Ứng dụng enzyme trong chế biến ướt cà phê và lên men hạt cacao

Bài viết nghiên cứu xác định các thông số phù hợp để ứng dụng được enzyme trong 2 quá trình chế biến ướt cà phê và chế biến hạt ca cao ở giai đoạn lên men và đã đạt được một số kết quả khá tốt khi ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CHẾ BIẾN ƯỚT CÀ PHÊ VÀ LÊN MEN

HẠT CACAO

Phan Thanh Bình, Nguyễn Văn Thường, Phạm Văn Thao, Trần Thị Thắm Hà, Nguyễn Thị Thoa, Võ Văn Thắng

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Cà phê và ca cao là 2 trong nhiều sản phẩm nông nghiệp cần có quá trình sơ chế tốt (đặc biệt đối với quá trình lên men) mới cho sản phẩm có chất lượng cao Trong chế biến ướt cà phê và sơ chế hạt ca cao có một giai đoạn rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm cuối cùng, đó là giai đoạn lên men Tại giai đoạn này các

vi sinh vật sẽ phát triển rất mạnh, sử dụng các cơ chất sẵn có để sản sinh ra enzyme đặc hiệu, các enzyme này xúc tác phản ứng sinh hóa đặc trưng tại lớp cơm nhầy, làm nhanh chóng phân rã chúng, tạo ra nhiều cơ chất cho hệ vi sinh vật sinh trưởng trong giai đoạn tiếp theo, sau đó dưới tác dụng của quá trình này các thông số trong khối hạt

sẽ bị thay đổi (pH, nhiệt độ, cơ chất, hàm lượng các chất ), sự thay đổi này sẽ tác động và làm hoạt hóa các phản ứng trong nhân cà phê (đặc biệt đối với cà phê chè) và

ca cao, các thành tế bào bị phá vỡ, các enzyme nội tại có điều kiện tiếp xúc với các chất và tạo ra các phản ứng sinh hóa từ đó hình thànhnên các tiền hương vị của cà phê

và sô cô la Những sản phẩm của quá trình biến đổi này dưới tác động của nhiệt trong quá trình chế biến tiếp theo sẽ tạo nên những hương vị đặc trưng và đặc biệt đối với sản phẩm cà phê và sô cô la cuối cùng

Trong thực tiễn quá trình lên men này thường được thực hiện một cách tự nhiên, sử dụng các vi sinh vật sẵn có trong không khí và xung quanh địa điểm lên men, hiệu quả của các phản ứng sinh hóa này phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện môi trường, điều kiện vi sinh vật, cơ chất và nhiều yếu tố ảnh hưởng khác, do đó tính ổn định quá trình lên men không cao, chất lượng sản phẩm không đồng đều và không ổn định qua các mẻ lên men Nhiều giải pháp được đề xuất để làm tăng tính ổn định và hiệu quả của quá trình này nhằm khắc phục những tác động làm cho quá trình lên men không ổn định và chất lượng sản phẩm không đồng đều như: cố định các thông số môi trường, khuấy đảo để làm đều khối hạt, bổ sung vi sinh vật có lợi, bổ sung cơ chất, bổ sung enzyme mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên phương pháp

sử dụng chế phẩm enzyme đặc hiệu là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm nhất

Các chế phẩm enzyme hiện nay có mức độ phù hợp với môi trường khá lớn, độ thích nghi với sự biến động nhiệt độ và pH khá cao, có khả năng xúc tác tốt các phản ứng sinh hóa, tính đặc hiệu cao, do đó việc sử dụng các chế phẩm enzyme đặc hiệu chính là phương pháp có nhiều ưu điểm nhất, dễ thực hiện, có hiệu quả cao trong điều kiện hiện nay của Việt Nam

Trên cơ sở đó chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu xác định các thông số phù hợp

để ứng dụng được enzyme trong 2 quá trình chế biến ướt cà phê và chế biến hạt ca cao

ở giai đoạn lên men và đã đạt được một số kết quả khá tốt khi ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Chế biến cà phê:

+ Nghiên cứu xác định loại enzyme phù hợp công nghệ và chất lượng sản phẩm

+ Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ sử dụng Enzyme (quy mô 2-5 tấn/mẻ)

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình ứng dụng enzyme trong sản xuất hạt cà phê theo phương pháp ướt (quy mô 2 tấn /mẻ)

2.2 Sơ chế hạtca cao:

+ Nghiên cứu xác định các loại vi sinh vật và enzyme hoạt động trong quá trình lên men hạt ca cao

+ Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết bị sơ chế hạt ca cao có sử dụng enzyme quy mô nhỏ 200kg/mẻ

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình ứng dụng Enzyme trong sản xuất ca cao

III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Kết quả ứng dụng enzyme trong chế biến ướt cà phê:

Để ứng dụng được enzyme thì các thông số của mỗi chế phẩm enzyme cần phải được xác định trên cơ chất là dịch cơm nhầy của cà phê vối và cà phê chè Kết quả nghiên cứu trên nhiều chế phẩm và cho thấy: chế phẩm Rohapect® PPL thích hợp nhất cho xử lý lớp nhớt của cà phê chè,chế phẩm Rohapect®10L của hãng AB enzyme thích hợp nhất cho xử lý lớp nhớt của cà phê vối Các chế phẩm này cho hoạt tính khi

sử dụng là cao nhất và có hiệu quả nhất trong quá trình sử dụng đối với cơ chất là dịch cơm nhầy cà phê Các thông số đối với chế phẩm trên từng loại nguyên liệu đã được xác định:

Đối với cà phê chè:

+ Khi sử dụng chế phẩm Rohapect® PPL với thời gian yêu cầu làm sạch sau 2 giờ thì cần điều chỉnh các thông số:

- Liều lượng sử dụng là 100 ppm tính trên khối lượng cà phê thóc ướt (tương đươngtừ 50-55% khối lượng cà phê quả nguyên liệu),

- Môi trường để hoạt hóa enzyme là: pH 4-5, nhiệt độ 45-50 0C

Kết quả sau 2 giờ thì tỷ lệ sạch nhớt cà phê thóc đã lên tới trên 95% và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ, sản phẩm có chất lượng thử nếm tốt, màu sắc cà phê thóc

và cà phê nhân đặc trưng

+ Khi sử dụng chế phẩm Rohapect® PPL với thời gian yêu cầu làm sạch sau 10 giờ thì yêu cầu các thông số công nghệ:

- Liều lượng chế phẩm sử dụng 20 ppm tính trên khối lượng cà phê thóc ướt (tương đương từ 50-55% khối lượng cà phê quả nguyên liệu),

- Môi trường để hoạt hóa enzyme là: pH 4-5, nhiệt độ 45-50 0C

Kết quả sau 10 giờ thì tỷ lệ sạch nhớt của cà phê thóc đã lên tới trên 95% và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ, sản phẩm có chất lượng thử nếm tốt, màu sắc cà phê thóc và cà phê nhân đặc trưng Mặc dù có thời gian lên men dài nhưng vẫn không thấy xuất hiện các mùi vị lạ (off flavour) trong sản phẩm cuối cùng

Đối với cà phê vối:

+ Khi sử dụng chế phẩm Rohapect® 10L với thời gian yêu cầu là 2 giờ thì cần điều chỉnh các thông số:

- Liều lượng sử dụng là 150 ppm tính trên khối lượng cà phê thóc ướt (tương đương từ 50-55% khối lượng cà phê quả nguyên liệu);

- Môi trường để hoạt hóa enzyme là: pH 4-5, nhiệt độ 45-50 0C

Kết quả sau 2 giờ thì tỷ lệ sạch nhớt cà phê thóc đã lên tới trên 90% và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ, sản phẩm sạch, có chất lượng thử nếm tốt, màu sắc cà phê thóc và cà phê nhân đặc trưng

