Đề tài Sản xuất bột cà phê tách caffeine

hoạt động của hệ thống tim mạch. Những ngƣời bị rối loạn tim mạch hoặc không dung nạp caffeine thì không nên uống cà phê. Caffeine có tác dụng lợi tiểu, vì vậy, cần tránh uống cà phê vào ban đêm để không bị mất ngủ. Caffeine có tác dụng kích thích làm tăng tiết acid dịch vị, vì vậy, tránh uống cà phê vào lúc đói. Ngƣời đã yếu dạ dày nếu uống cà phê lúc đói sẽ có hại cho niêm mạc dạ dày. Một số ngƣời chỉ uống cà phê vào buổi sáng mà không dùng điểm tâm, rất có hại cho sức khỏe, cần bỏ thói quen này. Caffeine có thể gây tƣơng tác với một số dƣợc phẩm, chẳng hạn làm mất tác dụng an thần của thuốc an thần gây ngủ. Vì vậy, nên tránh uống cà phê với thuốc. Ngoàira caffeine còn gây ra một số tác hại - Tăng hooc-môn gây căng thẳng thần kinh, gây mất ngủ. - Tăng huyết áp. - Có thể gây tắc mạch máu. - Gây rối loạn tim mạch. - Tạo cảm giác bồn chồn, lo lắng. - Gây rối loạn dạ dày, có thể ảnh hƣởng tới ăn uống. - Thúc đẩy quá trình viêm nhiễm trong cơ thể, làm hại cả Tieåu luaän moân CNCB Thöïc phaåm Saûn xuaát boät caø pheâ taùch caffeine 16 Ngoài caffeine, cà phê còn chứa các chất chống oxy hóa. Polyphenol trong cà phê bảo vệ cơ thể khỏi sự lão hóa của các tế bào bình thƣờng và sự đột biến của các tế bào ung thƣ. Cùng với trà, cà phê đƣợc xếp trong số những đồ uống chứa nhiều chất chống oxy hóa nhất. các tế bào khỏe mạnh, tiêu diệt tế bào yếu. - Có thể gây xơ vữa động mạch (ngoài ra, cà phê kết hợp với thuốc lá càng khiến cơ thể gặp nhiều nguy hiểm). - Khiến cơ thể bị giảm độ nhạy cảm với insulin, gây rối loạn việc điều hòa và chuyển hóa đƣờng trong máu. - Hơn 30 loại cà phê bột và hơi chứa chất gây ung thƣ (cụ thể hơn thì An không rõ vì chƣa biết về các loại cà phê). VI. THỊ TRƢỜNG TIÊU THỤ CÀ PHÊ CÓ CAFFEIN VÀ KHÔNG CAFFEIN 1. Tình hình tiêu thụ cà phê trên thế giới : Tình trạng tiêu thụ cà phê trên thế giới gần đây đang thay đổi. Tiêu thụ ở các nƣớc sản xuất cà phê tăng lên, trong khi tiêu thụ của các nƣớc nhập khẩu truyền thống giảm đi. - Năm 2003 toàn thế giới tiêu thụ 113 triệu bao, trong đó các nƣớc nhập khẩu tiêu thụ 85.2 triệu bao, các nƣớc sản xuất tiêu thụ nội địa 27.6 triệu bao. - Năm 2004 toàn thế giới tiêu thụ 112.4 triệu bao, trong đó các nƣớc nhập khẩu tiêu thụ 84.3 triệu bao (giảm 1.05%), các nƣớc sản xuất tiêu thụ nội địa 28.1 triệu bao (tăng 1.78%). - Brazil là nƣớc sản xuất cà phê lớn nhất thế giới nhƣng là nƣớc tiêu thụ cà phê lớn thứ ba thế giới, khoảng 13.75 triệu bao trong niên vụ 2003. - Ethiopia, quê hƣơng của cà phê có truyền thống uống cà phê, trong năm 2004 họ tự tiêu thụ khoảng 42% lƣợng cà phê trong nƣớc sản xuất ra. - Các nƣớc sản xuất khác tiêu thụ cà phê nhiều là: Indonesia, Colombia, Mexico và Ấn Độ. - Việt Nam đang khuyến cáo ngƣời dân tăng cƣờng uống cà phê và số lƣợng các nhà rang xay cà phê cung cấp cho thị trƣờng nội địa ngày càng nhiều. Mức tiêu thụ cà phê năm 2003 trên thế giới chia theo khu vực nhƣ sau: - Châu Âu : 36.5 triệu bao, tăng trƣởng 1% so với năm 2002 - Bắc Mỹ và trung Mỹ : 25.9 triệu bao, tăng trƣởng 2% năm, hơi cao hơn Châu Au. - Đông Nam Á: 15.5 triệu bao, tăng trƣởng khá nhanh (7% năm). - Đông Âu: là thị trƣờng nhỏ, tiêu thụ 8.6 triệu bao, tỉ lệ tăng trƣởng 5% năm. Theo thống kê của Tổ Chức Cà Phê Thế Giới ICO, so sánh hai giai đoạn 2000-2003 và 1990-1993 thấy mức tiêu thụ cà phê bình quân đầu ngƣời ở nhiều nƣớc Châu Âu (Áo, Đan Mạch, Phần Lan, Pháp , Đức, Hà Lan, Na Uy, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Vƣơng Quốc Anh) và Tieåu luaän moân CNCB Thöïc phaåm Saûn xuaát boät caø pheâ taùch caffeine 17 Mỹ đều giảm đáng kể. Chỉ vài nƣớc nhƣ Ý, Bỉ/Luxembourg và Nhật Bản có mức tiêu thụ cà phê bình quân đầu ngƣời tăng. Bảng 13: Thay đổi mức tiêu thụ cà phê bình quân đầu ngƣời giai đoạn 2000-2003 so với giai đoạn 1990-1993 ở 14 quốc gia nhập khẩu. Quốc gia nhập khẩu %thay đổi mức tiêu thụ đầu ngƣời Quốc gia nhập khẩu %thay đổi mức tiêu thụ đầu ngƣời Áo -341.73 Nhật Bản 19.67 Bỉ/Luxembourg 53.5 Hà Lan -32.59 Đan Mạch -15.31 Na Uy -10.97 Phần Lan -10.33 Thụy Điển -27.89 Pháp -4.92 Thụy Sỹ -16.06 Ý 14.63 Anh -10.51 Đức -12.52 Mỹ -8.35 Nguồn : ICO, Annual Review 2003/04 2. Tình hình tiêu thụ cà phê tại Việt Nam: Sản xuất cà phê tại Việt Nam đƣợc bắt đầu từ những năm đầu thế kỉ 20 đến nay đã đƣợc 100 năm nhƣng ngành cà phê chỉ mới thực sự phát triển cả về mở rộng diện tích và nâng cao năng suất, sản lƣợng trong vòng 25 năm lại đây. Trong khoảng 1/4 thế kỉ, ngành cà phê Việt Nam đã tăng sản lƣợng cà phê lên 100 lần và đứng vào hàng thứ hai trong các nƣớc sản xuất cà phê trên thế giới, hàng năm cung cấp cho thị trƣờng 12-14 triệu bao cà phê Robusta. Tháng 6/2004, các chuyên gia của ngân hàng thế giới đã đánh giá cao ngành cà phê Việt Nam: “Chỉ trong vòng 10 năm đã phát triển lên vị trí thứ 2 thế giới trong khi để làm đƣợc việc đó Colombia đã phải trải qua chặng đƣờng 75 năm”. Bảng 14: Về diện tích, năng suất và sản lƣợng cà phê Năm Diện tích (ha) Năng suất (T/ha) Sản lƣợng (T) Xuất khẩu (T) Kim ngạch (triệu USD ) Giá (USD/T) 1990 135.500 1.00 92 68.7 59.2 861 1991 135.500 1.06 119 76.8 65.4 852 1992 135.500 1.11 136 87.5 63.7 727 1993 140.000 1.04 140 124.3 113.0 909 1994 155.000 1.34 181 163.2 320.0 1960 1995 205.000 1.81 245 222.9 533.5 2393 1996 285.5000 2.00 280 248.5 366.2 1473 1997 385.000 2.57 4000 375.6 479.1 1275 1998 485.000 2.00 410 387.2 600.7 1551 1999 529.000 1.75 500 646.4 563.4 871 2000 533.000 1.87 720 705.3 464.0 658 Tieåu luaän moân CNCB Thöïc phaåm Saûn xuaát boät caø pheâ taùch caffeine 18 2001 535.000 1.86 900 844.5 338.1 400 2002 500.000 2.00 750 702.0 300.3 427 2003 450.000 1.71 720 693.8 446.5 643 2004 900 889.7 576.1 647 3. Nhu cầu về khử caffeine trên thế giới: Ngày nay, mối quan tâm về sức khỏe và những loại thực phẩm có liên quan đến sức khỏe ngày càng gia tăng. Do đó, khi các tác dụng sinh lý của caffeine trong cà phê đƣợc biết đến rộng rãi thì ngày càng có nhiều ngƣời chuyển sang dùng các loại đồ uống có ít hoặc không có caffeine. Tại Mỹ và Tây Âu, khoảng 8-10% lƣợng cà phê nhân nhập khẩu hàng năm đƣợc xử lý để loại caffein CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 19 PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CÀ PHÊ TÁCH CAFFEINE SƠ ĐỒ QUY TRÌNH 1.Quy trình công nghệ 1: tách caffeine bằng phƣơng pháp Swiss water CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 20 2.Qui trình công nghệ sử dụng CO2 siêu tới hạn CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 21 PHẦN 3: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1: TÁCH CAFFEINE BẰNG SWISS WATER 1.LÀM SẠCH MỤC ĐÍCH: Mục đích chính của quá trình làm sạch là chuẩn bị cho quá trình tách caffeinê. Tạp chất xuất hiện trong đống hạt cà phê nhân bao gồm: cát, đá, gỗ vụn, cao su, mảnh kim loại, vỏ trấu, vải sợi từ các bao vận chuyển. CÁC BIẾN ĐỔI TRONG QUÁ TRÌNH LÀM SẠCH: Biến đổi vật lý: có sự thay đổi khối lƣợng riêng xốp của đống hạt. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Nguyên tắc: Dùng sàng rung, dòng khí thổi và thiết bị tách từ để tách các tạp chất và kim loại. Dòng hạt cà phê nguyên liệu đi qua sàng rung 2 lớp, lớp trên sẽ giữ lại những tạp chất có kích thƣớc lớn. Những hạt qua sàng sẽ đƣợc tiếp tục tách bụi cát nhỏ qua lƣới sàng. Khi dòng nguyên liệu đi đến đầu máy sàng thì quạt gió đặt ở đây sẽ thổi bay các tạp chất nhẹ nhƣ vỏ trấu, bụi… sau đó dòng nguyên liệu sẽ đi qua thiết bị tách từ để tách các tạp chất kim loại. Cuối cùng dòng nguyên liệu sẽ đi qua thiết bị phân riêng theo tỉ trọng. Dòng hạt sẽ chuyển động trên một bề mặt có đục lỗ. Do tác động rung và chuyển động của dòng không khí từ dƣơí lên sẽ tách đƣợc những tạp chất có tỉ trọng tƣơng đƣơng với tỉ trọng cà phê. Thiết bị: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 22 A – Dòng hạt cà phê nhập liệu. B – Dòng tạp chất thô. C – Dòng tạp chất có kích thƣớc nhỏ. D – Dòng khí hút tạp chất có khối lƣợng riêng nhỏ (bụi bẩn, vỏ, …). E – Dòng thu hồi mạt sắt. F – Dòng tạp chất có khối lƣợng riêng lớn (đá vụn, thủy tinh). G – Dòng hạt cà phê đã đƣợc làm sạch. Hình 6. Thiết bị làm sạch cà phê nhân. 2.QUÁ TRÌNH TÁCH CAFFEINE: MỤC ĐÍCH: Mục đích của quá trình tách caffeine là chế biến. CÁC BIẾN ĐỔI TRONG QUÁ TRÌNH TÁCH CAFFEINE: Vật lý: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 23 Độ ẩm khối hạt tăng lên. Trong quá trình này có sự khuyến tán của caffeine từ trong hạt đi vào dung dịch trích ly. Ngoài ra, còn có sự thay đổi thành phần của một số cấu tử hƣơng và một số chất khô hòa tan trong nƣớc bên trong hạt cà phê phụ thuộc vào nồng độ của các chất này trong dịch trích chuẩn bị. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Chuẩn bị dịch trích: Khối hạt cà phê sẽ đƣợc ngâm trong nƣớc nóng để trích ly cho đến khi cân bằng các chất khô hòa tan kể cả caffeine, sau đó mẻ cà phê này sẽ đƣợc loại bỏ. Tiếp đến, lƣợng caffeine trong dịch trích cân bằng vừa thu đƣợc sẽ đƣợc tách ra hoàn toàn bằng chloroform. Nhƣ vậy, dịch trích sau khi chuẩn bị sẽ chứa một lƣợng cân bằng các chất khô hòa tan trong nƣớc mà không chứa caffeine. Phần dịch trích này đƣợc chia làm 3 phần: Phần thứ nhất dùng để bão hòa chất khô cho than hoạt tính, phần này sẽ đƣợc loại bỏ. Phần thứ hai đƣợc dùng làm dịch trích căn bằng. Phần thứ ba đƣợc dùng để tái sinh cột than hoạt tính. Chuẩn bị than hoạt tính: Ngâm than hoạt tính trong dịch trích trên ta thu đƣợc than hoạt tính “bão hòa” các chất khô hòa tan trong hạt cà phê mà không chứa caffeine. Tách caffeine: Hạt cà phê đƣợc chứa trong thiết bị trích ly. Dịch trích đã chuẩn bị sẽ đƣợc bơm vào thiết bị theo chiều từ dƣới lên. Lƣu lƣợng hay thời gian lƣu của dịch trích sẽ đƣợc tính toán sao cho trích ly caffeine triệt để nhất. Tái sử dụng dịch trích: Sau quá trình trích ly, một phần nhỏ chất khô trong dịch trích bám lên bề mặt hạt và nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích tăng lên, do đó để tái sử dụng dịch trích ta thực hiện nhƣ sau: Dùng nƣớc sạch để rửa các chất khô bám trên bề mặt hạt. Lƣợng dịch trích có chứa caffeine sẽ đƣợc dẫn qua cột có chứa than hoạt tính (nhƣ đã chuẩn bị ở trên) để tách caffeine ra khỏi dịch trích. Lƣợng nƣớc rửa sẽ đƣợc tính toán và thêm vào dịch trích trên đã tách cafffeine để đƣa nồng độ chất khô trở về nhƣ ban đầu. THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích trƣớc quá trình tách caffeine: 15%. Nồng độ chất khô hòa tan của dịch trích sau quá trình tách caffeine: 30%. Thời gian trích ly: 8h. Hiệu suất trích ly: 99,9%. Độ ẩm hạt sau khi tách caffeine: 53%. Nhiệt độ trích ly: ở nhiệt độ phòng. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Nhiệt độ của quá trình trích ly: nhiệt độ cao sẽ làm tăng cả tốc độ hòa tan của chất tan trong dung môi và tốc độ khuếch tán vào dung môi. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 24 Nhiệt độ của hầu hết các quá trình đƣợc giới hạn thấp hơn 100oC vì lý do kinh tế, sự trích ly các cấu tử không mong muốn ở nhiệt độ cao và sự tổn thất bởi nhiệt của các thành phần hòa tan. Diện tích bề mặt tiếp xúc với dung môi: Tốc độ di chuyển của các chất tỉ lệ với diện tích bề mặt của hạt. Độ nhớt của dung môi: Độ nhớt phải đủ nhỏ để dung môi có thể thấm vào từng phần của hạt. Tốc độ chảy của dung môi: Tốc độ chảy càng cao sẽ làm giảm nồng độ của lớp chất tan bao quanh hạt do đó sẽ làm tăng tốc độ trích ly. 3.QUÁ TRÌNH SẤY: MỤC ĐÍCH: Mục đích chính của quá trình sấy trong trƣờng hợp này là chuẩn bị cho quá trình rang. Biến đổi chính trong quá trình sấy là giảm ẩm. Ngoài ra, quá trình này còn có mục đích phụ là bảo quản vì ức chế đƣợc vi sinh vật và chế biến vì hình thành một số hợp chất hƣơng. CÁC BIẾN ĐỔI: • Vật lý: Xảy ra sự khuếch tán ẩm từ bên trong hạt ra bề mặt hạt. Hạt sẽ bị co nhẹ thể tích, giảm khối lƣợng do nƣớc bay hơi, độ giòn và độ xốp tăng. • Hóa lý: Nƣớc từ bề mặt hạt vật liệu sẽ bốc hơi ra môi trƣờng xung quanh. • Hóa học: Tốc độ phản ứng hóa học tăng lên do nhiệt độ vật liệu tăng nhƣ: Phản ứng Maillard và phản ứng oxy hoá một số hợp chất polyphenol gây nên hiện tƣợng sẫm màu cho hạt cà phê. Phản ứng oxy hoá chất béo gây nên mùi ôi khét cho hạt cà phê. Hóa sinh và sinh học: Sự tăng nhiệt độ ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật tạp nhiễm và ức chế hệ enzyme trong hạt. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Trong công nghiệp thƣờng sử dụng thiết bị sấy thùng quay. Hạt sau khi sấy đƣợc đƣa xuống băng tải chuyển đến thiết bị rang. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 25 Hình 7 Thiết bị sấy thùng quay. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 26 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Tốc độ dòng khí: 1-3m/s. Nhiệt độ: 60-70oC. Thời gian: 1h. Độ ẩm vào : 53%. Độ ẩm ra : 10-12%. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Tốc độ dòng khí: Tốc độ dòng khí càng cao thì thời gian sấy càng ngắn nhƣng tốn nhiều chi phí năng lƣợng cho quạt và nồi hơi. Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao thì sấy càng nhanh nhƣng thƣờng thấp hơn 100oC vì tốn nhiều chi phí năng lƣợng. Kích thƣớc hạt: Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt truyền nhiệt càng lớn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn. 4.QUÁ TRÌNH RANG: MỤC ĐÍCH: Rang là một quá trình cung cấp nhiệt liên tục trong một khoảng thời gian vừa đủ để không làm cháy hạt mà chỉ làm nóng đều đặn hạt nhằm mục đích là chế biến vì góp phần tạo ra màu sắc, mùi thơm và hƣơng vị đặc trƣng cho hạt cà phê. CÁC BIẾN ĐỔI: Vật lý: Nhiệt độ của khối cà phê tăng lên kèm theo quá trình thoát ẩm làm giảm tỉ trọng khối hạt. Độ xốp của hạt cà phê tăng lên, sự tăng thể tích làm cho hạt cà phê có thể bị nứt vỡ. Hoá học: Hầu hết đƣờng sucrose bị biến mất ở giai đoạn đầu của quá trình rang và lƣợng đƣờng khử cũng giảm ở cuối quá trình rang. Các phản ứng Maillard, phản ứng tách nƣớc và phản ứng polymer hóa hình thành nên hợp chất cao phân tử có thể tan hoặc không tan trong nƣớc. Sự hình thành CO2 (2-5g CO2 / 1kg cà phê rang) và các hợp chất dễ bay hơi cũng nhƣ sự mất nƣớc làm giảm hàm lƣợng chất khô. Đối với trƣờng hợp rang sáng màu (light-roast) (ở Mỹ và Bắc Âu) thì hàm lƣợng chất khô mất từ 2-5%, còn đối với trƣờng hợp rang sẫm màu (dark-roast) (ở Nam Au) thì sự mất mát này lên đến 8-11%. Một số protein bị biến tính và bị phân hủy bởi nhiệt độ. Hƣơng vị của cà phê rang có lẽ một phần đƣợc tạo ra do sự phân hủy và tƣơng tác giữa các amino acid có nguồn gốc từ các protein này. Theo phân tích, ở loại cà phê Robusta Columbia và Angola thì có sự giảm hàm lƣợng của arginine, cysteine, lysine, serine, threonine và sự tăng hàm lƣợng của phenylalanine, proline và valine. Tuy nhiên, các hợp chất hƣơng nhƣ pyrazine, oxazole và thiazole có lẽ cũng là sản phẩm của sự phân hủy protein. Các acid chlorogenic mà tồn tại ở dạng phức kali-caffeine-chlorogenate sẽ bị giảm tùy theo mức độ của quá trình rang. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 27 Sáng màu Trung bình Sẫm màu Hình 8. Các mức độ rang cà phê. Bảng 15. Sự biến đổi của acid chlorogenic trong suốt quá trình rang (% chất khô ). Trong đó: Green : hạt cà phê nhân chƣa rang. Light roast : hạt cà phê rang sáng màu. Medium roast: hạt cà phê rang với màu trung bình. Dark roast: hạt cà phê rang sẫm màu. Các hợp chất glyceride của acid linoleic và palmitic cùng với các glyceride của acid stearic và oleic tăng lên từ 7-16% hàm lƣợng chất béo của hạt cà phê. Bảng 16. Hàm lƣợng của dầu trong hạt cà phê chƣa rang và đã rang (% chất khô ). Loại cà phê Chƣa qua rang Đã qua rang Dầu Acid béo tự do Dầu Acid béo tự do Santos 12.77 0.78 16.05 2.70 Robusta (Indonesia) 9.07 1.00 11.27 1.99 Hoá lý: Sự bay hơi nƣớc từ bề mặt hạt ra môi trƣờng. Một lƣợng nhỏ caffeine còn sót bị thăng hoa. Biến đổi hoá sinh và sinh học: Đình chỉ hoạt động của các vi sinh vật và enzyme có trong hạt. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Phƣơng pháp rang: thiết bị rang dạng thùng quay với thành đục lỗ. Nguyên tắc hoạt động: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 28 Thiết bị dạng thùng quay nằm ngang có thành đục lỗ, hạt sau khi rang sẽ đƣơc làm nguội ngay bằng bộ phận làm nguội đƣợc lắp với thiết bị. Không khí nóng sau quá trình rang sẽ đƣợc thu hồi xử lý để tái sử dụng. Hình 9. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị rang thùng quay có thành đục lỗ. Trong đó: tc = to cyclone = hƣớng đến cyclone. rg = recycle gas = khí gas tái sử dụng. sp = spreader = dao cạo. fa = fresh air = không khí sạch. fg = fuel gas = nhiên liệu dạng khí. Green bean feed bin = thùng chứa hạt cà phê chƣa rang. Perforated drum = thùng quay có đục lỗ. Direction of gas flow = hƣớng của dòng khí. Exhaust blower = quạt hút khí. THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Nhiệt độ tác nhân: 450oC. Nhiệt độ hạt cao nhất là 250oC. Số vòng quay của thùng: 2-7 vòng / phút. Thời gian lƣu của hạt trong thiết bị: 10-12 phút. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Kích thƣớc hạt: kích thƣớc hạt càng lớn thì thời gian rang càng lâu và ngƣợc lại. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 29 Tb: nhiệt độ. db: kích thƣớc hạt. Hình 10 Anh hƣởng của kích thƣớc hạt đến quá trình rang. Độ ẩm của hạt trƣớc khi rang: độ ẩm này càng lớn thì thời gian rang càng lâu và ngƣợc lại. Tb: nhiệt độ. Initial % As-Is Moisture Content: Độ ẩm ban đầu. Hình 11. Ảnh hƣởng của độ ẩm hạt đến quá trình rang. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 30 PHỤ GIA TRONG QUÁ TRÌNH RANG Ngoài việc pha trộn các loại cà phê với nhau theo tỉ lệ thích hợp và sử dụng các nguyên liệu phụ thì các nhà rang cà phê luôn sử dụng các chất phụ gia trong quá trình rang tẩm để giúp quá trình chế biến cũng nhƣ chất lƣợng cà phê đƣợc nâng cao. Các phụ gia sử dụng phụ thuộc nhiều yếu tố: chất lƣợng nguyên liệu, tỉ lệ phối trộn các loại cà phê và các chất độn sử dụng, khẩu vị của ngƣời tiêu dùng, yêu cầu của sản phẩm, cấp sản phẩm, mục đích sử dụng cà phê (cà phê bán cho giới bình dân, để tiêu dùng trong gia đình, để uống cà phê đen, cà phê sữa hay mục đích khác…) Các nhà rang tẩm cà phê thƣờng sử dụng các loại phụ gia sau đây: Rượu: là loại phụ gia không thể thiếu. Các loại rƣợu thƣờng dùng: rƣợu trắng, các loại rƣợu Rhum từ loại thƣờng đến loại hảo hạng tuỳ thuộc loại sản phẩm. Đối với các sản phẩm cà phê loại thƣợng hạng các nhà chế biến sử dụng loại rƣợu Rhum Pháp chất lƣợng cao để tạo hƣơng vị đặc biệt. Cách sử dụng: tẩm vào cà phê sau khi rang. Tác dụng: làm nguội nhanh cà phê, khử đi một số tạp chất mùi và tạo hƣơng vị hài hòa cho cà phê. Cơ chế phản ứng: tham gia phản ứng quinonamin… Các cấu tử hƣơng có trong rƣợu và tạo thành do các phản ứng tƣơng tác với nhau tạo nên hƣơng vị cho cà phê. Rƣợu cũng phản ứng với lƣợng acid có trong cà phê rang xay tạo thành este. Muối ăn: sử dụng để tạo vị đậm đà, hài hòa cho nƣớc cà phê, ngoài ra còn tạo ra lớp bao bên ngoài cà phê trong quá trình rang tẩm. Loại muối sử dụng cần sạch, không có tạp chất và mùi lạ, cho vào cà phê rang khi còn nóng. Một số ngƣời khi pha chế cũng sử dụng thêm muối để tạo khẩu vị ƣa thích. Bơ, magarin, dầu mỡ: bơ đƣợc cho vào khi rang với rất nhiều công dụng. Bơ tạo mùi vị đặc biệt cho cà phê và tạo bề mặt cảm quan cho hạt cà phê trở nên bóng đẹp. Đồng thời lƣợng bơ cho vào tạo một lớp màng mỏng bao bọc quanh hạt cà phê, phủ lấp những khe hở trên bề mặt hạt (hình thành do sự giãn nở thể tích của hạt khi rang), lớp màng bao này có tác dụng bảo vệ ngăn không cho các chất thơm dễ bay hơi trong bản thân hạt cà phê thoát ra ngoài cũng nhƣ ngăn chặn sự hút ẩm và hấp thụ các mùi lạ, khắc phục nhƣợc điểm lớn này của cà phê. Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều loại bơ với đủ mọi chủng loại của nhiều hãng sản xuất khác nhau: từ các loại bơ thƣờng bán theo kí nhƣ bơ Tƣờng An đến các loại bơ thùng của Uc, Na Uy, Pháp, Đức… đến các loại bơ cao cấp nhƣ Fretel (Pháp). Tuỳ theo CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 31 sản phẩm mà các nhà chế biến sẽ lựa chọn loại bơ thích hợp. Trong dân gian một số nhà rang xay nhỏ hoặc trong các hộ gia đình sử dụng mỡ động vật hay mỡ gà tạo hƣơng vị đặc biệt. Chất tạo hương (Essence of coffee/ Coffee Aroma): trong quá trình chế biến, rang xay cà phê rất dễ bị mất mùi nên các nhà rang xay luôn phải dùng thêm các chất hƣơng hỗ trợ. Các chất hƣơng này đƣợc biết ở dạng lỏng, màu nâu nhƣ màu cà phê, rất sánh mà thị trƣờng gọi là tinh cà phê. Tinh cà phê đƣợc sử dụng để tăng thêm mùi cà phê cho sản phẩm, đặc biệt là khi pha chế tạo mùi mạnh hấp dẫn ngƣời dùng. Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều chủng loại của các hãng sản xuất hƣơng của nƣớc ngoài xuất khẩu mà ngƣời bán gọi là: tinh cà phê Pháp, tinh cà phê Đông Đức, tinh cà phê Tây Đức, tinh cà phê Moka (Singapore)… Liều lƣợng sử dụng khoảng 0.1 – 0.5%, dùng để tẩm vào cà phê hạt sau khi rang hoặc dùng khi pha chế. Một số cơ sở còn dùng bột vanille để tạo thêm mùi thơm cho cà phê. Loại này thƣờng đƣợc trộn vào cà phê rang trƣớc khi xay. Bột sữa béo (milk flavour/ milk emulsion): có tên trên thị trƣờng là sữa đục, là loại sữa béo dùng trong sản xuất bánh kẹo xuất khẩu. Một số nhà rang tẩm cũng sử dụng để tăng vị béo và nƣớc pha sánh, hấp dẫn hơn. Liều lƣợng sử dụng khoảng 0.1 – 0.3%, đƣợc cho vào khi tẩm cà phê. Đường: hiện nay các nhà rang cà phê sử dụng loại đƣờng cát hoặc dạng đƣờng đã đƣợc caramel hóa ở dạng lỏng. Đƣờng sử dụng nhằm mục đích điều vị và tạo màu cho cà phê, nhất là khi sản xuất loại cà phê cánh gián. Nếu sử dụng nhiều caramel sẽ tạo màu đậm và độ sánh cho nƣớc cà phê. Đừơng hòa tan với nƣớc hoặc caramel đƣợc tƣới trực tiếp vào hạt cà phê đang nóng sẽ tạo màng bao bên ngoài có tác dụng bảo quản tránh cho các chất dầu, các chất hƣơng của cà phê bay hơi. Trong quá trình rang công nghiệp, ngƣời ta thêm vào một lƣợng nhỏ mật đƣờng (sugar molasses) hoặc các sản phẩm khác nhau để tạo một lớp vỏ cho hạt cà phê. Lớp vỏ này đƣợc chấp nhận để làm cho hạt cà phê có màu đẹp hơn, bóng hơn, ngăn ngừa sự bay mùi và cũng để tăng khối lƣợng. Lớp vỏ này đồng thời cũng che dấu các hạt đã bị hƣ hoặc kém chất lƣợng. Cao atiso: có tác dụng nhƣ caramel Một số chất tạo vị khác: bột ngọt, bột la hán quả… sử dụng khi tẩm hoặc pha chế, tuỳ theo vùng. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 32 Một số phụ gia khác: theo bí quyết của một số nhà rang tẩm thì khi rang tẩm cà phê họ còn sử dụng một số phụ gia sau: - Nƣớc mắm: phải là loại nƣớc mắm có độ đạm cao, hàm lƣợng đạm và các acid amin trong nƣớc mắm tạo cho cà phê hƣơng vị đặc biệt, ngoài ra còn giữ cho cà phê một mùi thơm dai và bền ngay cả khi nƣớc pha nguội. - Hạt cau, rễ cau khô, hạt cam, hạt bƣởi: đƣợc dùng để tạo cảm giác và tăng vị chát se lƣỡi. Khi dùng sẽ trung hòa vị đắng của TGA nhƣng các loại này ít đƣợc sử dụng vì không phổ biến. - Trứng gà: thƣờng dùng lòng đỏ trứng để tƣới vào cà phê lúc nhiệt độ cà phê còn đang rất nóng… Nhƣ vậy các nhà chế biến có thể sử dụng đủ các loại phụ liệu, phụ gia để nâng cao chất lƣợng cà phê về mặt cảm quan cũng nhƣ về thể chất của nƣớc pha. Nhƣng việc sử dụng còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố, cần phải đƣợc xem xét, đánh giá kĩ càng trƣớc khi sử dụng. 5.QUÁ TRÌNH XAY: MỤC ĐÍCH: Xay là quá trình cơ học làm vỡ hạt cà phê thành những hạt nhỏ mịn theo yêu cầu công nghệ. Mục đích của quá trình xay là hoàn thiện. CÁC BIẾN ĐỔI: Vật lý: Kích thƣớc hạt giảm tùy theo mức độ xay, khối lƣợng riêng tăng. Nhiệt độ tăng nhẹ do ma sát. Hóa học: Do nhiệt độ và bề mặt tiếp xúc giữa hạt và không khí tăng nên xảy ra một số phản ứng oxy hóa các hợp chất polyphenol và các chất béo. Hóa lý: Quá trình xay làm bay hơi một số hợp chất mùi. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Các mức độ xay hạt cà phê: Bảng 17. Kích thƣớc hạt theo mức độ xay. Mức độ xay Thô Trung bình Mịn Kích thƣớc hạt sau xay (µm) 1130 800 680 • Thiết bị: Máy nghiền trục. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 33 HÌnh 12. Cấu tạo của thiết bị xay cà phê THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Độ ẩm hạt cà phê đƣa vào xay là: 2,5%. Nhiệt độ xay : 60-70oC. Kích thƣớc hạt sau xay: tùy chế độ xay. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Phƣơng pháp rang: tùy vào mức độ rang sẽ ảnh hƣởng đến cấu trúc hạt (độ dòn, độ xốp), từ đó sẽ ảnh hƣởng đến hiệu suất xay. Bản chất hạt: kích thƣớc, hình dạng (sau rang và trƣớc rang). Độ ẩm: cao thì quá trình xay không tốt do hiện tƣợng dính khi nghiền. PHỤ GIA TRONG QUÁ TRÌNH XAY Nhóm các chất độn (hay còn gọi là các chất thay thế) Các chất này đƣợc pha trộn vào cà phê với mục đích chủ yếu là hạ giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện màu sắc, trạng thái, mùi vị của nƣớc pha cho phù hợp sở thích của ngƣời tiêu dùng. Các chất độn thƣờng hay sử dụng:  Bắp hạt: là loại chất độn đƣợc dùng phổ biến do giá thành rất rẻ. Cách sử dụng: bắp đƣợc rang đến độ cháy nhất định và đƣợc pha trộn chung với hạt cà phê rang trƣớc khi xay. Tác dụng: nâng cao mùi vị, tạo màu đen rất đậm, tạo độ sánh, tạo bọt và giúp cà phê bột không bị bít phin khi pha chế. Cơ chế phản ứng: tham gia phản ứng caramel, maillard… Lƣợng sử dụng: Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm, giá cả cà phê và đối tƣợng tiêu dùng mà tỉ lệ bắp rang trong cà phê bột có nơi có thể từ 5 – 20%, có khi lên đến 50%.  