mucilage removal on the quality

of cocoa beans after fermentation

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan tài liệu về nguyên liệu và quá trình lên men cacao, sự cộng sinh của các

vi sinh vật trong quá trình lên men

- Nghiên cứu sự biến đổi của hệ vi sinh vật trong quá trình lên men khi thay đổi các

tỷ lệ tách cơm cacao 5%, 10%, 15% so với tổng trọng lượng của hạt cacao

- Đánh giá cảm quan hạt sau khi sấy và so sánh hiệu quả của quá trình lên men

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS ĐỐNG THỊ ANH ĐÀO

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với cô GS.TS Đống Thị Anh Đào, người đã tận tình hướng dẫn, đưa ra những lời khuyên, giải pháp, luôn đồng hành, giúp đỡ em trong suốt quá trình em thực hiện và hoàn thành đề tài này

Lời tri ân tiếp theo em xin dành tặng cho bố mẹ và gia đình, những người đã

có công sinh thành, nuôi dưỡng, người đã dạy em những bài học đầu đời, không ngại khó khăn để em có cuộc sống đầy đủ, những người luôn đồng hành, cảm thông và chia sẻ về cả vật chất và tinh thần, để bây giờ em có thể tập trung toàn lực cho luận văn này

Bên cạnh đó, em cũng chân thành cảm ơn anh Thắng – học viên cao học khóa

21 – đã tận tình giúp đỡ, cho em những lời khuyên rất hữu ích để nghiên cứu được suôn sẻ và thành công

Lời cảm ơn cuối cùng em xin dành tặng đến tất cả thầy cô trường đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM và đặc biệt là các thầy cô của Bộ môn Công nghệ Thực phẩm – Khoa Kỹ thuật Hóa học đã luôn theo sát, truyền đạt kiến thức, kỹ năng cần thiết, hữu ích trong suốt quá trình em được học tập và rèn luyện tại đây

Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy đã rất cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong muốn nhận được ý kiến và sự thông cảm của quý thầy cô để Luận văn được hoàn thiện hơn

Lời cuối, em xin chúc thầy cô thật nhiều sức khỏe và hạnh phúc Chúc tất cả các bạn cùng khóa sẽ thành công trong đợt bảo vệ luận văn này và gặt hái được nhiều kết quả trong tương lai

TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 03 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Lê Kim Hiền

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việt Nam đứng thứ 2 trong khu vực Châu Á đạt danh hiệu quốc gia có hạt cacao hương vị tốt trong bảng xếp hạng của Tổ chức Cacao Thế giới Điều kiện khí hậu phù hợp để trồng cây cacao với sản lượng lớn quanh năm nhưng nhìn chung đa phần cacao được xuất khẩu ra thị trường nước ngoài dưới hình thức thô sơ, chưa qua chế biến Hạt cacao lên men tự nhiên có độ pH từ 4,7 – 5,0 nên thường có vị chua Hương vị và tất cả các đặc tính cảm quan của sô cô la chủ yếu đến từ quá trình lên men và sấy hạt, do đó để tăng giá trị hạt cacao thương phẩm ta cần kiểm soát tốt các điều kiện lên men cũng như áp dụng kỹ thuật chế biến phù hợp

Quá trình lên men cacao xuất phát từ hoạt động của đa dạng các loài vi sinh vật khi sử dụng nguồn cơ chất tự nhiên trong cơm cacao, nổi trội là hàm lượng carboydrate cao Tuy nhiên rất khó để kiểm soát hoạt động sinh trưởng của vi sinh vật vì vậy nghiên cứu này tập trung vào biện pháp kỹ thuật cơ học để làm giảm hàm lượng đường trong lớp cơm cacao giúp giảm chua cho hạt cacao thành phẩm và giảm

ô nhiễm môi trường cũng như có thể tận dụng nguồn phụ phẩm là dịch chiết từ cơm cacao để phát triển thêm các sản phẩm từ cacao Đây là vấn đề rất cấp thiết hiện nay của ngành cacao Việt Nam nhằm hướng tới tăng giá trị thương mại, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng đồng thời tăng thêm lợi nhuận cho người sản xuất

Trong nghiên cứu này, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tách cơm 5%, 10%, 15% lên hoạt động của các chủng vi sinh vật cộng sinh trong quá trình lên men gồm: tổng số nấm men – nấm mốc, tổng số vi sinh vật hiếu khí, vi khuẩn lactic, vi

khuẩn acetic và vi khuẩn Bacillus, đồng thời khảo sát sự thay đổi của các thông số

pH, nhiệt độ trong quá trình lên men và chất lượng cảm quan hạt cacao khô sau lên men cũng như đánh giá hiệu quả lên men bằng phương pháp cut test

Kết quả thu được như sau:

- Nếu không có bước tiền xử lý là tách cơm tươi trước lên men thì quá trình sẽ phải kéo dài và cần ít nhất 7 ngày để kết thúc quá trình lên men tự nhiên

- Hệ vi sinh vật hoạt động và chiếm ưu thế ở từng giai đoạn tiếp nối nhau trong toàn bộ quá trình Các nhóm hỗ trợ và kiềm hãm lẫn nhau, vị trí và vai trò chức năng

là quan trọng như nhau

- Việc tách 15% cơm cacao sẽ làm giảm hiệu quả quá trình lên men, điểm số lên men thấp nhất 616,67 Nhìn chung, trong các tỷ lệ đã chọn thì việc tách 10% cơm cacao mang lại kết quả khác biệt nhất, cho giá trị cảm quan tốt nhất với điểm số chung 12,83, hệ vi sinh vật làm việc hiệu quả nhất

ABSTRACT

Vietnam ranks second in Asia, winning the title of the country with good taste cocoa beans in the International Cocoa Organization's ranking Climatic conditions are suitable for growing cocoa trees with a large output all year through In general, most cocoa is exported to foreign markets in the form of crude, unprocessed Naturally, fermented cocoa beans have a degree of pH of 4.7 - 5.0, so they often have

a sour taste The taste and all organoleptic properties of chocolate mainly come from the fermentation and drying of the beans, so in order to increase the value of commercial cocoa beans it is necessary to control the fermentation conditions well as well as apply suitable processing techniques

Cocoa fermentation comes from the activity of a variety of microorganisms when using natural substrates in cocoa pulp, notably with high carbohydrate content However, it is difficult to control the growth of microorganisms, so this study focuses

on mechanical engineering measures to reduce the sugar content in the cocoa pulp to help reduce the acidity of the finished cocoa beans and environmental pollution as well as can take advantage of the by-products extracted from cocoa rice to develop more cocoa by-products This is a very urgent issue for Vietnam's cocoa industry to increase commercial value, protect consumer’s health and increase profits for producers

In this study, I investigated the effects of rice separation rates of 5%, 10%, and 15% on the activity of symbiotic microorganisms in the fermentation process: total yeast - mold, The total number of aerobic microorganisms, lactic acid bacteria, acetic bacteria, and Bacillus bacteria, and the changes of pH, temperature parameters during fermentation and sensory quality of dried cocoa beans after fermentation were investigated yeast as well as evaluate the fermentation efficiency by the cut test method

The results obtained are as follows:

- If there is no pre-treatment step of separating fresh rice before fermentation, the process will take a long time and need at least 7 days to finish the natural fermentation

- The microbiome is active and dominant at each successive stage in the whole process The groups support and restrain each other, the position and the functional role are equally important

- The separation of 15% cocoa rice will effectively reduce the fermentation process, with the lowest fermentation score of 616.67 In general, of the selected ratios, the separation of 10% of cocoa rice yielded the most different results, giving the best sensory value with an overall score of 12.83, the most effective microflora

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Nếu có sai sót, chúng tôi sẽ chịu hình thức kỷ luật của nhà trường