+ Khi sử dụng chế phẩm Rohapect® 10L với thời gian yêu cầu 10 giờ thì cần điều chỉnh các thông số công nghệ:

- Liều lượng chế phẩm sử dụng 60 ppm tính trên khối lượng cà phê thóc ướt (tương đương từ 50-55% khối lượng cà phê quả nguyên liệu),

- Môi trường để hoạt hóa enzyme là: pH 4-5, nhiệt độ 45-50 0C

Kết quả sau 10 giờ thì tỷ lệ sạch nhớt cà phê thóc đã lên tới trên 90% và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ, sản phẩm có chất lượng thử nếm tốt, màu sắc cà phê thóc

và cà phê nhân đặc trưng Mặc dù có thời gian lên men dài nhưng vẫn không thấy xuất hiện các mùi vị lạ (off flavour) trong sản phẩm cuối cùng

Tùy vào từng điều kiện của các công ty, gia đình và xý nghiệp chế biến, tùy vào nguồn nguyên liệu chế biến để có thể ứng dụng được enzyme theo các điều kiện, thời gian khác nhau nhằm mang lại hiệu quả cao nhất, phù hợp với lịch chế biến từng cơ sở

Các kết quả này cũng đã được ứng dụng trên quy mô lớn hơn (2-5 tấn/mẻ) trong

mô hình ứng dụng và đã hoàn chỉnh được quy trình công nghệ sử dụng ở quy mô lớn với các thông số tương tự trong thí nghiệm Bên cạnh đó đề tài cũng nghiên cứu thiết

kế các thiết bị đi kèm với quy trình nhằm đảm bảo duy trì các yêu cầu về công nghệ được tốt Kết quả đã đạt được:

- Hoàn thiện được quy trình công nghệ ứng dụng enzyme trên quy mô lớn (2-5 tấn/mẻ), thiết kế, chế tạo được 04 thiết bị gồm: thiết bị đảo trộn/bể ủ, bể trung chuyển, thiết bị rửa cà phê, và thiết bị tách nước Quy trình hoàn thiện đảm bảo sản xuất sản phẩm có tỷ lệ hạt sạch nhớt trên 90%, chất lượng đánh giá thử nếm tốt, tiêu thụ ít nước Các thông số được sử dụng tương tự các thông số trong quá trình thí nghiệm.Các thiết bị thiết kế và chế tạo đều phù hợp với quy trình đưa vào xây dựng

mô hình ứng dụng enzyme xử lý lớp nhớt trong chế biến cà phê ướt

- Kết quả đánh giá quá trình sản xuất cà phê vối trên 2 mô hình thử nghiệm với hệ thống thiết bị xử lý enzyme Rohapect®10L đã được thiết kế và chế tạo trong dây chuyền chế biến ướt cho kết quả rất tốt: tỷ lệ cà phê thóc sạch nhớt từ 90% - 100%, giảm được 17% hạt bị hại do máy (vỡ và tróc vỏ thóc) so với đối chứng sử dụng thiết bị đánh nhớt

cơ học, tỉ lệ thu hồi cà phê nhân khô cao, chất lượng cà phê nhân tốt và làm tăng 0,5-2,0 điểm về mùi vị tách so với phương pháp đánh nhớt cơ học

Từ kết quả của các mô hình, thiết bị, việc tính toán, đánh giá hiệu quả kinh tế cũng được đặt ra trên cơ sở mô hình trình diễn và cho thấy: phương pháp ứng dụng enzyme đã tiết kiệm được trên 35% lượng nước sạch trong quá trình chế biến, giảm hơn 41% điện năng tiêu thụ cho các thiết bị và hệ thống đi kèm, giảm mức độ ô nhiễm

nguồn nước bởi khối lượng sử dụng ít, mức độ ô nhiễm thấp, các chất trong nước đã phân hủy nên dễ xử lý hơn Tính toán hiệu quả kinh tế cho thấy giải pháp ứng dụng enzyme đã tăng hiệu quả quá trình chế biến khi sử dụng trong phương pháp chế biến ướt từ 7,7-9,6 lần và doanh lợi hơn 13,9-17,9% so với phương pháp đánh nhớt cơ học