Đậu nành: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 34 Cách sử dụng: đƣợc rang và phối trộn chung với cà phê rang trƣớc khi xay. Tác dụng: hỗ trợ thêm màu sắc, độ sánh, khả năng tạo bọt cho nƣớc cà phê, tạo thêm vị béo thơm hòa hợp với mùi vị cà phê, giảm độ đắng chát của cà phê (nhất là khi tỉ lệ Robusta trong sản phẩm cao). Cơ chế phản ứng: tham gia phản ứng Maillard... Đậu nành có protein solanin nên tạo bọt, có lecithine, chất béo nên có khả năng tạo nhũ làm tăng độ sánh cho cà phê. Ngoài ra mùi vị thơm, béo của đậu nành làm tăng vị cà phê. Ngoài đậu nành thì có các loại đậu nhƣ: đậu xanh, đậu phộng, đậu đen, đậu đỏ… cũng đƣợc dùng tuỳ theo khẩu vị và giá cả của chúng. Các loại đậu này cũng đƣợc dùng ở dạng bột thật nhuyễn, cho vào nƣớc sau khi pha chế.  Các loại hạt: một số loại hạt nhƣ hạt cacao, hạt điều, hạt dẻ… đƣợc rang và trộn vào cà phê khi xay để tạo thêm mùi vị riêng. Các loại này thƣờng ít đƣợc sử dụng do giá thành tƣơng đối cao, khi trộn vào cà phê khó bảo quản. Loại này thƣờng đƣợc dùng ở dạng bột cho vào nƣớc pha hơn và chỉ sử dụng theo gu của mỗi ngƣời.  Các chất độn khác: ngoài các loại trên ngƣời ta còn sử dụng các loại bột ngũ cốc. Ơ các nƣớc Châu Âu (Pháp, Đức, Bỉ, Hà Lan, Thuỵ Sĩ…), Mĩ thì chất độn phổ biến là rễ rau diếp xoăn và một số loại đậu, trái vả, quả sồi, hạt chà là, bồ công anh… Rau diếp xoăn đƣợc thu hoạch dạng rễ tƣơi, phơi khô, cắt khúc, rang, trộn và xay chung với cà phê hạt rang. Rễ rau diếp xoăn có tác dụng nhƣ bắp rang của ta, không chứa chất caffein nào và trong quá trình rang không sinh ra mùi thơm gì cho cà phê nhƣng khi pha trong nƣớc sôi nó cho hàm lƣợng chất hoà tan khá cao (40%) tạo màu rất đậm và sánh. Giá của nó khá rẻ, chỉ khoảng 1/5 giá cà phê. Ơ Liên Xô (cũ) còn cho thêm quả nho khô (raisin), hạt cải đắng… vào cà phê để tăng thêm hƣơng vị. 6.PHỐI TRỘN: MỤC ĐÍCH Hoàn thiện sản phẩm, tăng giá trị cảm quan, tạo hƣơng vị hấp dẫn cho sản phẩm. CÁC BIẾN ĐỔI: Vật lý: Khối lƣợng riêng tăng. Nhiệt độ tăng nhẹ do ma sát trong quá trình nhào trộn. Hóa lý: Có sự bốc hơi nhẹ của nƣớc. Hóa học: Tùy vào quá trình chế biến mà ta bổ sung thành phần phụ (hƣơng, đƣờng, màu, . . . ). Có thể sử dụng phụ gia để tạo hƣơng. Sử dụng phụ gia tạo vị, acid citric – tạo vị chua. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 35 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Nguyên liệu: trạng thái vật lý của nguyên liệu, có bị hút ẩm trong quá trình bảo quản. Thành phần hóa học – đƣờng, acid amin, các chất màu, caffeine, . . . Tốc độ đảo trộn , đảo trộn thời gian đảo trộn càng lâu hỗn hợp càng đồng nhất ; cần xác định thời gian đảo trộn hợp lý. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Dùng máy trộn hình nón trộn .Máy trộn hình nón đƣợc sản xuất từ thép không rỉ. Thời gian phối trộn khoảng 30 phút. Hệ thống phối trộn kiểu đứng và kiểu ngang. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 36 Thông số kỹ thuật Kiểu máy DSH0.3 DSH0.5 DSH1 DSH2 DSH4 DSH6 DSH10 Dung dích (m 3 ) 0.3 0.5 1 2 4 6 10 Tỉ lệ tiếp liệu 0.4--0.6 Đường kính của nguyên liệu (um) 40--3000 Điều kiện hoạt động Tùy thuộc nhiệt độ môi trường, Áp suất Năng suất SP (kg)p=1g/cm 3 180 300 600 1200 2400 3600 6000 Công suất điện(kw) 2.2 2.2 5.5 5.5 11 20.7 30.7 Tốc độ trộn (min) 4--10 Trọng lượng máy (kg) 500 1000 1200 1500 2800 3500 4500 7.QUÁ TRÌNH ĐÓNG GÓI: MỤC DICH: Hoàn thiện: quá trình đóng gói nhằm mục đích phân chia lại sản phẩm theo khối lƣợng, chất lƣợng đồng thời góp phần làm tăng tính cảm quan cho sản phẩm. Bảo quản: hạn chế sự tiếp xúc của sản phẩm với ánh sáng, không khí và độ ẩm từ môi trƣờng xung quanh. Vì vậy bao bì dùng để đóng gói thƣờng chọn vật liệu bằng plastic và phải có một lớp nhôm để chắn ánh sáng và tránh thất thoát hƣơng. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Sử dụng các thiết bị chuyên dụng để đóng gói các loại bột. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 37 Hình 13: Đóng gói stick Hình 14: Hoạt động của máy ép THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Nhiệt độ đóng gói của cà phê rang xay là 50-60oC vì nếu nguội hơn thì bột cà phê có thể bị hút ẩm trở lại, còn nếu nhiệt độ cao hơn thì có thể gây hƣ hỏng bao bì. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 38 II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2: SỬ DỤNG CO2 SIÊU TỚI HẠN. 1. QUÁ TRÌNH SỤC HƠI NƢỚC: MỤC ĐÍCH: Mục đích của quá trình sục hơi nƣớc là chuẩn bị cho quá trình tách caffeine. Hơi nƣớc sẽ làm cho hạt cà phê nóng ẩm và trƣơng nở giúp cho quá trình tách caffeine dễ dàng và hiệu quả hơn. CÁC BIẾN ĐỔI: Vật lý: Tăng tỉ trọng, nhiệt độ và độ ẩm của khối hạt. Tăng kích thích hạt cà phê. Hoá lý: Lớp sáp bóng ngoài hạt cà phê bị tan chảy và một số cấu tử hƣơng bị bay hơi. Hóa học: Dƣới tác dụng của nhiệt độ, một số protein bị biến tính. Phản ứng Maillard xảy ra do sự có mặt của các loại đƣờng khử và các acid amin có trong hạt cà phê. Lipid bị oxy hóa một phần do nhiệt độ cao và sự có mặt của oxy. Sinh học: Ƣc chế hoặc tiêu diệt các vi sinh vật trong khối hạt. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Cho dòng hơi nƣớc từ lò hơi đi qua thiết bị chứa khối hạt, hơi nƣớc đi từ dƣới lên. THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ: Nhiệt độ dòng hơi: 110oC. Thời gian: 30 phút. Độ ẩm sau khi sục hơi: 16-18% khối lƣợng. 2. QUÁ TRÌNH TÁCH CAFFEINE: MỤC ĐÍCH: Mục đích của quá trình tách caffeine là chế biến. CÁC BIẾN ĐỔI TRONG QUÁ TRÌNH TÁCH CAFFEINE: Vật lý: Trong quá trình này có sự khuyến tán của caffeine từ trong hạt đi vào dung môi CO2 siêu tới hạn. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN: CO2 siêu tới hạn: Ở điểm tới hạn, pha lỏng và pha khí là đồng nhất. Một chất lỏng siêu tới hạn (Supercritical fluid – SCF) là một hợp chất tồn tại ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn. Trong vùng siêu tới hạn chỉ có một pha tồn tại. Ở nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 39 và áp suất tới hạn ta không thể quay về trạng thái lỏng – hơi, bất kể bằng cách hạ nhiệt độ hay hạ áp suất. Trong vùng đồng nhất này tỉ trọng và khả năng hòa tan của chất siêu tới hạn có thể bị thay đổi liên tục do sự thay đổi áp suất và nhiệt độ. Chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn đƣợc mô tả là một chất lỏng rất linh động. Tính chất hòa tan của nó gần nhƣ chất lỏng đồng thời nó lại có khả năng vận chuyển nhƣ chất khí. Vì vậy, tốc độ trích ly và chuyển pha có thể nhanh hơn rất nhiều so với các phƣơng pháp trích ly truyền thống. Ngoài ra, có thể thay đổi đƣợc điều kiện trích ly để tác động lên quá trình phân tách dễ dàng. Hình 15. Giản đồ nhiệt độ (temperature) - áp suất (pressure) của CO2. Solid: thể rắn. Liquid: thể lỏng. Gas: thể khí. TP = triple point: điểm ba. CP = critical point: điểm tới hạn. Supercritical fluid: trạng thái siêu tới hạn. Nhiệt độ tới hạn = 31,06oC. Ap suất tới hạn = 73,8 bar. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 40 Sơ đồ nguyên lý trích ly bằng ScCO2(CO2 siêu tới hạn) Hình 16. Sơ đồ nguyên lý trích ly bằng CO2 siêu tới hạn Một hệ thống thiết bị trích ly siêu tới hạn phải gồm buồng trích ly, buồng thu hồi dung môi và các bộ phận khác nhƣ thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị ngƣng tụ, thiết bị phân tách, bơm, van và thiết bị điều hòa. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 41 Hình 17. Sơ đồ trích ly sử dụng CO2 siêu tới hạn Bơm đƣợc sử dụng để tăng áp suất đồng thời để vận chuyển dung môi sau khi đã đạt đƣợc áp suất cần thiết. áp suất đƣợc giữ bởi một van an toàn, van này sẽ mở ra khi áp suất vƣợt quá giá trị cần thiết và vận chuyển dịch trích sang buồng thu hồi dung môi. Buồng thu hồi sẽ đƣợc nối với bồn chứa dung môi. Áp suất trong giai đoạn loại dung môi và áp suất trong bồn chứa dung môi là nhƣ nhau và sẽ là áp suất ngƣng tụ (bay hơi) của dung môi ở nhiệt độ tƣơng ứng. Thông số kỹ thuật: Áp suất: 120 – 180Bar Nhiệt độ: 40 – 800C CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 42 Tách caffeine bằng ScCO2 và than hoạt tính Sơ đồ thiết bị Hình 18. Hệ thống tách caffeine bằng ScCO2 có sử dụng than hoạt tính Hạt cà phê trƣớc tiên đƣợc làm ẩm tới độ ẩm 30 – 50% rồi đƣợc đƣa vào thiết bị trích ly (extractor). Khi hạt cà phê hút nƣớc, hạt bị trƣơng nở, các lổ mao quản mở ra, phân tử caffeine bị hydrate hóa và trở nên linh động hơn. CO2 ở trạng thái siêu tới hạn đƣợc đƣa vào thiết bị trích ly, hệ thống bơm tuần hoàn sẽ đƣa dòng ScCO2 đi qua bồn trích ly. Trong thiết bị trích ly, nƣớc bên trong hạt khuếch tán vào CO2 lỏng tạo thành dung dịch soda. Nƣớc trở thành chất đồng dung môi cho quá trình trích ly. Carbon dioxide lúc này đóng vai trò nhƣ một nam châm, hút các phân tử caffeine làm chúng trở nên linh động, tách khỏi hạt và phân tán vào dòng dung môi. Nhờ tính chọn lọc mà scCO2 không có ảnh hƣởng đến carbohydrate và protein, nhờ đó, hạt cà phê vẫn giữ đƣợc hƣơng vị Quá trình tách caffeine diễn ra theo hai bậc. Ở bậc thứ nhất, dòng ScCO2 sau khi ra khỏi thiết bị trích ly chứa một lƣợng lớn caffeine sẽ đƣợc đƣa đến thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ, hạ áp suất đến mức thích hợp (để caffeine dễ tách khỏi dòng CO2 siêu tới hạn) trƣớc khi đi vào cột hấp phụ. Chất hấp phụ thƣờng sử dụng là than hoạt tính. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 43 Hình 19. Sự hấp phụ trên bề mặt than hoạt tính Ở bậc thứ hai, caffeine đƣợc tách khỏi dòng scCO2 dựa trên tính chất của chất lỏng siêu tới hạn. Tại đây, caffeine đƣợc giữ lại, còn dòng CO2 sau khi đã loại caffeine đi ra khỏi cột, tiếp tục đƣợc gia nhiệt và tăng áp suất để đạt đến trạng thái siêu tới hạn chuẩn bị thực hiện hoàn lƣu dung môi. Để đảm bảo đủ lƣợng CO2 siêu tới hạn ngƣời ta luôn bổ sung một lƣợng CO2 nhất định trƣớc khi vào thiết bị trích ly. Thông thƣờng, lƣợng CO2 sử dụng là rất lớn do hàm lƣợng caffeine trung bình trong dòng CO2 là thấp. Caffeine có thể đƣợc tách khỏi dòng CO2 bằng chất hấp phụ rắn hoặc bằng phƣơng pháp hạ thấp nhiệt độ và áp suất của dòng caffeine sau khi ra k hỏi thiết bị trích ly nhằm giảm khả năng kết hợp của phân tử caffeine và phân tử CO2. Hạt sau khi tách caffeine đƣợc sấy tới độ ẩm 10% nhờ thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy bằng không khí nóng và đem đi chế biến bình thƣờng. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG: Hàm ẩm và thời gian ngâm CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 44 Hình 20. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến hàm ẩm Trong giai đoạn đầu, hàm ẩm và khối lƣợng của cà phê tăng nhanh theo thời gian ngâm, sau đó tăng chậm dần và tiến dần đến một giá trị không đổi sau 12 giờ trở đi, nên 12 giờ đƣợc chọn làm thời gian ngâm cho các quá trình chạy trích ly. Sau khi ngâm, kích thƣớc hạt cà phê tăng lên, các lổ mao quản mở ra, caffeine trở nên linh động hơn, đồng thời khả năng tiếp xúc giữa các phân tử carbon dioxide và phân tử caffeine tăng, khả năng phân tách tăng. Tính chất vật lý hạt cà phê khô và đã ngâm nƣớc Khảo sát hai quá trình trích ly đƣợc tiến hành với CO2 khô và với CO2 ẩm tại những điều kiện thí nghiệm nhƣ nhau, nồng độ ghi nhận đƣợc trong một khoảng thời gian nhỏ cho thấy một sự khác nhau nhỏ giữa hai thí nghiệm. Xét về tổng thể thì nồng độ đo đƣợc và vận tốc quá trình trích ly bằng CO2 ẩm lớn hơn so với dùng CO2 khô. Ban đầu tốc độ trích ly đối với CO2 khô không thay đổi cho đến khi CO2 hút vào một lƣợng ẩm vừa đủ làm giảm vận tốc trích ly, trong khi vận tốc trích ly khi dùng CO2 ẩm cao hơn và vẫn giữ nguyên trong suốt quá trình. Thời gian ngâm (h) Đ ộ t ăn g k h ố i lƣ ợ n g t ƣ ơ n g đ ố i Đ ộ ẩm CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 45 Hình 21. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến trích ly caffeine Biểu đồ trên biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến quá trình trích ly, là biểu đồ của nồng độ dịch trích (caffeine trong CO2) phụ thuộc vào thời gian trích ly. Tại cùng nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng chảy, nồng độ dịch trích là thƣớc đo cho vận tốc trích ly. Hạt đƣợc ngâm nhiều hơn sẽ chứa hàm ẩm lớn và mức độ trích ly sẽ rất lớn trong giai đoạn đầu và lƣợng caffeine tách ra đƣợc trong giai đoạn này là rất lớn, theo thời gian, do lƣợng caffeine đã giảm nhanh nên tốc độ trích ly cũng giảm dần. Đối với hạt khô, sự trích ly ban đầu là rất thấp. Vì nếu hạt không đƣợc bão hòa nƣớc, nƣớc bị thiếu có thể giải hấp toàn bộ caffeine. Trong quá trình trích ly, dòng CO2 khô cần một khoảng thời gian nhất định để hòa tan một phần nƣớc để tạo chất đồng dung môi, đồng thời việc trích ly sẽ khó khăn hơn nhiều khi các phân tử caffeine không đƣợc linh động hóa trƣớc. Tốc độ dòng chảy Ảnh hƣởng của tốc độ dòng chảy đƣợc thể hiện qua nồng độ trích ly đƣợc hoặc hệ số tích lũy thành phần trích ly (hệ số trích ly). Để xác định đƣợc nồng độ trích ly đƣợc hay hệ số trích ly cần thời gian dài tiến hành trích ly trong điều kiện xác định. Nồng độ tăng nhanh từ 0 và sau đó giảm dần theo chiều tăng của vận tốc dòng dung môi. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 46 Hình 22. Ảnh hƣởng của vận tốc scCO2 đến nồng độ trích ly tại 13.8MPa và 323K Hệ số trích ly caffeine tăng dần đến 1 theo thời gian trích ly. Hình 23. Ảnh hƣởng của vận tốc dòng scCO2 đến hệ số trích ly caffeine Nhiệt độ, áp suất Tại vận tốc dòng chảy nhỏ và không đổi, tỉ số nồng độ caffeine trong dịch trích và trong trong hạt (không thứ nguyên) tỉ lệ với vận tốc trích ly. Nhiệt độ càng cao khả năng tách caffeine càng tăng. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử caffeine sau khi bị hydrate hóa càng trở nên linh động và dễ dàng được lôi cuốn theo dòng scCO2 CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 47 Hình 24. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hệ số trích ly caffeine Áp suất cao trong giai đoạn đầu làm tăng khả năng trích ly caffeine, thời gian càng dài, nồng độ trích ly giảm do hàm lượng caffeine trong hạt giảm. Như vậy, khi sử dụng áp suất cao thì chỉ cần trích ly với thời gian ngắn để tiết kiệm năng lượng, việc kéo dài thời gian trích ly sẽ có thể dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao. Hình 25. Ảnh hƣởng của áp suất lên nồng độ caffeine trích ly đƣợc ở 323K và lƣu lƣợng scCO2 là 1.51g/phút CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 48 PHẦN 3: SO SÁNH HAI QUY TRÌNH: QUI TRÌNH SWISS WATER QUI TRÌNH SỬ DỤNG CO2 SIÊU TỚI HẠN Mức độ an toàn Cả hai quy trình đều mang tính an toàn cao. Chất lƣợng sản phẩm Chất lƣợng kém hơn Chất lƣợng tốt hơn do không xảy ra phản ứng hóa học do CO2 trơ với các thành phần khác của cà phê. Chi phí dung môi Chi phí thấp hơn. Chi phí cao hơn do độ hòa tan của caffeine trong CO2 siêu tới hạn thấp nên phải tốn nhiều CO2. Chi phí thiết bị Thấp hơn. Cao hơn. Khả năng trích ly caffeine Cao nhất 99,9% vì dùng dịch trích cân bằng các chất khô hoà tan không chứa caffeine nên chỉ trích ly đặc hiệu caffeine và trích ly nhiều lần. 97-99%. Tính đặc hiệu với caffeine Thấp hơn. Cao hơn. Khả năng tách và tái sử dụng dung môi. Phức tạp hơn do than hoạt tính phải đƣợc xử lý trƣớc (“bão hòa” các chất khô hòa tan) và dịch trích cần đƣợc điều chỉnh lại nồng độ của các chất khô hòa tan nhƣ ban đầu. Đơn giản hơn do than hoạt tính không cần “bão hòa” các chất khô hòa tan, việc tái sử dụng dung môi chỉ cần điều chỉnh lại nhiệt độ và áp suất của CO2. Anh hƣởng đến môi trƣờng Cả hai đều thân thiện với môi trƣờng. Thời gian trích ly Dài hơn Ngắn hơn. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 49 PHẦN 4: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ I.TÁCH CAFFEINE NHỜ VI SINH VẬT 1. GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP DÙNG VI SINH VẬT: Ngày nay, nhu cầu sử dụng các loại thức uống nhƣ trà, cà phê ngày càng nhiều. Do một số ảnh hƣởng không tốt của caffeine nên nhu cầu tách caffeine từ các sản phẩm trên ngày càng phổ biến. Ngoài phƣơng pháp truyền thống là sử dụng dung môi hữu cơ, nƣớc, dung môi CO2 siêu tới hạn thì hiện nay một số nghiên cứu đang hƣớng về việc sử dụng vi sinh vật. Một số kết quả nghiên cứu sử dụng tế bào vi khuẩn Pseudomonas alcaligenes trong việc tách caffeine đạt hiệu quả cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trƣờng và một số ƣu điểm khác. Vi sinh vật này có khả năng làm giảm gần nhƣ hoàn toàn caffeine trong dung dịch chứa caffeine (1g/l) trong 4-6h, nhiệt độ 28-32oC, pH 7-8. Để ứng dụng quá trình tách caffeine ở quy mô công nghiệp, ngƣời ta sử dụng tế bào cố định và thiết bị sinh học đƣợc thiết kế cho quá trình khử caffeine. 2. CƠ CHẾ KHỬ CAFFEINE CỦA VI KHUẨN: 3. NGHIÊN CỨU KHỬ CAFFEINE BẰNG VI SINH VẬT: 3.1. Môi trƣờng nghiên cứu gồm: Na2HPO4.7H2O 6,4g/l KH2PO4 1,5g/l NaCl 0,25g/l NH4Cl 0,5g/l Caffeine 1,0 g/l Sử dụng NaOH 0,1N để điều chỉnh pH 7,2. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 50 Sử dụng chất mang để cố định tế bào: Gelatin, K-Carrageenan, Agar hoặc Natri alginate. 3.2. Thông số công nghệ của quá trình khử caffeine: Thời gian 4-6h. Nhiệt độ: 28-32oC. pH = 7-8. 3.3. Kết quả: Trong 3 loài vi khuẩn có khả năng phát triển trên môi trƣờng chứa caffeine nhƣ : Alcaligenes fecalis (T1), Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708 (T2) và Acetobacter sps. (T3) thì chỉ có Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708 (T2) đƣợc xác định là có khả năng làm giảm caffeine tốt nhất. Hình 26. Sự giảm caffeine bởi vi khuẩn Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708 trong môi trƣờng chứa 1g/l caffeine. 3.4 Các yếu tố ảnh hƣởng: a. pH: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 51 Hình 27. Anh hƣởng của pH đến sự giảm caffeine bởi vi khuẩn Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708 trong môi trƣờng chứa 1g/l caffeine. b. Nhiệt độ: Hình 28. Anh hƣởng của nhiệt độ đến sự giảm caffeine bởi vi khuẩn Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708 trong môi trƣờng chứa 1g/l caffeine. c. Tỉ lệ giống cấy: CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 52 Hình 29. Anh hƣởng của tỉ lệ giống cấy đến sự giảm caffeine bởi vi khuẩn Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708. d. Nồng độ caffeine: Hình 30. Anh hƣởng của nồng độ caffeine đến sự giảm caffeine bởi vi khuẩn Pseudomonas Alcaligenes CFR 1708. 