Bài tiểu luận về phụ gia trong sản xuất cà phê rang xay

CÁC PHẢN ỨNG TẠO MÀU, MÙI TRONG CHẾ BIẾN CÀ PHÊ RANG XAY [4] Trong quá trình rang xay cà phê, ở nhiệt độ cao: protein, glucid, lipid, chloragenic acid bị cắt mạch, bị decarboxyl, deamin,

I TỔNG QUAN

Cà phê là một thức uống truyền thống, được ưa chuộng tại nhiều quốc gia khác nhau Hương vị của cà phê là một trong những vấn đề phức tạp nhất của các nhà hoá học thực phẩm và hương liệu Các kết quả nghiên cứu được công bố từ năm 1967 đến nay cho thấy hương thơm của cà phê được tạo thành bởi trên 800 hợp chất khác nhau Trong thực tế sản xuất, hương vị độc đáo của cà phê có thể nhận được nhờ vào kĩ thuật phối trộn các loại cà phê khác nhau và kĩ thuật chế biến, đặc biệt là trong quá trình rang và trích li cà phê

Trong chế biến cà phê để tạo mùi vị thì rang là khâu quan trọng nhất Cà phê được rang đúng thì sẽ có màu nâu, với nhiều cấp độ tối khác nhau, nhưng không được là màu đen Nếu chưa rang tới thì cà phê sẽ kém màu, mùi thô, vị se Nếu rang cháy thì nó sẽ bị đen, đắng và không ngon

Để cải thiện màu sắc và mùi vị đem lại giá trị cảm quan cao, trong sản xuất người

ta thường bổ sung những chất độn và phụ gia thích hợp

Trong sản xuất, cà phê rang xay thường được làm theo quy trình chế biến sau:

Việc bổ sung phụ gia sẽ được tiến hành ở quá trình rang, xay, phối trộn

Quá trình rang tẩm cà phê là một công đoạn phức tạp, đòi hỏi sự vận hành thiết bị tốn kém, khả năng khống chế tốt các yếu tố kĩ thuật cũng như việc bổ sung rất nhiều phụ gia trong và sau khi rang

Quá trình rang cà phê là quá trình quan trọng quyết định chất lượng của cà phê cả về mùi vị lẫn màu sắc Thường rang ở nhiệt độ 180 – 2400C trong 12 – 40 phút, điều này phụ thuộc vào thiết bị và mức độ rang Quá trình này giải phóng hơn 600 hợp chất trong nhân tạo hương vị cho cà phê

Quá trình rang ta có thể cho thêm mật đường, nước mắm, bơ, sữa…

Quá trình xay có thể cho thêm hương cà phê, caramen…

Quá trình phối trộn có thể cho thêm những chất độn như đậu nành, nhân hạt điều, lạc…

Rang Xay Cà phê nhân

Phối trộn Phân loại

Đóng gói

Cà phê rang xay

II CÁC PHẢN ỨNG TẠO MÀU, MÙI TRONG CHẾ BIẾN CÀ PHÊ RANG XAY [4]

Trong quá trình rang xay cà phê, ở nhiệt độ cao: protein, glucid, lipid, chloragenic acid bị cắt mạch, bị decarboxyl, deamin, dehydro … tạo thành các polypeptide, amino acid, đường đơn giản, đường khử, acid béo, phenol …

Những hợp chất tạo thành này cùng với các chất có sẵn trong nhân cà phê tham gia vào các phản ứng caramel, maillard… Sản phẩm cuối là một loạt hợp chất vô cơ, vô cơ tương hỗ với nhau tổng hợp nên màu nâu sẫm, vị đắng độc đáo, hương thơm đặc trưng của cà phê

1 PHẢN ỨNG TẠO MÀU

Các phản ứng tạo màu là những phản ứng oxy hóa và những phản ứng khác có enzyme xúc tác hoặc không có ezyme xúc tác Đó là phản ứng trùng hợp hóa các phẩm vật oxy hóa của polyphenol và phản ứng bisflavonoic với axitamin Chúng gồm có :

- Phản ứng giữa đường và axitamin

- Phản ứng dehydrate hóa các đường hay là phản ứng caramen hóa

- Phản ứng phân huỷ axit ascorbic, axit linoleic, axit maleic, axit tartaric và một số chất hữu cơ khác