Học viên

Lê Kim Hiền

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 3

Chương 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan cây cacao 4

2.2 Quả cacao 6

2.3 Cơm cacao 11

2.4 Lên men cacao 13

2.4.1 Phương pháp lên men 16

2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men: 18

2.4.3 Các phương pháp hỗ trợ quá trình lên men 19

2.5 Vi sinh vật trong lên men cacao 20

2.6 Biến đổi sinh hóa 26

2.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 28

Chương 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

3.1 Nguyên liệu 31

3.2 Hóa chất, thiết bị 36

3.3 Phương pháp nghiên cứu 38

3.3.1 Phương pháp khảo sát sự thay đổi mật độ VSV : 38

3.3.2 Phương pháp khảo sát sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình lên men: 39

3.3.3 Phương pháp khảo sát sự thay đổi pH trong quá trình lên men: 39

3.3.4 Phương pháp xác định ẩm độ 40

3.3.5 Phương pháp đánh giá màu sắc hạt (cut test) 40

3.3.6 Phương pháp đánh giá chất lượng hạt cacao sau lên men 41

3.3.7 Phương pháp đánh giá cảm quan hạt cacao khô 42

3.4 Xử lý số liệu 45

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46

4.1 Khảo sát sự thay đổi của từng chủng VSV 46

4.1.1 Tổng số tế bào nấm men – nấm mốc 46

4.1.2 Tổng số vi khuẩn sinh acid lactic 48

4.1.3 Tổng số vi khuẩn sinh acid acetic 50

4.1.4 Tổng số VSV hiếu khí 52

4.1.5 Tổng số vi khuẩn Bacillus 54

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của từng tỷ lệ tách cơm lên mật độ VSV 56

4.2.1 Mẫu nguyên cơm 56

4.2.2 Mẫu tách 5% cơm 59

4.2.3 Mẫu tách 10% cơm 61

4.2.4 Mẫu tách 15% cơm 63

4.3 Khảo sát sự thay đổi pH 64

4.4 Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ 66

4.5 Đánh giá hiệu quả lên men bằng phương pháp Cut test 68

4.6 Đánh giá cảm quan hạt khô sau lên men 69

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Sản lượng sản xuất hạt cacao năm 2021 [13] 5

Bảng 2.2 Sản lượng chế biến sô cô la năm 2021 [13] 5

Bảng 2.3 Diện tích canh tác cacao ở Việt Nam năm 2018 (theo Cục trồng trọt) 6

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của hạt cacao (% w/w) 9

Bảng 2.5 Thành phần hóa học cơm cacao (% w/w) 11

Bảng 2.6 Tên các loài nấm men đã được định danh trong quá trình lên men cacao theo từng quốc gia 22

Bảng 2.7 Tên các loài vi khuẩn lactic đã được định danh trong quá trình lên men cacao theo từng quốc gia 23

Bảng 2.8 Tên các loài vi khuẩn acetic được định danh trong quá trình lên men cacao theo từng quốc gia 24

Bảng 2.9 Tên các loài vi khuẩn hiếu khí sinh bào tử được định danh trong quá trình lên men cacao từ 4 quốc gia [65-67] 25

Bảng 3.1 Phân loại hạt cacao đã lên men [86] 41

Bảng 3.2 Trình tự trình bày mẫu theo hình vuông Latin Williams, cỡ mẫu n=4 44

Bảng 3.3 Nội dung mô tả theo thang điểm 5 các chỉ tiêu đánh giá [87] 44

Bảng 3.4 Bảng cho điểm các hệ số quan trọng 45

Bảng 3.5 Xếp hạng chất lượng cảm quan của hạt cacao sau lên men [87] 45

Bảng 4.1 Kết quả đánh giá quá trình lên men bằng phương pháp Cut test 68

Bảng 4.2 Kết quả đánh giá cảm quan hạt cacao khô 70

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Cấu tạo từng bộ phận của cây cacao 6

Hình 2.2 Cấu tạo từng phần của trái cacao 7

Hình 2.3 Ba giống cacao phổ biến hiện nay 8

Hình 2.4 Cấu tạo tế bào của hạt cacao tươi 9

Hình 2.5 Các phương pháp lên men truyền thống 16

Hình 2.6 Quá trình phát triển của VSV trong hạt cacao qua từng ngày lên men [40] 21

Hình 2.7 Tóm tắt các phản ứng chuyển hóa của VSV 26

Hình 2.8 Quá trình sinh hóa bên trong hạt cacao [45, 71] 27

Hình 3.1 Nguyên liệu trái cacao tươi đạt độ chín yêu cầu 31

Hình 3.2 Nguyên liệu trái cacao tươi không đạt độ chín yêu cầu 31

Hình 3.3 Sơ đồ nghiên cứu 32

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình thực hiện 34

Hình 3.5 Quá trình tách vỏ 35

Hình 3.6 Quá trình tách bớt cơm cacao 35

Hình 3.7 Một số thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 37

Hình 3.8 Phiếu đánh giá cảm quan bằng phương pháp cho điểm 43

Hình 4.1 Mật độ TSNM-NM của các mẫu theo từng ngày lên men 46

Hình 4.2 Mật độ vi khuẩn lactic của các mẫu theo từng ngày lên men 48

Hình 4.3 Mật độ vi khuẩn acetic của các mẫu theo từng ngày lên men 50

Hình 4.4 Mật độ TSVSVHK của các mẫu theo từng ngày lên men 52

Hình 4.5 Mật độ vi khuẩn Bacillus của các mẫu theo từng ngày lên men 54

Hình 4.6 Mật độ VSV của mẫu không tách cơm cacao theo từng ngày lên men 56

Hình 4.7 Mật độ VSV của mẫu tách 5% cơm cacao theo từng ngày lên men 59

Hình 4.8 Mật độ VSV của mẫu tách 10% cơm cacao theo từng ngày lên men 61

Hình 4.9 Mật độ VSV của mẫu tách 15% cơm cacao theo từng ngày lên men 63

Hình 4.10 Độ pH của các mẫu qua từng ngày lên men 64

Hình 4.11 Nhiệt độ của các mẫu qua từng ngày lên men 66

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Cacao là cây trồng đang phát triển tại Việt Nam và đang được đánh giá là giống cây trồng chủ lực, hiệu suất thu hoạch cao, đem lại hiệu quả kinh tế cao Chất lượng hạt cacao Việt Nam đã được nhiều doanh nghiệp đánh giá cao so với cacao của nhiều quốc gia khác trên thế giới Nhưng cacao ở Việt Nam mới chỉ phát triển ở mức xuất khẩu dạng thô, còn những sản phẩm được chế biến từ cacao như sô cô la đang từng bước xuất ra thị trường thế giới [1]

Các sản phẩm từ bột cacao là thực phẩm phổ biến với thành phần dinh dưỡng khá cao Tác dụng trên tim mạch, tác dụng chống ung thư, tác dụng trên não và các tác dụng khác như: thức uống lý tưởng cho người ăn kiêng, giảm béo, nhưng vẫn duy trì đầy đủ dưởng chất cần thiết cho cơ thể [2] Cacao còn dùng trong mỹ phẩm, các chuyên gia chăm sóc sắc đẹp tại Chennai (Ấn Độ) phát minh cách pha chế cacao, chăm sóc da cho phái nữ, ngăn ngừa bệnh lão hoá da Việc tắm cacao từ lâu luôn được ưa chuộng [3]

Nước ta hiện nay, đặc biệt ở Đồng Bằng Sông Cửu Long, quá trình lên men thường được thực hiện theo phương pháp lên men tự nhiên tại vườn cacao, do đó thường cho kết quả hạt cacao không đồng nhất về chất lượng, hạt cacao bị chua, mùi

vị kém hoặc mất mùi do quá trình lên men chưa hoàn tất hoặc lên men quá độ [4] Thông qua kiểm soát lượng cơm nhầy bằng kỹ thuật sơ chế, nội dung đề tài hướng tới việc nâng cao năng suất quá trình lên men, rút ngắn thời gian, giảm thiểu tổn thất, kết hợp việc khiến cho pH hạt khô giảm dẫn đến giảm chua cho cacao thành phẩm từ

đó tăng giá trị thương phẩm và hoàn thiện quy trình tiền xử lý hạt cacao trước lên men