Như vậy ứng dụng enzyme trong chế biến ướt cà phê vối và cà phê chè là một trong ứng dụng cho kết quả rất tốt, đây là cơ sở để ngành cà phê, các công ty cà phê, các đơn vị kinh doanh và chế biến cà phê có thể phát triển phương pháp chế biến ướt trong tương lai trên diện rộng nhằm ổn định chất lượng cà phê, tăng giá bán, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí chế biến và tăng lợi nhuận của cả quá trình chế biến cà phê nhân của Việt Nam

3.2 Kết quả ứng dụng enzyme trong sơ chế hạt ca cao:

- Khi tìm hiểu các nguyên nhân làm ảnh hưởng tới quá trình lên men chúng tôi thấy rằng hệ vi sinh vật là một trong những nguyên nhân rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn trong quá trình này và đã tiến hành xác định sự đa dạng của hệ vi sinh vật trong quá trình này để làm cơ sở đánh giá quá trình lên men hạt ca cao Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ vi sinh vật trong quá trình lên men hạt ca cao của Việt Nam rất đa dạng,

gồm có nhiều loài, nhiều chủng: nấm men, vi khuẩn lactic, vi khuẩn acetic, Bacillus, nấm mốc, acetobater…với mật độ khá cao 0,8*107 Đến 26*107CFU/g hạt Đây là nguyên nhân dẫn đến sự đa dạng của chất lượng nếu không kiểm soát được quá trình này Đề tài cũng đã xác định được 23 ký hiệu nấm men, 7 ký hiệu vi khuẩn acetic, 2 ký hiệu vi khuẩn lactic, 3 enzyme polyphenol oxidase; invertase; β glucodidase tham gia chính vào trong quá trình lên men hạt ca cao tại Tây Nguyên Đây là cơ sở để định hướng các nghiên cứu ứng dụng enzyme nhằm kiểm soát quá trình lên men theo chiều hướng tạo ra sản phẩm có chất lượng cao

- Bên cạnh quá trình lên men ở lớp cơm nhầy hạt ca cao do quá trình phá vỡ lớp pectin, phân hủy đường, tạo thành rượu, acid lactic và acid acetic thì quá trình hình thành chất lượng thử nếm hạt ca cao sau quá trình rang là bởi sự biến đổi các chất tiền hương vị sô cô la Trong số rất nhiều chất tạo nên hương vị đặc trưng đó thì có một số chất có hàm lượng cao, có tác động chính tới sự biến động của chất lượng hương vị hạt

ca cao cuối cùng như: hàm lượng đường, đường khử, acid amin Để làm tăng hàm lượng các chất này lên trong quá trình lên men, nghiên cứu đã ứng dụng các sản phẩm enzyme đặc hiệu như: pectinase làm giảm hàm lượng nhớt trong khối hạt, invertase làm gia tăng hàm lượng đường khử, protease làm gia tăng hàm lượng acid amin và từ

đó làm gia tăng các tiền hương vị của hạt ca cao

Các kết quả thí nghiệm ứng dụng enzyme cho thấy: ở điều kiện độ pH từ 3,5-6,5; nhiệt độ từ 35-500C là điều kiện thông thường của quá trình lên men thìsử dụng các chế phẩm enzyme với các thông số:

Ultrazyme (pectinase): Thời điểm thêm vào là ngay lúc bắt đầu lên men, liều lượng

sử dụng 80mg/kg hạt tươi; chế phẩm Invetaza (phân cắt đường): thời điểm thêm vào cùng với pectinase là ngay lúc bắt đầu lên men, liều lượng sử dụng 60mg/kg hạt tươi; chế phẩm Flavouzyme (pectinase): thời điểm thêm vào sau 96 giờ (ở lần đảo thứ 2), liều lượng sử dụng 40mg/kg hạt tươi,thời gian lên men 5 ngày, số lần đảo 2 lần trong suốt quá trình lên men (ngày thứ 2 và thứ 4)là cho kết quả tốt nhất trong quá trình lên men: khối ủ có nhiệt