- Phản ứng oxy hóa các hợp chất của sắt và tạo thành phức có màu

- Phản ứng tạo nên các sulfua kim loại có màu

1.1 Phản ứng Caramel

Phản ứng xảy ra mạnh mẽ ở nhiệt độ nóng chảy của đường Chẳng hạn với glucose

ở 146 – 1500C, fructose ở 95 – 1000C, saccharose ở 160 – 1800C, lactose 223 – 2520C Tuy nhiên, phụ thuộc vào nồng độ đường, thành phần pH của môi trường, thời gian đun nóng… người ta vẫn tìm thấy các sản phẩm của sự caramen ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của đường Ví dụ, saccharose có thể bắt đầu biến đổi ngay khi ở nhiệt độ 1350C

Giai đoạn đầu của phản ứng tạo nên các anhydric của glucose, fructose, saccharose như glucozan, fructozan, saccharozan là những hợp chất không màu Sau đó, bên cạnh sự dehydrat hoá còn xảy ra sự trùng hợp hoá các đường đã được dehydrat hoá để tạo thành các phẩm vật có màu nâu vàng

Chẳng hạn, với saccharose, sơ đồ phản ứng caramen hoá như sau:

C12H22O11 - H2O  C6H10O5 + C6H10O5

saccharose glucozan levulozan Đến 185 – 1900C sẽ tạo thành isosaccharozan:

glucozan + levulozan  isosaccharozan

C6H10O5 + C6H10O5  C12H20O10

Khi ở nhiệt độ cao hơn sẽ mất đi 10% nước và tạo thành caramelan (C12H18O9 hoặc

C24H36O18) có màu vàng:

(2)C12H20O10 – (2)H20  C12H18O9 (C24H36O18)

Khi mất đi 14% nước sẽ tạo thành caramelen:

C12H20O10 + C24H36O18 – 3H20  C36H48O24.H20

Và khi mất đi 25% nước sẽ tạo thành caramelin có màu nâu đen

Tất cả các sản phẩm Caramen hoá đều có vị đắng

1.2 Phản ứng melanoidin

Phản ứng ozamin, cacbonylamin, aminoza hay phản ứng melanoidin là phản ứng có vai trò đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật sản xuất thực phẩm Các hợp phần tham gia phản ứng là protein (hoặc các sản phẩm phân giải chúng) và gluxit

Điều kiện để phản ứng xảy ra được là các chất tham gia phản ứng phải có nhóm cacbonyl Khác với phản ứng caramen hóa, phản ứng ozamin đòi hỏi năng lượng hoạt hóa bé hơn nhưng để tiến hành phản ứng bắt buộc trong môi trường phải có nhóm amin hoặc ammoniac Theo Hodge, phản ứng tạo melanoidin bao gồm một loạt các phản ứng xảy ra song song hoặc nối tiếp nhau Dựa vào mức độ về màu sắc của sản phẩm có thể chia thành 3 giai đoạn kế tiếp nhau

- Giai đoạn đầu: Sản phẩm của giai đoạn đầu không màu và không hấp thụ

ánh sáng cực tím Giai đoạn này bao gồm 2 phản ứng: phản ứng ngưng tụ cacbonylamin và phản ứng chuyển vị Amadori

- Giai đoạn hai: Sản phẩm của giai đọan thứ hai không màu hoặc có màu

vàng, nhưng hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím Giai đọan này bao gồm phản ứng khử nước của đường, phân hủy đường và các hợp chất amin

- Giai đoạn cuối: Sản phẩm của giai đoạn cuối có màu đậm Giai đoạn này

gồm có phản ứng ngưng tụ aldol, trùng hợp hóa aldehitamin và tạo thành hợp chất dị vòng chứa nitơ

Thực tế trong hỗn hợp phản ứng có chứa đồng thời tất cả các sản phẩm, nhưng tỉ lượng của sản phẩm này hay sản phẩm khác chiếm ưu thế là phụ thuộc mức độ tiến hành của phản ứng

 Các giai đoạn của phản ứng tạo melanoidin

 Giai đọan đầu:

Giai đoạn đầu tiên của sự tạo thành melanoidin là sự ngưng tụ đường với acid amin

H

C

C

O H OH

R '

+ H

H

COOH

R ''

H

R'

C O H

H

R ''

COOH

Phức đường amin được tạo thành không màu và không có tính chất nào của melanoidin cả

Khi ở nhiệt độ cao thì phức đường amin bị đồng phân hóa hay người ta gọi là bị chuyển vị nội phân Amadori Kết quả là giữa nguyên tử cacbon thứ nhất và thứ hai phát sinh ra nối kép và tạo thành 1 – amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza

R '

H

C H

R ''

COOH N

H

phức đường amin

R ' C

O

COOH

R''

H C

H

H

1 - amin - 1 - dezoxy -2 - xetoza

R ' C

OH

COOH

R'' dạng enol của 1 - amin - 1 - dezoxy - 2 - xetoza

Sản phẩm của sự chuyển vị Amadori là hợp chất có khả năng phản ứng và là chất khởi đầu để tạo thành polyme có màu sẫm gọi là melanoidin

 Giai đoạn trung gian:

Ơû giai đoạn này xảy ra sự khử nước của 1 – amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza tạo thành các sản phẩm phân li khác nhau Phụ thuộc vào điều kiện của môi trường và nhiệt độ mà giai đoạn trung gian có thể tiến hành bằng một vài con đường Có 4 con đường cơ bản:

+ Sự tạo thành furfurol hoặc hydroxymetylfurfurol là một trong những con đường khử nước của dezoxyxetoza

+ Một con đường khác (của sự khử nước dezoxyxetoza) là tạo thành reducton mạch hở

+ Con đường thứ ba là phân hủy hợp phần đường để tạo thành aldehit, axeton, diaxetyl

+ Con đường thứ tư là tạo thành ozon

 Giai đoạn cuối cùng:

Giai đoạn cuối cùng này bao gồm rất nhiều phản ứng phức tạp Có thể chia thành hai kiểu phản ứng:

+ phản ứng ngưng tụ aldol với sự tạo thành polyme màu nâu không chứa nitơ + phản ứng trùng hợp hóa aldehitamin với sự tạo thành các hợp chất nitơ dị vòng Sự ngưng tụ aldehit axetic có thể cũng là ví dụ về ngưng tụ aldol:

H3C C

O H

H

H3C CH

OH

H2

O

H

Sự trùng hợp hóa và oxy hóa đồng thời các aldehit aminoaxetic dẫn đến tạo thành pirazin

NH2

CH2 CHO

CHO CH2

NH2

N

N

+ 3H2O

pirazin

Pirazin có mùi dễ chịu nhưng yếu, hòa tan trong nước

Khi trùng hợp hóa dehydroreducton với amoniac và aldehit sẽ tạo thành hợp chất phức tạp có chứa vòng imidazol:

R C O

NH3 R''

NH3

R R'

N H

R'' + 3H2O CHO

Imidazol dẫn xuất Ngoài những hợp chất đã kể, do kết quả của phản ứng ngưng tụ aldehit, piridin và pirol cũng có thể được tạo thành

Sự ngưng tụ aldol chỉ tiến hành được khi caramel hóa dung dịch đường thuần khiết Khi có mặt các hợp chất amin mặc dầu chỉ là vết cũng xảy r a đồng thời cả hai kiểu phản ứng

Giai đoạn cuối cùng của phản ứng melanoidin sẽ tạo nên đầu tiên là các polyme không no hòa tan được trong nước, sau đến là các polyme không no và không hòa tan được trong nước, nhưng đều có màu đậm và có cùng tên gọi chung là melanoidin

Các melanoidin hấp thụ mạnh tia cực tím ( < 220 nm), không khử được dung dịch Feling, nhưng khử được iot và 2,6 – diclophenolindophenol Khả năng hòa tan của melanoidin phụ thuộc vào nhiệt độ mà phản ứng tiến hành

Khi nhiệt độ cao thì quá trình xảy ra mãnh liệt hơn nhưng melanoidin tạo thành có hương thơm kém hơn và ít hòa tan trong nước hơn Các melanoidin không hòa tan về tính chất thì gần giống với humin

Những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng melanoidin: cường độ sẫm màu của phản

ứng phụ thuộc vào bản chất của acid amin, bản chất của đường, nồng độ chất khô nói chung trong dung dịch, nhiệt độ, pH và một số yếu tố khác