Hằng năm, quá trình sản xuất sô cô la và các sản phẩm khác từ cacao lại sản sinh ra rất nhiều phụ, phế phẩm Sản phẩm phụ chủ yếu của ngành công nghiệp sản xuất sô cô la bao gồm vỏ quả, cơm và lớp vỏ lụa của hạt tách ra sau khi rang Hầu hết chúng không được quan tâm đầy đủ và bị xem là chất thải trên đồn điền cacao cũng như là nguyên do gây ra hàng loạt các vấn đề về môi trường như mùi hôi, ô nhiễm và

truyền bệnh, ảnh hưởng rất nghiêm trọng và lâu dài cho các vụ mùa tiếp theo [5] Ở khía cạnh khác của khoa học thì các phụ phẩm này có thành phần hóa học và cấu trúc rất đặc trưng, có thể tham gia sản xuất các sản phẩm khác như các hợp chất có hoạt tính sinh học, chất xơ ăn kiêng, chất chống oxy hóa và theobromin, … mang lại giá trị kinh tế cao cho ngành công nghiệp thực phẩm [6]

Ở Bahia, Brazil sản xuất khoảng 300.000 tấn hạt cacao khô một năm, tương đương lượng dịch cơm dư thừa thải ra môi trường 120.000 tấn Một loại nấm

Moniliophthora perniciosa (Crinipellisperniciosa) đã gây ra một căn bệnh xóa sổ gần

như hoàn toàn vụ mùa cacao tại bang Bahia, từ đó Brazil đã xảy ra cuộc khủng hoảng kinh doanh nông sản cacao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến vùng phía nam, khu vực sản xuất cacao lớn nhất nước [7] Tại Viện nghiên cứu cacao của Nigeria, dịch

ép trái cacao đã được ứng dụng vào sản xuất nước cacao, rượu cacao, thạch cacao, pectin hay giấm, … với hương vị đặc trưng và hấp dẫn riêng [8] Tính cấp thiết của các giải pháp nhằm khai thác triệt để trái cacao đang rất được quan tâm và nghiên cứu này phần nào sẽ có đóng góp tích cực cho ngành công nghiệp sản xuất các chế phẩm từ cacao trong tương lai tại Việt Nam

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá mật độ vi sinh vật và mối liên hệ với pH và nhiệt độ trong suốt quá trình lên men cacao giữa các mẫu hạt có tỷ lệ cơm nhầy khác nhau, được tách nhờ quá trình thủ công Nghiên cứu mối tương quan giữa tỷ lệ cơm nhầy và hệ vi sinh vật lên chất lượng cảm quan hạt cacao thành phẩm

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm

- Quá trình lên men được thực hiện tại hộ gia đình

- Đối tượng nghiên cứu là trái cacao giống Trinitario được trồng tại các nông

hộ ở tỉnh Tiền Giang

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về nguyên liệu và lên men cacao, tính chất cơm cacao và hệ vi sinh vật trong lên men cacao

- Khảo sát sự thay đổi mật độ các nhóm vi sinh vật: TSNM-NM, TSVSVHK,

vi khuẩn lactic, vi khuẩn acetic và vi khuẩn Bacillus trong lên men cacao ở các tỷ lệ

tách cơm khác nhau (5%, 10% và 15%) cũng như sự ảnh hưởng của lớp cơm nhầy lên quá trình lên men và chất lượng hạt cacao thành phẩm

- Đánh giá cảm quan hạt cacao khô sau lên men và hiệu quả quá trình bằng phương pháp cắt hạt

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan cây cacao

Cacao có tên La Tinh là Theobroma cacao Có nghĩa là “thức ăn của các vị

thần – Food of the Gods” Loại quả này đóng một vai trò rất lớn trong nhiều nền văn hóa của Trung Mỹ cổ Cây cacao được phát triển từ cách đây 3000 năm và trở nên phổ biến hơn, được ứng dụng nhiều hơn vào ngành thực phẩm từ cách đây 2000 năm [9] Người Maya tin rằng cây cacao là của Thượng Đế và hạt cacao là ân sủng của chúa cho con người Người Maya là những người đầu tiên trên trái đất này sử dụng cacao làm thực phẩm Họ đã làm đồ uống với những hạt cacao được nướng lên, nghiền nhuyễn và pha với bột ngô nhằm tạo độ sánh khi uống Tuy nhiên khi ấy cách thức chế biến rất đơn giản

Khi Tây Ban Nha xâm chiếm vùng đất này vào thế kỷ 15, hạt cacao theo những chiếc thuyền buồm đến Châu Âu và trở thành một loại thức uống quý tộc Người Aztec gọi thức uống từ hạt cacao lên men là Xocolatl Nhưng người Tây Ban Nha không thể phát âm được cái tên như vậy nên biến thành Chocolat và đến người Anh thì gọi là Chocolate [10]

Trong gần 1 thế kỷ, cacao được coi là thức uống đặc trưng và là điều bí mật của những người Tây Ban Nha Tuy nhiên do giá cả quá đắt đỏ nên những người Tây Ban Nha thực dụng và nhạy bén đã ngay lập tức trồng cây cacao trên các thuộc địa của họ để xuất khẩu tới những quốc gia khác trong châu lục Và thu lại khoản lợi nhuận khổng lồ Cacao đã lan truyền khắp Châu Âu Việc uống bột cacao thành một trào lưu ở Pháp Dưới thời vua Louis 14 và 15, thức uống cacao rất được ưa chuộng tại Versailles Tuy nhiên, lúc này thức uống cacao chỉ được uống dưới dạng nóng Vì trong bột cacao vẫn còn nguyên bơ cacao, dễ bị kết tinh thô nhám khi bị lạnh [11]

Và rồi cacao đã tới Anh Cũng giống như ở Pháp, nó nhanh chóng chinh phục nước Anh Năm 1828, một nhà hóa học người Hà Lan tên Johannes Van Houten phát minh ra phương pháp ép bơ cacao ra khỏi bột cacao Lúc này, người ta có thể uống lạnh thức uống cacao với mùi vị thơm ngon Năm 1875, nhà sản xuất Daniel Peter người Thụy Sỹ trộn bột cacao, bơ cacao, sữa bột, đường Lần đầu tiên sô cô la sữa

với mùi vị thơm ngon hơn được sản xuất công nghiệp Năm 1879, Rodolphe Lindt phát minh ra máy nghiền ủ đảo trộn, giúp cho sô cô la sữa có cấu trúc mịn, đồng nhất

và mùi vị dễ chịu Kể từ đây, quy trình sản xuất sô cô la sữa quy mô công nghiệp đã gần hoàn chỉnh Nhiều nhãn hiệu sô cô la nổi tiếng lần lượt ra đời [11]

Vào đầu thế kỷ 20, tại các quốc gia châu Âu, thức uống được chế biến từ cacao

và sô cô la đã phát triển trở thành một nền văn hóa ẩm thực và có ảnh hưởng trên toàn thế giới Chính những máy móc chế tạo thức uống cacao và sô cô la được phát minh trong cuộc cách mạng công nghiệp đã tạo tiền đề cho một nền công nghiệp sản xuất cacao với số lượng lớn và giá thành rẻ Phát minh ra cách ép hạt cacao mới làm giảm giá nhưng lại tăng chất lượng thành phẩm lên rất nhiều Cùng lúc đó giá đường giảm mạnh và đời sống người dân trên khắp Châu Âu đều được tăng lên đáng kể [12]

Nhu cầu tiêu thụ sô cô la trên thế giới ngày càng tăng, như ở các thị trường Bắc Mỹ, Châu Á và Châu Âu, tuy nhiên tìm nguồn cung cacao đủ để đáp ứng nhu cầu thị trường là một thách thức lớn Hiện nay cacao được trồng chủ yếu ở một số quốc gia đang phát triển tại Châu Phi, khu vực Bắc Nam Mỹ và Châu Á Tuy sản lượng hạt cacao khô của Châu Phi chiếm thị phần rất lớn – gần 4/5 tổng sản lượng của Thế giới nhưng khu vực này lại không chiếm sản lượng đáng kể trong việc sản xuất các sản phẩm sô cô la [13]

Bảng 2.1 Sản lượng sản xuất hạt cacao năm 2021 [13]

Bảng 2.2 Sản lượng chế biến sô cô la năm 2021 [13]