độ sau 24 giờ đã đạt trên 400

C, sau 48 giờ đạt trên 490C và duy trì suốt quá trình lên men; chất lượng sản phẩm cuối cùng được đánh giá sau khi làm khô đạt: tỷ lệ hạt lên men hoàn toàn ổn định và đạt trên 81,1%, tỷ lệ hạt lên men một phần đạt trên 17,8%, tỷ lệ hạt đen đá

gần như không có chỉ dưới 0,1%, pH của hạt đạt trên 4,9, kết quả thử nếm được đánh giá tốt về hương vị ca cao, ít chua, ít đắng Để ổn định và hoàn thiện chất lượng trong nội nhũ, hạt ca cao thường được bảo quản sau 2 tháng mới được sử dụng làm nguyên liệu chế biến

sô cô la Kết quả đánh giá hạt ca cao có sử dụng enzyme sau 2 tháng bảo quản tốt hơn rất nhiều so với đánh giá ngay sau khi kết thúc quá trình lên men và phơi sấy với: tỷ lệ hạt lên men hoàn toàn đạt trên 95%, tỷ lệ hạt lên men một phần đạt trên 4,8%, tỷ lệ hạt đen đá dưới 0,1%, pH của hạt đạt trên 5.1, kết quả thử nếm được đánh giá rất tốt với: hương vị ca cao đậm đà, ít chua, ít đắng, sản phẩm rất sạch và không có hương vị lên men quá.Đây là kết quả rất tốt và đáp ứng được yêu cầu để tạo ra nguồn nguyên liệu chế biến sô cô la

Quá trình nghiên cứu đã hoàn thiện được quy trình công nghệ sơ chế hạt ca cao có sử dụng enzyme với kết quả tạo ra sản phẩm có chất lượng cao Bên cạnh đó

đề tài cũng đã thiết kết, chế tạo ra được 2 thiết bị lên men và sấy hạt ca cao ứng dụng năng lượng mặt trời với năng suất sử dụng là 200kg/mẻ Đây là một ý tưởng khá tốt về việc ứng dụng năng lượng thân thiện với môi trường trong quá trình sản xuất nông nghiệp Mặc dù điều khiển được nhiệt độ, quá trình đảo trộn, thời gian lên men theo quy trình và cho chất lượng hạt ca cao cuối cùng khá tốt, tuy nhiên các thiết bị còn một số hạn chế nhất định như: đối với thiết bị lên men: cần nhiều lực hơn để khuấy đảo ở lần 2 khi hạt ca cao đã hết lớp cơm nhầy (ma sát giữa các hạt lớn lên), khá khó khăn để lấy hạt ca cao sau khi lên men ra khỏi thiết bị, giá thiết bị còn cao nên khó đầu tư vì thời gian khấu hao dài, chi phí khấu hao cao Đối với thiết bị sấy: số lượng ống cấp nhiệt ít nên nhiệt độ tăng chậm, chi phí máy sấy cao nên khấu hao thời gian dài, ít hiệu quả kinh tế Để sử dụng được các thiết bị có hiệu quả cần có những nghiên cứu sâu hơn và từ đó làm giảm chi phí, làm giảm chi phí và thời gian khấu hao thiết bị Mặt khác do giá hạt ca cao thô là khá thấp, năng suất thiết bị không cao nên chi phí trên một đơn vị là khá cao

Ứng dụng những kết quả trên đề tài đã xây dựng mô hình ứng dụng enzyme vào chế biến hạt ca cao và đã đạt được một số kết quả: Sử dụng các chế phẩm enzyme Ultrazyme, invertase, flavouzyme đã cho sản phẩm có chất lượng cao, giá bán tăng lên

từ 15-20% so với lên men tự nhiên thông thường cùng thời điểm, chất lượng ổn định trong các mẻ lên men Các thiết bị sử dụng chưa thật sự phù hợp với quá trình lên men hạt ca cao và cho chi phí chế biến khá cao (chủ yếu tăng lên do chi phí khấu hao)

