Bài 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ
2. Nguyên liệu và quy trình sản xuất cà phê
2.2. Quy trình sản xuất
2.2.2. Thuyết minh quy trình
- Mục đích công nghệ của quá trình làm sạch và phân loại và để chuẩn bị
- Cà phê nguyên liệu khi được đưa đến nhà máy có thể bị lẫn những tạp chất. Lượng tạp chất này tùy thuộc vào chất lượng của nguyên liệu cà phê. Thành phần tạp chất thường là lá, vỏ cà phê còn sót lại, đá, cát, có thể có lẫn cả kim loại do quá trình đóng gói, vận chuyển. Các loại tạp chất này có thể sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất cảm quan của sản phẩm. Riêng kim loại, đá, cát có thể làm hỏng thiết bị trong quá trình nghiền sau này. Do
Cà phê nhân
Phân loại – làm sạch
Rang
Làm nguội
Xay
Bao gói
Cà phê bột
Hình 2. 4: Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê bột
đó, mục đích chính của quá trình làm sạch là loại các tạp chất này ra khỏi nguyên liệu cà phê nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
- Bên cạnh đó, để đảm bảo sự đồng đều của cà phê trong quá trình rang, quá trình phân loại Bà giúp loại bỏ các hạt cà phê không đảm bảo về kích thước (quá nhỏ hoặc quá to, hạt cà phê bị vỡ nát) và tỷ trọng (hạt bị lép, hạt cà phê được chế biến từ các quả quá chín,...)
b. Biến đổi
Trong quá trình làm sạch, biến đổi quan trọng nhất là hàm lượng tạp chất sẽ giảm, nguyên liệu cà phê đồng đều hơn về kích thước và tỷ trọng . Các biến đổi khác là không đáng kể.
c. Phương pháp thực hiện
* Trong quy mô công nghiệp:
- Quá trình làm sạch được thực hiện qua ba bước liên tục phân loại dựa trên kích thước, dựa trên tỷ trọng và tách kim loại.
- Quá trình phân loại dựa trên tự khác biệt và kích thước được thực hiện bằng sàng. Thông thường, quá trình phân loại được thực hiện trên hai sàng nối tiếp nhau. Cà phê được cho vào sàng thứ nhất, phần tạp chất có kích thước lớn được giữ lại trên hàng, phản đi qua sàng sẽ được tiếp tục chuyển đến hàng thứ 2. Tại đây, các tạp chất có kích thước nhỏ hơn lỗ sàng và đi qua sàng, hạt cà phê có kích thước theo yêu cầu sẽ được giữ lại trên sàng. Kích thước lỗ sàng của hai sàng này phụ thuộc vào từ loại phê nguyên liệu.
- Cà phê sau khi sàng xong được chuyển sang công đoạn tiếp theo là làm sạch bằng khí động. Tại đây, các tạp chất có khối lượng nhẹ hơn hạt cà phê sẽ được tách ra do bị đòng khí lôi cuốn đi.
- Cà phê sau khi được làm sạch bằng khí động sẽ được đưa sang thiết bị tách từ để tách kim loại. Qúa trình tách kim loại sẽ tách các kim loại có từ tính ra khỏi cà phê.
* Trong phòng thí nghiệm
Với nguyên liệu cà phê có khối lượng dùng làm nguyên liệu khá ít khoảng 250 gam nên thường được phân loại và làm sạch bằng tay. Khi thực hiện quá trình phân loại nhặt các hạt
d. Thiết bị
Hình 2. 6: Lưới sàng phân loại hạt cà phê 2.2.2.2. Rang
a. Mục đích
- Là quá trình gia nhiệt cho cà phê nhân để tạo nên những biến đổi sâu sắc trong hạt, hình thành nên những tính chất đặc trưng cho cà phê về màu sắc, mùi và vị thông qua sự biến đổi về màu sắc, cấu trúc và thành phần hoá học của hạt.
- Mục đích công nghệ chế biến và chuẩn bị
- Chế biến: Trong quy trình công nghệ sản xuất cà phê rang xay rang là công đoạn quan trọng nhất và mang tính chất quyết định đến chất lượng của cà phê thành phẩm .
Hình 2. 5: Thiết bị phân loại hạt cà phê
Trong quá trình nàng cà phê, dưới tác động của nhiệt độ, các phản ứng hóa học diễn ra và tạo thành hương vị, màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm.