Việt Nam hiện đứng thứ 23 trong danh sách những nước có sản phẩm cacao đạt hương vị tốt, trở thành quốc gia châu Á thứ hai đạt danh hiệu này sau Indonesia, nhưng lại có đến 40% sản lượng cacao được công nhận trong khi Indonesia chỉ có tỷ

lệ 1% Sự khác biệt này ngoài yếu tố thổ nhưỡng còn đến từ cách lên men tự nhiên

để tạo nên sự độc đáo Đó là quá trình lên men cacao, rang và nghiền hạt để làm dậy lên hương trái cây đặc trưng vốn có của hạt cacao Việt Nam [14]

Bảng 2.3 Diện tích canh tác cacao ở Việt Nam năm 2018 (theo Cục trồng trọt)

đủ và cho năng suất ổn định, thu hoạch hai vụ trong năm [10]

Hình 2.1 Cấu tạo từng bộ phận của cây cacao

2.2 Quả cacao

Hạt cacao là thành phần nguyên liệu chính trong sản xuất sô cô la – có nguồn

gốc từ giống cây Theobroma cacao L., thuộc họ Sterculiaceae Loài này chủ yếu

trồng tại vùng đất Trung Mỹ và Mexico được những người Aztec và Maya bản xứ khám phá nhưng ngày nay hầu hết những nước nhiệt đới cũng có thể trồng cây này với điều kiện thuận lợi để sinh trưởng là khí hậu nhiệt đới, trong vùng vĩ độ 20 đến xích đạo, nhiệt độ dao động từ 25 độ đến 28 độ, độ ẩm trung bình 85%, lượng mưa hàng năm 1.500 – 2.000mm [9]

Quả cacao sau 5-6 tháng từ lúc ra hoa sẽ được thu hoạch Quả thường to, hình oval (dài 12-30 cm và rộng 8-12 cm) với trọng lượng trung bình 400-600 g, khác nhau về độ bóng, kết cấu bề mặt và màu sắc, bên trong chứa nhiều hạt nhỏ (30-40 hạt) Khi chín, vỏ quả chuyển từ màu xanh (đỏ) sang vàng (cam) [15]

Hình 2.2 Cấu tạo từng phần của trái cacao

Trên Thế giới hiện nay có 3 giống cacao chính với một số các đặc điểm khác biệt như sau:

- Forastero: Hạt dẹt, trái thường có màu vàng Là loại trồng phổ biến nhất và cũng có sức chống chịu sâu bệnh tốt và cho năng suất cao Tuy nhiên chúng lại cho

ra hạt cacao ít mùi vị và bị coi là kém chất lượng

- Criollo: là dòng rất đặc biệt với phần nhân hạt có màu trắng, hạt tròn, lớn, trái thường có màu vàng hoặc đỏ Hạt của giống này được đánh giá là có hương vị tốt nhất Tuy nhiên chúng có khả năng chống sâu bệnh kém, năng suất thấp và chưa đầy 5% trên thế giới trồng giống này

- Trinitario : đây là dòng lai giữa Criollo và Forastero Nó mang đặc điểm của

2 dòng trên Chúng có sức chống chịu sâu bệnh khá, năng suất trung bình và hạt có hương vị thơm ngon Nó được đánh giá là loại hạt có chất lượng cao, khởi đầu cho việc sản xuất sô cô la chất lượng cao [16]

Giống cacao được trồng ở Việt Nam là giống lai Trinitario là giống có chất lượng cao nằm trong top 10% loại hạt “hương vị” trên toàn thế giới Mặc dù hiện tại Việt Nam chỉ chiếm 0,1% sản lượng cacao trên toàn thế giới nhưng hạt cacao của Việt Nam lại được thế giới đánh giá cao bởi hương vị độc đáo, nó rất khác biệt với hạt cacao được trồng ở châu Phi [17] Tháng 10 năm 2013 tại cuộc thi Salon du Chocolat tổ chức tại thủ đô Pari của Pháp, hạt cacao Việt Nam đã được bầu chọn là hạt cacao tốt nhất Châu Á-Thái Bình Dương Và tổ chức cacao thế giới (ICCO) đã đưa Việt Nam vào danh sách những nước sản xuất cacao hương vị tốt hàng đầu thế giới

Hình 2.3 Ba giống cacao phổ biến hiện nay

Hạt cacao gồm hai lá mầm (dự trữ thức ăn cho quá trình sinh trưởng của cây)

và một phôi nhỏ, tất cả nằm trong trong một cùi trắng có vị ngọt khi vỏ còn tươi, màu trắng đó còn được gọi là cơm cacao, nước ép cacao hay mật cacao [18]

Hình 2.4 Cấu tạo tế bào của hạt cacao tươi

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của hạt cacao (% w/w)

Chất béo

Sinh chất

Không bào Nhân

Phôi nhũ –

Tế bào dự trữ

Thịt quả - Nhu mô xốp

❖ Giá trị dinh dưỡng

Hạt Cacao chứa khoảng 40 – 50% chất béo và 14 – 18% protein tùy thuộc vào thời điểm thu hoạch Mặc dù cacao không phải là nguồn vitamin tối ưu như một loại thực phẩm, nhưng cơ sở năng lượng trên mỗi đơn vị thì thành phần vitamin của cacao khá cân đối Về protein, hàm lượng của nó trong cacao là đủ trên cơ sở năng lượng, nhưng chất lượng của protein có phần không đáng kể vì nồng độ của hai acid amin thiết yếu là methionine và cysteine quá thấp để đáp ứng nhu cầu của con người [19]

❖ Carbohydrate

Hạt cacao mới thu hoạch chứa khoảng 12 – 14% carbohydrate có thể tiêu hóa

và một lượng đáng kể carbohydrate xơ không tiêu hóa Tuy nhiên, qua hơn sáu ngày của quá trình chế biến hạt cacao theo phương pháp truyền thống, hàm lượng carbohydrate tiêu hóa và thành phần của lớp cơm nhầy và vỏ hạt bị thay đổi một cách đáng kể [20] Trong quá trình này, lớp cơm nhầy bị thủy phân và một số sản phẩm phức tạp được sản xuất, trong số đó có nhiều loại đường và ketoacids chuỗi ngắn khác nhau, cuối cùng là acid acetic và rượu Quá trình lên men cũng làm giảm hàm lượng carbohydrate trong hạt xuống 5 – 6%, do sản xuất các sản phẩm lên men [21]

❖ Vitamin và các khoáng chất

Cacao là một nguồn phong phú của hầu hết các khoáng chất thiết yếu, đặc biệt

là canxi, đồng, sắt, mangan, magiê, phốt pho, kali và kẽm Đáng chú ý, vỏ cacao có chứa 20 - 30 đơn vị vitamin D2 (ergocalciferol) trên mỗi gram khối lượng hạt hoặc

300 đơn vị cho mỗi gram chất béo có thể chiết xuất được từ hạt cacao Do đó, các sản phẩm của cacao - như vỏ - đã được sử dụng thành công làm thành phần của thức ăn chăn nuôi để đạt được tốc độ tăng trưởng hoặc sản xuất sữa tối đa [22]

❖ Các thành phần khác

Lượng hợp chất không cung cấp dinh dưỡng có trong 100 g bột cacao có thể chiếm 20% trọng lượng bột, bao gồm: polyphenol 7-18 g (chủ yếu là anthocyanidin, proanthocyanin và các dẫn xuất catechin khác); theobromine 2-3 g; và caffeine 0,1 g cũng là những chỉ tiêu chất lượng quan trọng của sô cô la Đây là các hợp chất tham gia quá trình chuyển hóa bởi enzym oxi hóa trong quá trình lên men để sinh ra các hợp chất quyết định đến màu sắc và hương vị của sô cô la thành phẩm [23]

Cơm và hạt cacao chiếm khoảng một phần ba đến một nửa tổng trọng lượng của vỏ (125-200 g) Mặc dù phải mất từ 20 kg trở lên để thu hoạch 1 kg bột cacao thương mại đã chế biến, nhưng từ góc độ thực phẩm, bột từ một trái cacao đủ để cung cấp một nửa nhu cầu hàng ngày của một người nhỏ (450-700 calo) Liên quan đến bột cacao, 100 g (khoảng 14 pound) có thể cung cấp 10-20 % nhu cầu năng lượng của một người trẻ tuổi và đóng góp một lượng đáng kể nhu cầu vitamin và khoáng chất của một người [24]