IV KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ

4.1 Kết luận:

Đối với cà phê:

Các enzyme và liều lượng được sử dụng:

Rohapect® PPLcho cà phê chè, liều lượng: 100 ppm, sau 2 giờ tỷ lệ sạch nhớt trên 95% 20ppm sau 10 giờ tỷ lệ sạch nhớt trên 95%

Rohapect® 10Lcho cà phê vối, liều lượng: 150 ppm, sau 2 giờ tỷ lệ sạch nhớt trên 90% 60ppm sau 10 giờ tỷ lệ sạch nhớt trên 90%

Đối với ca cao:

Sử dụng các chế phẩm enzyme enzyme Ultrazyme, invertase, flavouzyme đã làm ổn định quá trình lên men, tạo ra sản phẩm có chất lượng cao: tỷ lệ hạt lên men hoàn toàn đạt trên 95%, tỷ lệ hạt lên men một phần đạt trên 4.5%, tỷ lệ hạt đen đá dưới

0,1%, pH của hạt đạt trên 5.1, kết quả thử nếm được đánh giá rất tốt về hương vị ca cao đậm đà, ít chua, ít đắng, sản phẩm rất sạch và không có hương vị lên men quá

Các thông số khi sử dụng: Chế phẩm Ultrazyme (pectinase): Thời điểm thêm vào là ngay lúc bắt đầu lên men, liều lượng sử dụng 80mg/kg hạt tươi; chế phẩm Invetaza (phân cắt đường): thời điểm thêm vào cùng với pectinase là ngay lúc bắt đầu lên men, liều lượng sử dụng 60mg/kg hạt tươi; chế phẩm Flavouzyme (pectinase): thời điểm thêm vào sau 96 giờ (ở lần đảo thứ 2), liều lượng sử dụng 40mg/kg hạt tươi là cho kết quả tốt nhất với các chỉ tiêu của quá trình lên men: nhiệt độ sau 24 giờ đã đạt trên 400C, sau 48 giờ đạt trên 470C và duy trì suốt quá trình lên men Thời gian lên men 5 ngày, số lần đảo 2 lần trong suốt quá trình lên men (ngày thứ 2 và thứ 4)

4.2 Kiến nghị

Ứng dụng kết quả nghiên cứu sử dụng enzyme trong chế biến ướt cà phê (quy trình ứng dụng enzyme và thiết bị) vào thực tiễn trên các quy mô nhỏ, vừa và lớn ở các nhà máy và xí nghiệp, hợp tác xã, cụm nông hộ và các nông hộ có đủ tiềm lực

Ứng dụng kết quả nghiên cứu sử dụng enzyme trong lên men hạt ca cao ở quy

mô nông hộ, đại lý và các xưởng chế biến Việc sử dụng các enzyme để lên men nên được thực hiện trong thùng gỗ

Cần nghiên cứu hoàn thiện thêm thiết bị đối với sơ chế hạt ca cao nhằm giảm giá thành, giảm chi phí đầu tư và thuận lợi hơn trong quá trình lên men thì mới ứng dụng được các thiết bị vào thực tiễn sản xuất

MỘT SỐ HÌNH ẢNH ỨNG DỤNG ENZYME

Hình 2 Bể ủ enzyme có cánh khuấy

Hình 3 Thiết bị rửa cà phê sau khi lên men

Hình 4 Phơi cà phê thóc

Hình 5 Lên men hạt ca cao có

sử dụng enzyme (trái) và đối chứng (phải)

Hình 6 Hạt ca cao có tỷ lệ hạt thoát dịch màu tím rất cao khi

sử dụng enzyme

Hình 7 Hạt ca cao trong thiết

bị lên men

Hình 8 Phơi hạt ca cao sử dụng hiệu ứng nhà kính