- Chuẩn bị: Quá trình rang cà phê tạo ra các biến đổi tính chất cơ lý của hạt cà phê, làm cho quá trình nghiên cà phê tiếp theo được dễ dàng hơn. Thông thường thì sau quá trình rang, hạt cà phê có độ bền cơ học giảm, độ giòn sẽ tăng lên. Khi đó, dưới tác dụng của lực cơ học trong quá trình nghiền, hạt cà phê d dàng bị vỡ ra . Phương pháp rang cà phê rang là quá trình gia nhiệt cho hạt cà phê, sử dụng tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng có nhiệt độ 180-260°C . Trong quá trình rang, hạt được đảo trộn liên tục nên trong thiết bị răng có cả ba phương thức truyền nhiệt: bức xạ, dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự. 2011).
- Dựa vào sự biến đổi về màu sắc và trạng thái bề mặt quá trình rang cà phê được phân loại thạo các mức độ rung khác nhau. Mức độ rang ảnh hưởng đến tính chất của cản phẩm cà phê rang xay (màu sắc, hương vị) và mức độ biến đổi các hợp chất hóa học trong nguyên liệu. Tùy thuộc theo thị hiếu của người tiêu dùng mà nhà sản xuất sẽ lựa chọn mức độ răng thích hợp. Để đánh giá nhanh mức độ rang, thường sử dụng các thiết bị đo màu sắc hạt thiết bị đo thông dụng nhất là máy đo màu Agtron. Theo thang đo màu Agtron, màu cà phê càng sẫm thì độ Agtron càng thấp (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự. 2011).
b. Biến đổi
Biến đổi vật lý
- Trong quá trình rang, nhiệt độ của hạt cà phê tăng là nhiệt lượng cung cấp từ tác nhân gia nhiệt và nhiệt lượng do các phản ứng hóa học bên trong hạt sinh ra. Trong giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt lượng do các phản ứng nhiệt phản là không đáng kể. Sau đó, nhiệt lượng sinh ra từ các phản ứng nhiệt phản sẽ tăng do cường độ các phản ứng tăng lên. Nhiệt lượng này tăng mạnh khi nhiệt độ của hạt cà phê dao động trong vòng 17°C đến 250°C. Để hạn chế hiện tượng tăng nhiệt này trong quá trình rang, khi rang đến nhiệt độ trong vùng nói trên, các nhà sản xuất cần giảm lượng nhiệt cung cấp từ bên ngoài bằng cách giảm lưu lượng tác nhân rang.
- Như vậy, trong quá trình trang thể tích của hạt tăng từ 50-80% (thậm chí tới 100%)
Còn độ ẩm biến đổi từ 10-12% trong cà phê nhân xuống 2-2,5% trong cà phê rang (Nguyễn Thị Hiền và cộng sự. 2010).
- Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nước và một số chất có phân tử lượng thấp sẽ bay hơi, do đó làm trương nở và giảm khối lượng hạt cà phê, tỷ trọng hạt cũng giảm đi.
- Thể tích hạt sau khi rang có thể tăng lên 40-60%. Cà phê Robusta thương nở ít hơn Arabica ở cùng mức độ rang. Cùng một giống cà phê, độ trương nở và mức độ giảm khối lượng hạt càng nhiều khi mức độ rang càng đậm hay khi sử dụng phương thức rang nhiệt độ cao và thời gian ngắn.
Biến đổi hóa học
- Độ ẩm của hạt cà phê trước khi rang khoảng 12-13 % (w/w) . Độ ẩm của cà phê sau khi rang thường khoảng 1-2 %, tùy thuộc vào mức độ rang .
- Sự tổn thất chất khô: hàm lượng chất khô trong quá trình rang sẽ bị giảm do các phản ứng phân hủy. Khi cà phê rang càng đậm, lượng chất khô sẽ giảm càng nhiều do thực hiện các phản ứng phân hủy.
- Sự thay đổi hàm lượng chất khô hòa tan: trong quá trình rang, hàm lượng chất khô hòa tan thường tăng lên. Thông thường, hàm lượng chất khô hòa tan của cà phê Arabica sau khi rang xấp x 30 % (chất khô), còn lượng chất khô hòa tan của cà phê Robusta thì có thể cao hơn 3-4 % (xét trường hợp 2 loại cà phê có cùng mức độ rang). Để đạt cùng một mức độ rang, nếu thời gian rang càng ngắn thì hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê thành phẩm sẽ càng cao.