2.3 Cơm cacao

Phần cơm có mùi thơm và chất nhầy, bao gồm các tế bào nhu mô xốp có chứa

đủ các loại đường đơn tạo vị ngọt khá cao cùng với tỷ lệ chất xơ thấp (so với tổng hàm lượng chất khô) (10-13 %), pentose (2-3 %), acid citric (1-2 %) và muối (8-10

%) chủ yếu là phức hợp kali, pectin (1-1,5 %) Ngoài ra, còn có protein, amino acid, vitamin (nhiều nhất là vitamin C – chiếm 97 %) và chất khoáng (0,22 – 0,24 %) (bao gồm magie, canxi, sắt, natri, đồng, kẽm, niken, mangan) Tuy hàm lượng các hợp chất chứa nito ở tỷ lệ khá thấp nhưng khá đa dạng và tồn tại dưới dạng các acid amin

tự do Chúng rất giàu dinh dưỡng, chứa 82-87 % nước và là môi trường phát triển tối

ưu cho các loài vi sinh vật [25]

Bảng 2.5 Thành phần hóa học cơm cacao (% w/w)

Thành phần Ivoria Nigeria Malaysia

Cơm cacao có hàm lượng cao của pectin và các polysaccharid dao động từ 1 đến 2% đã gây ra độ nhớt cao, theo nghiên cứu của Nielsen năm 2006 và Afoakwa năm 2010 Độ nhớt động học (kinetic viscosity) đối với mẫu cơm cacao tươi là 1,18 cSt tại 25oC Nghiên cứu của Pettipher (1986) đã tìm thấy sự nhiều sự khác biệt liên quan tới độ nhớt, lượng nước, citrate, hemicelluloses, lignin và pectin Hàm lượng pectin khoảng 1% (theo trọng lượng tươi) [25]

Cơm cacao là một cơ chất quan trọng được chuyển hóa trong quá trình lên men bởi một chuỗi vi khuẩn và nấm Những thay đổi trong lớp cơm có thể ảnh hưởng đến quá trình sản xuất acid của nấm men và vi khuẩn acid acetic Vì vậy, lớp cơm cacao đóng vai trò thiết yếu ảnh hưởng đến quá trình lên men và chất lượng của hạt cacao sau lên men

Các phương pháp thu cơm cacao hiện nay:

- Máy ép cơ học: Sử dụng máy nghiền cơ học, chỉ có thể loại bỏ tối đa 10% trọng lượng hạt tươi [26]

- Thùng nhựa: theo nghiên cứu của Adomako và Takrama, họ đã sử dụng thùng nhựa (loại dùng để chứa đá) để chế tạo thiết bị thu hồi cơm trong thời gian ngắn bằng cách cắt phần thân trên và đậy bằng nắp gỗ tròn, phần đáy đục lỗ, đặt thùng trên giá

đỡ bằng gỗ có đục lỗ sao cho khớp với lỗ của thùng nhựa Một cụm ống nhựa PVC cứng được đặt thẳng đứng và có đục lỗ để dịch cơm chảy vào Dựa vào áp suất tự nhiên được tạo bởi trọng lượng của hạt mà dịch cơm chảy vào ống, sau đó đi qua phễu vào thùng nhựa bên dưới [6]

- Máy ép trục vít: sử dụng trong công nghiệp với năng suất làm việc lớn, đạt 175,5 lít/tấn hạt cacao [27]

- Bổ sung enzyme pectinase: theo Frire, Schwan và công sự thì một lít dung dịch pectinase 0,2% (w/w) (Ultrazym 100G, Novo Nordisk Ferment) trong 30 phút

có thể hỗ trợ việc chiết xuất dịch cơm, giúp cho lượng dịch tách được tăng 23% w/w hạt tươi Lượng dịch chiết được ứng dụng trong quá trình sản xuất rượu vang [28]

2.4 Lên men cacao

Hiệu quả quan trọng nhất của quá trình ủ lên men hạt cacao sinh nhiệt là sự xuất hiện của những tiền chất của hương vị sô cô la Chỉ có những tiền chất này mới truyền cho hạt cacao khi rang có hương vị đặc trưng của sô cô la Các tiền chất ấy không hề có sẵn trong các loại tế bào của phôi nhũ khi hạt cacao còn tươi, mà chỉ được sinh ra trong quá trình lên men [29]

Nếu hạt được làm sạch thịt quả bao phủ bên ngoài và sấy khô mà không qua quá trình lên men, nhân cacao sẽ không có màu nâu hoặc nâu tím mà có màu xám Hạt chưa qua lên men khi đem sản xuất sô cô la thì màu sắc và mùi vị không phù hợp, thành phẩm sẽ có vị cực kỳ khó chịu, rất đắng và không có mùi đặc trưng Giai đoạn lên men là bước thiết yếu hàng đầu trong việc hình thành các tiền tố hương vị của cacao trong các giai đoạn tiếp theo Mục đích của quá trình lên men ngoài tăng giá trị

sử dụng của hạt cacao, cải thiện giá trị cảm quan khiến người tiêu dùng dễ dàng chấp nhận, thì tác động chính là giúp dừng quá trình hô hấp, khiến phôi chết, tăng thời hạn bảo quản và sử dụng bằng việc làm mềm lớp vỏ lụa và loại bỏ lớp cơm nhầy bảo vệ bên ngoài hạt [26, 30, 31]

➢ Lên men yếm khí: Lên men yếm khí do các vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí tuỳ tiện gây ra

❖ Lên men rượu:

Dưới tác dụng của một số loại vi sinh vật trong điều kiện yếm khí, đường glucoza chuyển hoá thành rượu etylic và CO2 đồng thời giải phóng năng lượng

Cơ chế:

Thực tế quá trình lên men rất phức tạp qua nhiều giai đoạn và tạo thành nhiều sản phẩm phụ: glyxerin, andehyt axetic, các axit xucxinic, axetic, lactic, xitric, các este và rượu bậc cao

Glyxerin tạo thành tới 3,6% và chỉ tạo thành ở giai đoạn đầu của quá trình lên men, do đó có thể sản xuất glyxerin từ hydrat cacbon Nếu thêm vào dung dịch lên men natribisunfit thì glyxerin, khí CO2 và andehyt axetic tạo thành nhiều hơn Hiệu suất glyxerin có thể đạt tới 20-25% Trong môi trường lên men có axit amin thì rượu

bậc cao (propanol, izobutanol và izoamylic) được tạo thành do các axit amin bị khử Nguyên liệu dùng cho lên men rượu là monosacarit – glucoza, fructoza, disacarit- sacaroza Đường lactoza chỉ lên men được dưới tác dụng của nấm men Saccharomyces lactis Đường rafinoza lên men được 1/3 Tinh bột và xenluloza thì không thể lên men được, nhưng trong công nghiệp dùng 2 chất này làm nguyên liệu sản xuất nhờ thuỷ phân biến thành đường

Điều kiện lên men: Nếu cơ chất là các sản phẩm phức tạp khác như: tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có 2 giai đoạn Giai đoạn đầu các hợp chất hữu cơ phức tạp này bị các vi sinh vật phân giải thành các dung dịch đường, sau đó dưới tác dụng của nấm men mới biến thành rượu Lên men rượu được tiến hành trong môi trường axit

pH = 4-6 Nếu pH = 8 thì ngoài rượu còn thu được axit axetic hoặc một số axit hữu

cơ khác Nhiệt độ tối thích cho lên men rượu là 15 -25oC, thấp là 3-5oC và cao là

35-40oC, đến 50oC thì quá trình lên men bị đình chỉ Nồng độ đường thích hợp cho lên men rượu là 10-20%, nếu nâng cao nồng độ đường tới 30-35% thì quá trình lên men hầu như bị ngừng

Rượu được tích tụ dần trong quá trình lên men và chính nó lại là chất độc, kìm hãm các nấm men Ở nồng độ 2-5% rượu có tác dụng kìm hãm nấm men phát triển

và ở 5-6% rượu nấm men bị đình chỉ sinh sản, mặc dù lên men vẫn tiếp tục Các nấm

men rượu vang có thể lên men được tới 16%, riêng Saccharomyces ovifornis tới

19-22% rượu Ở giai đoạn đầu của quá trình lên men cần phải thông khí vào môi trường