5. HƢỚNG ỨNG DỤNG: Các nhà khoa học đang nghiên cứu để dùng vi khuẩn này bổ sung vào dịch trích sau khi tách caffeine trong quy trình SWISS WATER để tái sử dụng dịch trích nhằm thay thế cho than hoạt tính. II.CÀ PHÊ BIẾN ĐỔI GEN: 1.Các nhà nghiên cứu Braxin, Pháp và Mỹ đang nghiên cứu tạo ra giống cà phê biến đổi gen - GMO (genetically modified organism). Nếu thành công, đây sẽ là lọai cà phê không caffeine! Ngòai ra, giống cà phê GMO này còn có những đặc điểm nhƣ dễ thu hoạch hơn, có khả năng chống chọi với hạn hán, sƣơng giá và sâu bệnh tốt hơn. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 53 Tuy nhiên, tại một hội thảo mới đây do Tổ chức cà phê thế giới tổ chức ở Luân Đôn, các nhà nghiên cứu cho biết cà phê GMO chỉ mới đang trong quá trình thí nghiệm! Braxin hiện đang đầu tƣ hàng triệu đôla vào việc nghiên cứu cà phê GMO. Thế nhƣng, theo các chuyên gia, chắc chắn cà phê GMO chƣa thể đƣợc đƣa ra thị trƣờng trong vòng 15-20 năm tới. Nguyên nhân là do các vấn đề về kỹ thuật, luật pháp và những rào cản thƣơng mại. Thực tế cho thấy, trong khi Mỹ, Canada, Trung Quốc, Achentina và Braxin cho phép trồng rộng rãi những giống cây biến đổi gen nhƣ ngô, đậu tƣơng thì châu Âu lại vấp phải sự phản đối gay gắt từ phía ngƣời tiêu dùng và các tổ chức môi trƣờng. Mặt khác, EU cũng đã đƣa ra lệnh cấm nhập khẩu các sản phẩm GMO mới trong vòng 6 năm. 2.Các chuyên gia di truyền thuộc Viện khoa học và công nghệ Nara, Nhật Bản, vừa tạo ra cây cà phê chuyển đổi gene có mức caffeine rất thấp. Họ sử dụng kỹ thuật can thiệp RNA để vô hiệu hoá một gene quan trọng trong quá trình sản xuất caffeine ở loại cây công nghiệp này. Thành tựu trên là kết quả của quá trình nghiên cứu kéo dài 7 năm đối với loại cà phê Coffea canephora. Caffeine đƣợc tạo ra trong các tế bào của cây cà phê theo ba bƣớc, từ một hoá chất tự nhiên tên là xanthosine. Mỗi bƣớc liên quan tới một quá trình hoá học gọi là methylation. Nhóm nghiên cứu đã vô hiệu hoá gene thứ hai liên quan tới quá trình đó nên cây không thể sản xuất caffeine. Protein đƣợc tạo ra từ các gene trong tế bào sống thông qua RNA thông tin (mRNA). mRNA đƣợc ""đọc"" để tạo ra một loại protein. Kỹ thuật can thiệp RNA - bổ sung một đoạn nhỏ RNA vào mRNA - ngăn chặn quá trình trên xảy ra. RNA bổ sung và mRNA can thiệp và phá huỷ lẫn nhau nên caffeine không đƣợc tạo ra. Lƣợng caffeine ở lá của cây cà phê GM con, một năm tuổi, giảm 50-70%. Phải mất ít nhất là 4 năm trƣớc khi những cây cà phê GM này trổ hoa và đậu hạt. Cho tới lúc đó, nhóm nghiên cứu mới có thể đánh giá hàm lƣợng caffeine trong hạt. Năm 1998, các nhà khoa học Hawaii cũng tạo ra cây cà phê không có caffeine bằng kỹ thuật không hiệu quả bằng can thiệp RNA. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 54 Nhóm nghiên cứu hy vọng ứng dụng công nghệ trên cho loại cà phê Arabica phổ biến nhất trên thế giới. Nhu cầu cà phê có mức caffeine thấp hoặc không có caffeine đang gia tăng toàn cầu do những ảnh hƣởng bất lợi tới sức khoẻ của cà phê có caffeine. Chất caffein có thể làm tim đập nhanh, tăng huyết áp ở những ngƣời nhạy cảm. III.CẢI TẠO GIỐNG: Cà phê Arabica thiên nhiên không caffeine Các nhà khoa học đã tìm thấy một giống cà phê thiên nhiên không có chất caffeine. Điều đặc biệt là nó có cùng gene với các giống cà phê thƣơng mại giá trị cao ngày nay. Paulo Mazzafera, trƣởng nhóm nghiên cứu tại Đại Học Campinas (Brazil), cho biết: ''Các loại cây cà phê khác không có chất caffeine đã đƣợc tìm thấy trƣớc nay song đây là thông báo đầu tiên về giống Coffea arabica không có caffeine. Arabica là giống cà phê đƣợc trồng nhiều nhất trên thế giới, cung cấp hơn 75% sản lƣợng cà phê đƣợc buôn bán''. Khám phá trên đây là tin tức tốt lành đối với ngành cà phê đang nỗ lực lai các giống cà phê giá trị cao với những giống cà phê không có caffeine thuộc họ xa hơn. Cho tới nay, cà phê thiên nhiên không caffeine là các giống ở Madagascar. Chúng không phải là giống cà phê chủ đạo và khó nhân giống. Pablo Dubois, giám đốc điều hành thuộc Tổ Chức Cà Phê Quốc Tế tại London, nói: ''Khám phá trên là một bƣớc tiến trong nỗ lực có đƣợc giống cà phê không caffeine chất lƣợng cao. Hiện con ngƣời tách caffeine từ cà phê bằng dung môi song luôn có nguy cơ làm mất các hƣơng vị tự nhiên''. Mazzafera và đồng nghiệp của ông đã tìm thấy ba giống cà phê thiên nhiên không có caffeine sau khi giám sát 3.000 cây cà phê tại Ethiopia, đại diện cho 300 giống cà phê. Thí nghiệm trên ba giống này cho thấy chúng thiếu caffeine synthase - enzyme trong lá mà biến một hợp chất có tên là theobromine thành caffeine. Ngoài việc loại bỏ nhu cầu tách caffeine trong cà phê thông thƣờng bằng dung môi, giống cà phê trên có thể thay thế cà phê chuyển đổi gene. Để tạo những giống cà phê không caffeine, các nhà khoa học đã phong toả gene mã hoá enzyme trên. Nam ngoái, các nhà sinh học Nhật Bản đã biến đổi gene cà phê Coffea canephora sao cho giảm khả năng hoạt động của gene caffeine 50-70%. Tuy nhiên, nhiều ngƣời tiêu thụ lại không chấp nhận thực phẩm biến đổi gene (GM) vì lo ngại gene chuyển đổi có thể nhiễm sang các loài thực vật khác cũng nhƣ ảnh hƣởng tới sức khoẻ con ngƣời. CNCB Thực phẩm Sản xuất bột cà phê tách caffeine 55 Theo Mazzafera, trong năm năm tới, có thể sản xuất cà phê thƣơng mại không có caffeine trực tiếp từ giống mới đƣợc tìm thấy này. Ông nói: ''Tôi chƣa nếm chúng song nói chung cà phê C. arabica có hƣơng vị thơm ngon. Chƣơng trình đƣa tính chất trên vào các giống cà phê có giá trị cao hiện nay có thể mất tới 15 năm. Đây có thể là cách để các nƣớc đang phát triển cạnh tranh với những công ty lớn sản xuất cà phê không caffeine''. TAØI LIỆU THAM KHẢO [1].Nguoàn internet: www.hoinongdan.org.vn www.dinhduong.com.vn/ www.ykhoanet.com allgroundup.com/light_vnsachcuonline.com/index.php?action=view&pi www.viaep.org.vn/Download/thitcaphe.pdf www.trungnguyen.com.vn/vn/default.aspx?c= [2].Nguyeãn Vaên Luïa, Quaù trình vaø thieát bò Coâng nghệ hoùa hoïc vaø thöïc phaåm – Kyõ thuaät saáy vaät lieäu, NXB Ñaïi hoïc Quoác gia TP. HCM, 2001. [3].Hoaøng Minh Trang, Kyõ Thuaät Cheá Bieán Caø Pheâ, NXB Noâng Nghieäp, Haø Noäi, 1993. [4]. Quy ñònh danh muïc caùc chaát phuï gia ñöôïc pheùp söû duïng trong thöïc phaåm, Boä Y Teá, Haø Noäi, 2001. [5]. Leâ Baïch Tuyeát, “Caùc Quaù Trình Coâng Ngheä Cô Ba ûn Trong Saûn Xuaát Thöïc Phaåm”, NXB Giaùo Duïc, 1996.