- Phản ứng Caramel Xảy ra ở nhiệt độ nóng chảy của đường, nhiệt độ nóng chảy của đường Glucose là 145-150°C. của Fructose là 95-100oC, của Saccazose là 160-180oC, của Lactose là 223-252oC,... tạo nên các hợp chất có màu và vị .
- Phản ứng Melanoidin (Maillard, Ozamin): Xảy ra giữa đường khử và axit amin dưới tác dụng của nhiệt độ tạo nên các sản phẩm có màu và mùi.
Đường khử + axit amin Sản phẩm có màu và mùi
- Ngoài ra, còn xảy ra những phản ứng khác như phản ứng cracking các hợp chất cao phân tử (gluxit, protein ), sự vô cơ họa các hợp chất chứa cachon, tạo hình dáng và màu sắc cho sản phẩm
Biến đổi hóa sinh và vi sinh
- Bề mặt hạt cà phê dần trơn và nhẵn. Sau đó, bề mặt hạt sẽ khô và bắt đầu xuất hiện các vết nứt. Cuối cùng, bề mặt hạt sẽ dần bóng lên do dầu từ bên trong nhân cà phê thoát ra bề mặt.
- Màu sắc của hạt cà phê sẽ biến đổi dần từ màu xanh xám sang màu vàng nhạt, vàng xám, nâu cánh gián, nâu đen và cuối cùng có màu đen đậm.
c. Cách thực hiện
Hình 2. 7: Cà phê sau khi rang
Hai thông số công nghệ quan trọng nhất chính là nhiệt độ và thời gian rang. Nhiệt độ càng cao thì mức độ rang càng đậm. Thời gian rang càng dài thì mức độ rang cũng càng đậm. Nhiệt độ của hạt cà phê quá 254oC sẽ làm cho nó bị hóa than. Thông thường, trong quá trình rang, nhiệt độ của hạt cà phê nên nằm trong giới hạn 180-240°C. Thời gian rang được xác định theo mức độ rang mong muốn và nhiệt độ thực hiện quá trình rang (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự. 2011).
Có hai phương pháp rang là phương pháp gián đoạn và phương pháp liên tục. Với phương pháp rang gián đoạn sử dụng thiết bị rang dạng hình trụ hoặc hình cầu, còn phương pháp rang liên tục sử dụng thiết bị rang dạng trống quay, dạng chén quay,… Vật liệu để chế tạo thiết bị thường là thép đen, thép chống rỉ hoặc gang (Nguyễn Thị Hiền và cộng sự.
2010).
Với bài thí nghiệm này nhóm thức hiện rang cà phê trong khoảng thời gian là 15 phút với nhiệt độ của quá trình là 220oC. Thực hiện rang cà phê bằng chảo và bếp gas. Với
phương pháp này thì hiệu suất không cao cần đòi hỏi người thực hiện có nhiều kinh nghiệm liên quan đến việc rang cà phê.
d. Thiết bị
Hình 2. 9: Thiết bị rang cà phê dạng chén quay ngang 2.2.2.3. Làm nguội
a. Mục đích
- Mục đích công nghệ: hoàn thiện
- Cà phê sau quá trình rang có nhiệt độ cao làm cho các hợp chất tạo hương mới sinh ra tiếp tục bay hơi làm thất thoát hương vì vậy để tránh tổn thất hương, cần làm nguội nhanh sản phẩm.
Hình 2. 8: Thiết bị rang cà phê dạng trống quay ngang
b. Biến đổi
Trong quá trình làm nguội, các hợp chất hương tạo thành vẫn tiếp tục bay hơi. Mặt khác, do nhiệt độ cao nên các phản ứng hóa học trong hạt cũng tiếp tục diễn ra, nhất là phản ứng caramel và phản ứng Maillard. Do đó, màu hạt trở nên sẫm hơn. Làm nguội càng nhanh thì sự thất thoát hương và biến màu sản phẩm càng giảm .
c. Phương pháp thực hiện
Làm nguội bằng cách rải cà phê ra sáng kết hợp với quạt thổi không khí hoặc tốt nhất là hút chân không để tránh tổn thất chất thơm.