để kích thích nấm men sinh trưởng, tăng sinh khối, ở giai đoạn lên men chính không thông khí để tạo điều kiện kỵ khí cho sự tạo thành rượu

❖ Lên men lactic:

Quá trình chuyển hoá từ đường glucoza dưới tác dụng vủa vi sinh vật trong điều kiện yếm khí thành axit lactic và một số axit hữu cơ khác đồng thời giải phóng năng lượng, được gọi là lên men lactic

Cơ chế: Có 2 quá trình lên men lactic khác nhau là: lên men lactic đồng hình (điển hình) và lên men lactic dị hình (không điển hình) Trong quá trình lên men lactic đồng hình, glucoza sẽ được chuyển hoá thành axit lactic đồng thời giải phóng năng

lượng Trong quá trình lên men lactic dị hình, ngoài axit lactic còn tạo thành các sản phẩm khác như: axit axetic, rượu etanol, khí CO2, glixerin…

Điều kiện lên men: Tuỳ loại vi khuẩn lactic, yêu cầu nhiệt độ có khác nhau Các vi khuẩn lactic ưa ấm có nhiệt độ sinh trưởng tối thích là 25-35oC, các loài ưa nhiệt - nhiệt độ tối thích là 40-45oC, ưa lạnh – phát triển ở nhiệt độ tương đối thấp

5oC hoặc thấp hơn Khi nhiệt tới 60-80oC hầu hết chúng bị chết sau 10-30 phút

Các loài vi khuẩn lactic có khả năng tạo thành axit trong môi trường rất khác nhau do đó sức chịu đựng axit (hay độ bền với axit) rất khác nhau Đa số các trực khuẩn lactic đồng hình tạo thành axit cao hơn (khoảng 2-3,5%), liên cầu khuẩn (khoảng 1%) Các trực khuẩn có thể phát triển được ở pH =3,8-4, cầu khuẩn thì không thể phát triển đƣợc ở môi trường này Hoạt lực lên men tốt nhất của vi khuẩn lactic

ở vùng pH = 5,5-6

Đa số vi khuẩn lactic, đặc biệt là trực khuẩn đồng hình, rất kén chọn thành phần dinh dưỡng trong môi trường và chỉ phát triển được trong môi trường có tương đối đầy đủ các axit amin hoặc các hợp chất nitơ phức tạp hơn Ngoài ra, chúng còn nhu cầu về vitamin (B1, B2, B6, PP, các axit pantotenic và folic)

➢ Lên men hiếu khí: Những quá trình hoá sinh do các vi sinh vật hiếu khí gây ra bao giờ cũng có oxy không khí tham gia Phần lớn vi sinh vật hiếu khí oxy hoá các chất hữu cơ trong quá trình hô hấp tới CO2 và H2O Nhưng một số loài trong chúng lại oxy hoá không hoàn toàn và sản phẩm là các axit hữu cơ

❖ Lên men acetic:

Lên men acetic là quá trình oxy hoá rượu etylic thành axit acetic

Điều kiện lên men: Nguyên liệu là dung dịch rượu loãng 3-14%, tuỳ thuộc vào chủng vi sinh vật Nếu nồng độ rượu cao hơn sẽ ức chế quá trình lên men, nếu nồng

độ rượu nhỏ hơn 0,3-0,7% thì vi khuẩn acetic sẽ sử dụng axit acetic làm cơ chất Nhiệt độ tối thích cho sinh trưởng phát triển của vi khuẩn acetic nằm trong khoảng 20-35oC Vi khuẩn acetic có khả năng chịu axit rất cao, pH tối ưu nhất từ 4 - 4,5, một

số loài vẫn phát triển được ở pH = 3,2 Một số loài vi khuẩn acetic có khả năng sinh

tổng hợp vitamin B1, B2, B12, nhưng nhiều loài lại cần có vitamin làm chất sinh trưởng có trong môi trường mà trước hết là axit pantotenic

❖ Lên men citric:

Nấm mốc trong quá trình oxy hoá không hoàn toàn đường thành CO2 và H2O

mà tạo thành một số axit hữu cơ như: axit citric, xusinic, malic…Trong đó axit citric được chú trọng đến nhiều nhất

Điều kiện lên men: Dịch lên men có nồng độ đường cao 10-20% Loại bỏ các nguyên tố vi lượng: Fe, Cu, Mn Vì nếu thiếu các nguyên tố này sẽ ảnh hưởng đến hoạt lực của các enzim trong chu trình Crebs nên quá trình oxy hoá không hoàn toàn mới xảy ra Lên men citric trong điều kiện hiếu khí, pH= 3-4, nhiệt độ 30-32oC và có

bổ sung khoáng đa lượng

2.4.1

Phương pháp lên men

Lên men trong thùng gỗ

Hình 2.5 Các phương pháp lên men truyền thống

➢ Lên men ủ thành đống:

Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc ủ ca cao ở Tây Phi Hạt ca cao được đổ đống thành hình nón trên các lá chuối được xếp tròn trên mặt đất Nhằm giúp cho sự thoát dịch nhầy, trong quá trình lên men, người ta kê dưới lớp lá chuối các cành cây hoặc các thanh tre thành hình nan hoa của bánh xe Các lá chuối được cuộn lên nhằm giữ hơi nóng trong suốt quá trình ủ Cứ hai ngày một lần, giở lá chuối ra để xáo trộn hạt cho đều, rồi lại đậy lá chuối vào.[32]

➢ Lên men trong thúng:

Các thúng đan bằng tre được dùng cho phương pháp này Chúng được đổ đầy

ca cao rồi sau đó dùng lá chuối đậy lại Dịch nhầy chảy ra qua các mặt bên và đáy thúng Việc đảo trộn được thực hiện bằng cách đổ từ thúng này sang thúng kia, cứ 2 ngày một lần [32]

➢ Lên men trong thùng gỗ:

Các thùng gỗ có kích thước 1.2 x 1.2 x 0.9 hoặc 1.2 x 2 x 0.7, bằng các tấm gỗ lắp ghép có thể tháo rời được Các thùng này có thể bố trí theo hình bậc thang Thùng

ủ có lỗ 15 mm ở dưới đáy để chất dịch nhầy có lối thoát và khối ủ dễ thông hơi

Tiến hành lót lá chuối ở đáy và quanh thùng rồi đổ hạt ca cao tươi vào, khi đổ hạt nửa thùng tiếp tục lót lá chuối phủ phần miệng thùng để để chuẩn bị đậy kín bằng

lá chuối rồi dằn cây lên hoặc đậy nắp và dằn đá Cứ 2 ngày lại một lần tiến hành đảo trộn bằng các xúc hạt từ thùng này sang thùng khác.[32]

Ngoài ra còn có phương pháp lên men đặc biệt cho loài cacao “Nacional” nhóm Forastero ở Equado tạo ra loại Arriba hảo hạng [33]

Các phương pháp lên men khác nhau có những ưu nhược điểm riêng, ví dụ như phương pháp lên men ủ đống giúp đảm bảo độ đồng nhất của cả quá trình, phương pháp lên men trong thùng gỗ tác động thay đổi giá trị pH, hàm lượng tanin và đường trong lớp cơm cacao, trong khi đó, phương pháp lên men bằng khay hầu như chỉ phù hợp cho các quá trình lên men ngắn ngày quy mô nhỏ, … [34]

Quá trình lên men bắt đầu khi hạt được tách khỏi quả, do sự xâm nhập của các VSV từ bề mặt quả, dụng cụ lên men (thùng, thúng), dao, tay của người lao động, các vật chứa, dịch nhày khô từ mẻ lên men trước còn sót lại, từ lá chuối đậy trên bề mặt khối hạt, … Hệ VSV lên men tự nhiên bao gồm nấm men, vi khuẩn acid acetic, vi

khuẩn acid lactic và vi khuẩn Bacillus spp Chúng sử dụng thịt quả làm nguồn cơ

chất trong quá trình lên men Những biến đổi sinh hóa bên trong hạt được xem như

là kết quả của quá trình lên men thịt quả [35]