Ví dụ, acid amin có thể xem như là một chất xúc tác ở trong giai đoạn đầu, còn tham gia phản ứng tạo aldehit và giải phóng NH3, từ đó NH3 tham gia tương tác với đường và tạo ra melanoidin Bản chất của đường ảnh hưởng đến cường độ của phản ứng, cụ thể glucose phản ứng mãnh liệt hơn cả sau đó mới đến galactose và lactose Nồng độ chất tác dụng càng cao, lượng nước càng ít thì sự tạo thành melanoidin càng mạnh Nhiệt độ tăng thì vận tốc phản ứng tăng và ở các nhiệt độ khác nhau, các sản phẩm tạo thành cũng khác nhau pH để phản ứng xảy ra khá rộng, tuy nhiên trong môi trường kiềm phản ứng nhanh

hơn Các chất như dimedon, hydroxylamin, bisulfit… có tính kìm hãm phản ứng melanoidin, ngược lại, acid lactic, dung dịch đệm phosphat… sẽ làm tăng tốc phản ứng…

Tóm lại, phản ứng melanoidin rất phổ biến trong mọi sản phẩm thực phẩm có liên quan đến gia nhiệt và thời gian bảo quản dài

1.3 Phản ứng oxy hóa polyphenol

Phản ứng tạo màu do oxy hóa các polyphenol có enzyme và không có enzyme tham dự Người ta cũng gọi là phản ứng sẫm màu do enzyme

Hợp chất phenol là những chất mà phân tử có chứa vòng benzen, trong đó có một, hai hoặc nhiều hơn hai nhóm polyphenol Dựa vào đặc trưng của “bộ xương” carbon, các hợp chất phenol tự nhiên có thể chia ra làm ba nhóm chính:

- nhóm hợp chất phenol C6 – C1 (axit galic)

- nhóm hợp chất phenol C6 – C3 (axit cafeic)

- nhóm hợp chất phenol C6 – C3 – C6 (catechin và flavonoid)

Khả năng phản ứng tạo màu mạnh hay yếu phụ thuộc vào cấu trúc của phenol cũng như vào nguồn enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa này

Phản ứng tạo màu do enzyme thường có các giai đoạn sau:

OH

R

hydroxyl hoá bởi enzyme

OH

R

OH

bởi enzyme oxy hoá

R

O

O không xúc tác bởi enzyme Polymecó màu

phenol

(thường không

màu)

octodiphenol (thường không màu)

octoquinon (thường có màu đỏ)

Các chất màu được tạo thành do phản ứng kiểu này thường có tên gọi chung là melamin (hay tên khác là flobafen) Nói chung sản phẩm cuối cùng thường có màu nâu, màu đen hoặc các gam màu trung gian như hồng, đỏ, nâu, xanh đen… Phản ứng tạo thành các chất màu được bắt đầu từ quinon và không có enzyme tham gia

Đầu tiên, quinon phản ứng với nước tạo thành trihydroxybenzen, tiếp đó, các trihydroxybenzen lại phản ứng với các quinon khác để hình thành ra các hydroxyquinon

và cuối cùng chính các hydroxyquinon này lại là nơi để ngưng tụ oxy hoá (ở giai đoạn này còn tiêu thụ oxy) dẫn đến tạo thành các polyme

- Các quinon cũng có thể tác dụng với nhóm –SH và NH2 của protein, acid amin và amin theo cơ chế sau:

O

O

OH

OH

SR

OH

OH

quinon

O

O

+ RNH2

HO

HO

O

NH-R-OH

Quinonimin là phức giữa quinon và acid amin thường có màu nâu đỏ Khi tạo thành phức này, acid amin kết hợp với cacbon ở vị trí para của một trong hai nhóm quinon Nếu cả hai vị trí para của các nhóm quinon đều bị thay thế thì acid amin sẽ không kết hợp vào và phức quinon sẽ không được tạo thành Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ màu đỏ được tạo thành một cách mạnh mẽ chỉ khi hợp chất nitơ tham gia vào phức có chứa nhóm amin bậc hai (prolin) Nếu hợp chất có chứa nhóm amin bậc một thì phức tạo thành có màu đỏ da cam, ít đậm hơn

- Phức giữa quinon và polypeptit hoặc protein thì có màu nâu

- Phức quinon không những có tác dụng tạo màu mà còn có tác dụng oxy hóa lượng acid amin thừa (không có enzyme tham gia), phân ly nó đến amoniac và  -xetoacid hoặc aldehit tương ứng theo sơ đồ sau (Mecon 1955):

OH

+ enzyme PO

+ H2N-CH2COOH

O

O

NH

CH2COOH

O

N

NH

CH 2 COOH

CH2COOH

OH

N

NH

CH2COOH

H

C COOH OH

NH 2

NH

CH2COOH

+ H2N-CH2-COOH

CHO-COOH

NH3

- 2e - - 2H + HO

Những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng: nồng độ cơ chất phenol, hàm lượng và trạng thái của polyphenoloxydaza, nồng độ oxy, nồng độ quinon, pH…