Quá trình làm nguội có thể thực hiện trong thiết bị rang kiểu đứng, dùng không khí để làm nguội. Ở một số cơ sở sản xuất, người ta có thể phun ẩm hoặc phun rượu để làm nguội nhằm mục đích tạo ra độ ẩm bảo quản (<13 %). Vì khi rang độ ẩm hạt chỉ còn 1-2
%. Ngoài ra việc phun rượu còn có tác dụng là tạo ra phản ứng ster hóa có mùi thơm. Có một số nơi dùng dung dịch đường, tỷ lệ 2% để phun vào cà phê đã rạng nhằm mục đích làm nguội và bọc hạt cà phê bên ngoài để khỏi mất hương thơm. Quá trình làm nguội sẽ kết thúc khi nhiệt độ của hạt bằng nhiệt độ của môi trường.
2.2.2.4. Xay a. Mục đích
- Mục đích công nghệ: Chuẩn bị
- Quá trình nghiên cà phê rang có mục đích chính là giảm kích thước của hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn có của hạt cà phê rang đi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích ly khi sản xuất cà phê hòa tan hoặc trong qui trình pha chế cà phê khi sử dụng. Ngoài ra, mục đích của quá trình nghiền còn nhằm tạo điều kiện cho một số khí (đặc biệt là CO) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại bên trong hạt lỗ thoát ra ngoài, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bao gói.
- Công đoạn xay cà phê rang cũng rất quan trọng, cà phê rang phải được xay đến độ mịn phù hợp và đồng đều. Nếu bột thô thi khi pha sẽ rất khó có thể chiết được hết các chất hoà tan ra ngoài nên dịch chiết sẽ loãng hoặc thời gian pha phải kéo dài. Ngược lại , nếu bột quá mịn thì khi pha cà phê sẽ khó chảy và có thể dịch chiết sẽ có lẫn cặn.
b. Biến đổi
- Quá trình nghiền sẽ làm giảm kích thước của hạt. Kích thước của cà phê bột thay đổi từ vài mm đến vài um phụ thuộc vào phương pháp trích ly cà phê.
- Xảy ra sự tách lớp vỏ mà chưa được tách ra trong quá trình rang.
- Trong quá trình nghiền, khí cacbonic, 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. Mức độ thoát khi phụ thuộc vào kích thước của hạt cà phê sau nghiền.
- Quá trình nghiền có thể làm giảm mùi thơm do một số chất tạo mùi bị thất thoát.
c. Phương pháp thực hiện
Hình 2. 10: Cà phê sau khi nghiền
Sử dụng các máy nghiền cà phê để làm nhỏ phần nguyên liệu. Tuy nhiên, độ mịn của bột còn tuỳ theo phương pháp pha (pha bằng máy thì bột phải mịn hơn pha bằng tay) hoặc nơi tiêu thụ (ở châu Âu thì bột phải mịn hơn ở Mỹ ). Độ mịn phù hợp khoảng 400um.
Thiết bị nghiền cà phê là các loại máy nghiền hạt đôi khi còn được gọi là máy xay.
Sau quá trình nghiền, bột cà phê được đưa tới rây. Các thành phần đạt yêu cầu được đem bao gói, thành phần có kích thước quá lớn được hoàn lại trở về máy nghiền.
d. Thiết bị
Hai dạng máy nghiền thường được sử dụng trong quy mô công nghiệp là máy nghiền trục trơn và máy nghiền răng. Còn trong bài thí nghiệp nhóm sử dụng máy nghiền thô thông thường để nghiền cà phê.
Hình 2. 11: Máy nghiền cà phê 2.2.2.5. Bao gói
a. Mục đích
- Mục đích công nghệ: Hoàn thiện
- Quá trình bao gói giúp cho sản phẩm dễ vận chuyển và phân phối đến tay người tiêu dùng. Ngoài ra, việc bao gói còn làm tăng giá trị hình thức bên ngoài của sản phẩm.
- Bảo quản: cà phê rang xay rất dể bị mất hương thơm, hấp phụ mùi lạ và dễ bị oxy hóa nên cẩn phải bao gói thật cẩn thận để kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm
b. Các biến đổi
Các biến đổi không đáng kể. Qúa trình bao gói nhằm mục đích cố định chất lượng của sản phẩm hạn chế tối đa sự tổn thất của cà phê.
c. Cách thực hiện
Thực hiện bao gói sản phẩm bằng bao bì plastic nhằm mục đích ngăn ngừa sự thấm ẩm vào bên trong sản phẩm.