Tuy nhiên ở Brazil cũng như đặc biệt là một số nước sản xuất mới ở Đông Nam Á, các phương pháp truyền thống này đã tạo ra hạt cacao có độ chua cao và không được người tiêu dùng chấp nhận Hạt cacao từ những nước này có xu hướng yếu về hương vị sô cô la bên cạnh việc chúng có vị acid mạnh [36]

Sự hiện diện của acid acetic rõ ràng là nguyên nhân của mùi hăng của hạt khô nhưng hầu hết acid acetic được loại bỏ trong toàn bộ quy trình chế biến sô cô la tại nhà máy, còn lại rất ít hoặc không còn hương vị acid Mặt khác, acid lactic không bay hơi và không bị phân hủy trong quá trình sản xuất để lại hương vị acid trong thành phẩm Sự hiện diện của các acid này làm giảm pH của hạt khô và vì hạt có hàm lượng acid cao thường thiếu đi hương vị sô cô la, do pH thấp (< 5,0), cản trở các phản ứng tạo ra tiền chất sô cô la [37]

2.4.2

Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men:

2.4.2.1 Độ ẩm:

Nước là môi trường vận chuyển cơ chất và điều kiện tiếp xúc không thể thiếu

để vi sinh vật và các enzyme có trong hạt hoạt động Nước tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học xảy ra do đó nếu lượng ẩm (aw) quá thấp thì phản ứng sẽ chậm lại và dừng hẳn Trong quá trình lên men, độ ẩm 35% là cần thiết tối thiểu để phản ứng enzyme được diễn ra Nếu độ ẩm không thích hợp sẽ tạo điều kiện cho các vi sinh vật

lạ phát triển trong đó nấm mốc là thể hiện rõ ràng nhất, làm cho hạt cacao sau lên men có mùi lạ bên cạnh mùi thơm của hạt Còn ở aw thích hợp thì nấm men hoạt động mạnh, do đó các phản ứng tạo thành các hợp chất tiền sinh hương diễn ra mạnh mẽ hơn so với điều kiện bình thường Kết thúc quá trình khi độ ẩm đạt khoảng 7% đủ để

ức chế hoạt tính enzyme và bảo quản sản phẩm [38]

2.4.2.2 Nhiệt độ:

Trong quá trình lên men, nhiệt độ sẽ tăng từ nhiệt độ ban đầu lên 40oC sau 24 giờ đầu tiên do hoạt động tích cực của hệ VSV ở lớp cơm cacao Nhiệt lượng được giải phóng và làm tăng nhiệt độ canh trường, duy trì ở 40 – 50oC trong suốt giai đoạn lên men sau đó

Nhiệt độ tăng trong khoảng giới hạn sẽ khiến hoạt tính của enzyme tăng và tốc

độ phản ứng cũng tăng theo Khi VSV không còn cơ chất để sử dụng, nhiệt độ khối hạt giảm dần và đây chính là dấu hiệu nhận biết nên kết thúc quá trình lên men tự nhiên theo phương pháp truyền thống [39]

2.4.2.3 pH:

Độ pH ban đầu của mầm phôi chưa qua lên men trung bình là 6,5 Trong quá trình phát triển và trao đổi chất của VSV thì pH của khối hạt sẽ thay đổi tùy thuộc vào từng nhóm VSV và sản phẩm trao đổi chất của chúng Khi kết thúc quá trình lên men, hạt ngừng sinh trưởng, các acid hữu cơ bên ngoài khuếch tán vào trong phôi khiến pH giảm về khoảng 4,5 Giai đoạn phơi sấy tiếp theo giúp loại bỏ bớt 1 phần lượng acid bay hơi giúp cho pH của hạt cacao thương phẩm tăng Để đạt chất lượng

và giá trị cao trên thị trường thì độ pH của hạt chỉ được dao động trong khoảng 5 – 6 nếu không sẽ ảnh hưởng chất lượng và giá trị bột cacao Nếu pH quá thấp, hạt có vị chua và ảnh hưởng cảm quan của sản phẩm Nếu quá trình lên men bị quá mức, protein bị thủy phân hoàn toàn tạo thành amoniac làm pH tăng cao, hạt có mùi khó chịu, hương vị không phù hợp cho việc chế biến [40]

2.4.3

Các phương pháp hỗ trợ quá trình lên men

3.4.2.1 Loại bỏ một phần cơm nhầy

Làm sạch lớp nhầy để rút ngắn thời gian lên men bằng cách ép hạt Hay đem

ép thủy lực để loại nhớt tăng đọ yếm khí, hay dùng máy tách nhớt

Tác dụng: việc ép là giảm lượng đường có sẵn đối với vi sinh vật và làm cho khối hạt đậu thoáng khí hơn để nhiệt độ tăng nhanh hơn Trong các hạt cacao khô, độ

chua được giảm và pH tăng; quan trọng hơn cả là hương vị của sô cô la làm từ hạt tách cơm được cải thiện [41]

Theo nghiên cứu của Lopez năm 1985, lượng cơm được loại bỏ khỏi hạt được

sử dụng trong sản xuất một số sản phẩm phụ, tối đa 23% trọng lượng của hạt tươi được loại bỏ thì quá trình lên men vẫn diễn ra bình thường

3.4.2.2 Loại bỏ một số chất cồn dễ bay hơi

Nguyên tắc: loại bỏ một số chất cồn dễ bay hơi bằng cách cho hạt lên men vào máy thổi khí trong một thời gian ngắn sau khi lên men một ngày

Tác dụng: ít hiệu quả, khó áp dụng thực tế, không nhất quán về kết quả, quá trình lên men có thể bị thay đổi [42]

3.4.2.3 Tăng cường oxy hóa acid acetic cuối quá trình lên men

Nguyên tắc: tăng cường đảo trộn ở cuối quá trình lên men được phát triển ở Sabah – 1 bang phía Tây của Malaysia – kỹ thuật ủ chín – thêm 2 ngày sau lên men – 5 lần đảo/ngày – phụ thuộc vào:

- Độ ẩm cao

- Nhiệt độ trong khối lên men: 40 – 50oC

Hoặc thực hiện thông gió, tuy nhiên việc này cần nghiên cứu thêm vì có thể ảnh hưởng đến quá trình lên men của hạt [39, 43]

3.4.2.4 Bổ sung enzyme pectinase

Nguyên tắc: tăng tốc độ phân giải cơm ca cao và thời gian lên men yếm khí giúp giảm lượng cồn và axit lactic trong hạt ca cao

Tác dụng: Nhiệt độ tăng nhanh hơn giúp quá trình lên men được rút ngắn, cải thiện chất lượng hạt, giảm độ chua [44]

2.5 Vi sinh vật trong lên men cacao

Các nhóm vi sinh vật chủ yếu tham gia quá trình lên men hạt cacao là nấm men, vi khuẩn acid lactic (LAB) và vi khuẩn acid acetic (AAB), ngoài ra còn các VSV cộng sinh là nấm mốc và vi khuẩn hiếu khí sinh bào tử Mật độ VSV khởi đầu khác nhau về số lượng và chủng loại [45, 46]

Hình 2.6 Quá trình phát triển của VSV trong hạt cacao qua từng ngày lên men [40]

Nấm men phát triển ưu thế vào giai đoạn hình thành ethanol từ đường trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, khi lớp cơm nhầy tạo điều kiện kỵ khí, hàm lượng đường cao 10 – 12%, độ pH = 3,4 đến 4,0 và nhiệt độ thấp [47] Ban đầu, tổng

số nấm men chiếm từ 40 đến 65% lượng VSV trong khối nguyên liệu, thời gian phát triển kéo dài trong 2 ngày đầu Sau đó mật độ nấm men tăng nhanh, có thể đạt tới 90% tổng lượng VSV Ngoài ra, nấm men đóng góp lớn cho pectinolysis để loại bỏ cơm nhầy, cho phép xâm nhập không khí vào trong khối cơm nhầy, hạt cacao [40]