Khi nghiên cứu các phản ứng tạo màu đã cho thấy các aldehit có thể được hình thành nên bằng phản ứng Maillard, phản ứng polyphenolamin Như vậy, hợp chất “nguyên thủy” có thể tạo nên mùi là acid amin, đường và polyphenol Trong những quá trình này, acid amin có một vai trò quyết định có tính chất trực tiếp hết sức quan trọng

2.1 Phản ứng Maillard là nguồn tạo ra aldehit

Trong quá trình gia nhiệt, các acid amin tương tác với đường và tạo thành các aldehit và reducton theo sơ đồ phản ứng như sau:

Hexoza + pentoza + acid amin  furfurol + oxymetylfurfurol + các aldehit + các reducton…

Bản thân các furfurol và oxymetylfurfurol cũng là những aldehit vòng có mùi đặc trưng

Furfurol có mùi táo và do đường pentoza tạo thành Oxymetylfurfurol có mùi dễ chịu và được tạo thành từ đường hexoza

Hai furfurol này có thể được tạo thành do tương tác của đường với acid amin qua phức hợp trung gian 1 – amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza Tuy nhiên chúng có thể được tạo nên bằng con đường chuyển hóa các đường

Ngoài furfurol và oxymetylfurfurol, các aldehit khác có thể được tạo thành do tương tác của acid amin với furfurol hoặc với các reducton theo sơ đồ phản ứng sau:

R1 C COOH

aldehit

o

C

O

O OOH

+O2

o

C O OOH HC

R

COOH

R

COOH

o

C O OH + H2O

Với reducton thì sơ đồ phản ứng tổng quát như sau:

HC

R1

COOH

NH2

Từ sơ đồ phản ứng ta thấy các aldehit R1CH = O được tân tạo ra có mạch cacbon bé hơn acid amin ban đầu một cacbon Các aldehit này do bản chất các acid amin ban đầu quyết định Như vậy có nghĩa là hương thơm của các bán thành phẩm hay thành phẩm là

do các acid amin quyết định

2.2 Phản ứng quinonamin là nguồn tân tạo ra các aldehit

Các aldehit còn được tân tạo nên do tương tác của acid amin với polyphenol khi có sự xúc tác của enzyme polyphenoloxydaza hoặc trong điều kiện nhiệt độ cao Sơ đồ phản

O HO

OH

OH

OH

OH H

H

1/2 O2 enzyme

O HO

OH

O

O

OH H H

+R1CHCOOH

NH2 O

HO

OH

OH

OH

OH H H

NHCHCOOH

R 1

1/2 O 2

O HO

OH

O

O

OH H H

NHCHCOOH

R1

NH3 + H2O

O OH

OH

OH

OH H H

NHCHCOOH

R1

NH2 O

HO

OH

OH

OH H H

NHCHCOOH

R1

N

CHR 2

+ H2O

O HO

OH

OH

OH H H

NHCHCOOH

R1

CO2

C COOH

R 2 N

O HO

OH

O

OH H H

NHCHCOOH

R 1

C

H COOH

R 2 N

+

R2CHCOOH

NH2

1

2 3

Từ đây chúng ta cũng thấy aldehit được tân tạo nên có mạch carbon bé hơn mạch carbon của acid amin “nguyên thủy” một nguyên tử carbon Như vậy, trong trường hợp này acid amin cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hương thơm mới của sản phẩm

III CÁC CHẤT BỔ SUNG CHO CÀ PHÊ RANG XAY

Ta có thể bổ sung vào quy trình sản xuất cà phê rang xay rất nhiều chất khác nhau, chỉ cần đảm bảo yếu tố không độc và phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam Tuỳ theo công dụng và mục đích, phụ gia có thể chia làm 2 nhóm chính như sau: nhóm các chất độn và nhóm các chất phụ gia Thứ tự, thời điểm bổ sung ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của cà phê thành phẩm

Việc phối trộn nguyên liệu trước khi rang thích hợp với những cơ sở rang xay thủ công, thuận tiện cho họ trong việc rang và tẩm chỉ cần thực hiện một lần Còn phối trộn sau rang thì người sản xuất phải thực hiện rang đến 3 lần cho 3 loại cà phê mới cho ra 1