Hình 2. 12: Cà phê được bao gói trong bì plastic 3. Kết quả và bàn luận
3.1. Kết quả
Hình 2. 13: Cà phê sau khi được nghiền xong
Bảng 3: Kết quả rang cà phê
Trước khi rang Sau khi rang
Khối lượng
250 gam 194.22 gam
Độ nở
Vtrước rang = 320 ml Vsau khi rang = 460 ml
Hình ảnh Hình ảnh
Thời gian rang
0 phút 5 phút 10 phút 15 phút
Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh
Tính toán:
- Lượng cà phê sau khi phân loại được còn lại 234 g a. Hao hụt do hạt bắn ra ngoài và giảm ẩm
(mrang – msau khi rang) *100 / mrang = (241 – 194.22) *100/234 = 19.99%
Giải thích: Sau khi rang khối lượng của hạt bị giảm xuống. Lượng hao hụt của cà phê khi tiến hành làm thí nghiệm là 19,99%. So với những kiến thức về quá trình rang cà phê: Lượng hao hụt trọng lượng khoảng 14-23% (phụ thuộc vào mức độ rang, phương pháp rang). Còn độ ẩm giảm từ 10-12% trong cà phê nhân xuống 2-2,5% trong cà phê rang (Nguyễn Thị Hiền và cộng sự. 2010). Vậy nên kết quả thu hoàn toàn phù hợp.
Nguyên nhân là cho khối lượng bị giảm:
- Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nước và một số chất có phân tử lượng thấp sẽ bay
- Sự tổn thất chất khô: hàm lượng chất khô trong quá trình rang sẽ bị giảm do các phản ứng phân hủy. Khi cà phê rang càng đậm, lượng chất khô sẽ giảm càng nhiều do thực hiện các phản ứng phân hủy.
- Lớp vỏ lụa trong cà phê bị tách ra và bị thất thoát tra ngoài làm giảm khối lượng b. Độ nở của hạt
(V tsau rang – V trước rang)*100/V trước rang = (460 – 320)*100/320 = 43.75%
Giải thích: Trong quá trình rang thể tích của hạt tăng lên. Thể tích hạt sau khi rang có thể tăng lên 40-60%. Cà phê Robusta thương nở ít hơn Arabica ở cùng mức độ rang.
Cùng một giống cà phê, độ trương nở và mức độ giảm khối lượng hạt càng nhiều khi mức độ rang càng đậm hay khi sử dụng phương thức rang nhiệt độ cao và thời gian ngắn (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự. 2010).
Nguyên nhân việc tăng thể tích: Do sự thay đổi hàm lượng chất khô hòa tan. Trong quá trình rang, hàm lượng chất khô hòa tan thường tăng lên. Thông thường, hàm lượng chất khô hòa tan của cà phê Arabica sau khi rang xấp x 30 % (chất khô), còn lượng chất khô hòa tan của cà phê Robusta thì có thể cao hơn 3-4 % (xét trường hợp 2 loại cà phê có cùng mức độ rang). Để đạt cùng một mức độ rang, nếu thời gian rang càng ngắn thì hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê thành phẩm sẽ càng cao (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự. 2010).
3.2. Bàn luận
Trong sản xuất cà phê bột thì quá trình rang là quan trọng nhất, nó ảnh hưởng đến tính chất của cà phê và những đặc tính của sản phẩm. Hiện nay, có nhiều yêu cầu khác nhau về sản phẩm cà phê rang, vì vậy có nhiều loại cà phê rang khác nhau như sau:
- Cà phê rang nhạt ( light roast ): Loại này còn gọi là cà phê rang quế vì sản phẩm có màu nâu vàng giống màu phía trong của vỏ bóc ra từ cây quế, một loại cây thường gặp ở vùng Đông Nam Á, đây không phải màu vàng nâu do tẩm chất khác vào. Hạt có bề mặt rất khô và màu nâu nhẹ giống màu sôcôla sữa hoặc đậm hơn, lúc pha cho mùi vị chua dịu (với loại cà phê chè Arabica). Khi rang đạt màu như vậy thì hạt mất 3 đến 5 % khối lượng khô. Trong loại cà phê rang này, hầu hết các hợp chất tạo ra mùi vị thơm ngon chưa có mặt đầy đủ và ở hàm lượng thấp . Mùi vị cà phê chưa thật đậm đà, nhưng nếu có mùi vị lạ thì