Một vài chủng nấm men sinh trưởng trong điều kiện yếm khí sẽ sản sinh enzyme thủy phân pectin giúp hệ VSV sử dụng hiệu quả nguồn dinh dưỡng từ cơm, đồng thời quá trình trao đổi chất của chúng hình thành ethanol – chính là nguồn cơ chất không thể thiếu của nhóm vi khuẩn acetic phát triển trong giai đoạn tiếp theo của quá trình lên men hiếu khí [20]

Tất cả các chủng loài nấm men không tham gia đồng thời và cùng một lúc mà chịu tác động bởi hành động đảo trộn trong cả quá trình Từ ngày thứ 2 đến ngày thứ

3 của quá trình lên men, mật độ nấm men sẽ giảm do chúng đã sử dụng một phần lớn đường trong cơm cacao để tạo CO2 và ethanol Lượng cơ chất giảm đi kéo theo sau

đó là lượng ethanol tăng lên sẽ ức chế ngược sự phát triển của nấm men Bên cạnh

đó nhóm vi khuẩn acetic tăng sinh khối cũng ức chế sự sinh sôi của nấm men [48]

Bảng 2.6 Tên các loài nấm men đã được định danh trong quá trình lên men cacao

theo từng quốc gia

Brazil S cerevisiae, P kluyveri, H uvarum,

P kundriavzevii, S cerevisiae, P kluyveri

[20, 47, 58]

49-Cuba P manshurica, H opuntiae, P kundriavzevii, P

kluyveri, P occidentalis, P terricola

P kundriavzevii, P kluyveri, S cerevisiae, C

tropicalis, P kudriavzevii, P galeiforms, H

opuntiae, P manshurica, P sporocuriosa, P

kudriavezii, C insectorum, Candida sp., P klyvera,

P fermentans, S chevalieri, P membranaefaciens, C

krusei, T candida

Ghana P kundriavzevii, S Cerevisiae, H opuntiae, C

carpophila, C orthopsilosis, P manshurica

Mexico P kundriavzevii, S cerevisiae, Sacch crataegensis,

H guilliermondii C., Candida; H., Hanseniaspora; P., Pichia; S., Saccharomyces; T., Torulaspora

Vi khuẩn acid lactic sản xuất chủ yếu là acid lactic làm tăng nhẹ độ pH của hạt cacao Chúng phát triển tốt trong điều kiện không có O2 hoặc nồng độ O2 thấp và nồng độ CO2 cao Khi mật độ nấm men giảm dần, cùng với CO2 được hình thành sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn lactic phát triển Số lượng chúng tăng nhanh và đạt tới 106 – 107 CFU/g trong khoảng 3 ngày Chủ yếu là nhóm lactic đồng hình sẽ tham gia vào quá trình lên men cacao [34]

Bảng 2.7 Tên các loài vi khuẩn lactic đã được định danh trong quá trình lên men

cacao theo từng quốc gia

Quốc gia Tên chủng loài vi khuẩn lactic Tham khảo

[20, 34, 47, 59-62]

Malaysia L fermentum, L plantarum, L brevis,

L plantarum, Leuc mesenteroides, L curieae,

L casei, W paramesenteroide, W cibaria

Brazil

L plantarum, L fermentum, L casei, L rhamnosus,

L lactis, L delbrueckii, L acidophilus, L brevis,

P dextrinicus, L amylovorus, L reuteri, Lc lactis,

Lc mesenteroides, P acidilactici

Ecuador

L fermentum, Leuc Pseudomesenteroides,

L fabifermentans, Lc lactis subsp lactis, L nagelii,

L cacaonum, L amylovorus, L satsumensis,

W cibaria, W fabaria

Trinidad L fermentum, L plantarum, L mesenteroides,

Lactococcus lactis A., Acetobacter; L., Lactobacillus; Leuc., Leuconostoc; Lc., Lactococcus; P.,

Pediococcus; W., Weisella

Vi khuẩn acid acetic xuất hiện ở giai đoạn sau của quá trình lên men khối cacao, khi hạt được đảo trộn và phần lớn thịt quả hóa lỏng, oxy sẽ thẩm thấu khối lượng hạt tạo điều kiện phù hợp cho sự phát triển của chúng Môi trường khi đó trở nên hiếu khí, cùng với sự giảm mật độ của vi khuẩn lactic, nhóm vi khuẩn acetic sẽ

phát triển đạt đến 105 – 106 CFU/g Hoạt động chủ yếu của vi khuẩn acetic là oxy hóa ethanol (sản phẩm của nấm men) thành acid acetic, kèm theo đó là hiện tượng tỏa nhiệt và lượng nhiệt đó lớn hơn lượng nhiệt sinh ra bởi hoạt động của nấm men và vi khuẩn lactic, chúng có chức năng ổn định nhiệt cho canh trường lên men [63]

Bảng 2.8 Tên các loài vi khuẩn acetic được định danh trong quá trình lên men

cacao theo từng quốc gia

Quốc gia Tên chủng loài vi khuẩn acetic Tham khảo

[20, 34, 47, 59-62]

A aceti, A pasteurianus, A ghanensis,

A senegalensis, A lovaniensis, A fabarum,

A indonesiensis, A malorum, A cerevisiae,

A peroxydans, G oxydans, G xylinus,

acetic, acid lactic, 2,3-butadiol và tetramethylpyrazine làm ảnh hưởng xấu đến hương

vị cacao [64]

Bảng 2.9 Tên các loài vi khuẩn hiếu khí sinh bào tử được định danh trong quá

trình lên men cacao từ 4 quốc gia [65-67]

Quốc gia Brazil Trinidad Ghana và Malaysia

B subtilis

Nếu quá trình lên men kết thúc sớm hoặc việc đảo trộn không đều khiến khối

ủ không đồng nhất thì sự chuyển hóa diễn ra không hoàn toàn, hạt thu được có mùi hăng, vị đắng, màu sắc không đạt, không có hương vị đặc trưng Quá trình lên men kéo dài sẽ dẫn đến các VSV thối rữa hay nấm mốc nhiễm vào sẽ tăng cao, ức chế nhóm VSV có lợi và tổng hợp nên những chất không mong muốn như acid butyric, acid valeric, … gây ảnh hưởng xấu đến hương vị cacao, mẻ lên men sẽ thất bại [68]

Để xác định thời điểm kết thúc quá trình lên men, Forsyth và Quesnel đã đưa

ra một số phương pháp: dựa vào màu sắc bên ngoài vỏ hạt, độ căng của hạt, mùi vị của khối lên men, sự giảm nhiệt độ khối ủ ở thời điểm cuối quá trình lên men Ngoài

ra, còn có phương pháp cắt hạt (cut test) để kiểm tra nhanh mức độ lên men của khối hạt (thường được áp dụng rộng rãi để xác định mức độ lên men trong các giao dịch mua bán hạt cacao hiện nay) [69]

Hình 2.7 Tóm tắt các phản ứng chuyển hóa của VSV

2.6 Biến đổi sinh hóa

Sự tổng hợp các tiền chất hương vị sô cô la diễn ra bên trong hạt chủ yếu là kết quả của các phản ứng sinh hóa phức tạp trong suốt quá trình lên men Mặc dù các hợp chất có mùi như ethanol, acid acetic và ester, … được tổng hợp bên ngoài hạt nhờ hoạt động của VSV, song hương vị cacao đặc trưng chủ yếu phụ thuộc vào sự tạo thành các tiền chất do hoạt động của enzyme trong phôi hạt Các chất này bao gồm acid amin tự do, peptid, đường khử, polyphenol, … nên thành phần các tiền chất này đã góp phần tạo ra hương thơm đặc trưng của sô cô la Lượng tiền chất càng nhiều, quá trình chuyển hóa càng tốt thì giá trị cacao càng tăng Các tiền chất này trong quá trình rang sẽ tham gia các phản ứng hóa nâu phức tạp phi enzyme, tổng hợp các hợp chất màu và mùi đặc trưng cho bột cacao và các sản phẩm từ cacao [70]

Lớp vỏ lụa tạo thành một rào chắn chỉ cho một lượng nhỏ acid thâm nhập vào hạt Xảy ra đồng thời với quá trình đó cũng có quá trình khuếch tán các chất bên trong hạt ra bên ngoài như caffein, theobromine để làm giảm vị đắng của hạt, giảm polyphenol sẽ làm giảm vị chát của hạt