Đề tài Quy trình và thiết bị sản xuất kem

MỤC LỤC TỔNG QUÁT VỀ KEM 2 Giới thiệu chung 2 Nguyên liệu 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT 5 Giải thích quy trình công nghệ 6 Chuẩn bị nguyên liệu 6 Phối trộn 6 Đồng hoá 7 Thanh trùng 9 Uû chín-- 9 Lạnh đông sơ bộ 10 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ 8 Thiết bị lạnh đông 8 Thiết bị tạo hình, làm cứng 16 Thiết bị tạo vỏ áo chocolate 28 SẢN PHẨM 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 TỔNG QUAN VỀ KEM GIỚI THIỆU CHUNG Ngày nay, kem là một sản phẩm được tiêu thụ rộng rãi ở mọi quốc gia, và thu hút người tiêu dùng ở mọi lứa tuổi khác nhau, nhưng ít người biết rằng kem có một lịch sử khá lâu đời. Kem ăn xuất hiện ở thế kỷ thứ 4 trước công nguyên, ở các quốc gia như La Mã, Trung Hoa phục vụ cho vua chúa bằng cách lấy đá lạnh trên các đỉnh núi cao về trộn với các loại trái cây hoặc sữa tạo thành món “kem”. Theo truyền thuyết thì Marco Polo đã mang bí quyết chế biến kem từ Trung Quốc về Mỹ, sau này người Mỹ đã biến việc sản xuất kem thành một nền công nghệ chế biến phát triển mạnh mẽ. Năm 1946, bà Nancy Johnson người New York đã phát minh ra một loại tủ lạnh chuyên dùng để chứa kem, máy làm kem ngày nay được mang tên “Johnson Patent Ice-Cream Freezer”. Năm 1962, công nghệ làm kem thương mại lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế. Cùng với thời gian, ngành sản xuất kem phát triển mạnh mẽ cho ra đời nhiều dòng sản phẩm: kem hộp, kem ly, kem chocolate, kem trái cây, kem vani, kem corneto… kem trở thành món ăn tráng miệng ưa thích của cả trẻ em lẫn người lớn. Theo thống kê của Hiệp hội kem ăn thế giới, loại kem phổ biến nhất là kem vani-29%, kế đến là kem chocolate-8.9%, kem hạt dẻ và kem dâu-5.3%, kem tổng hợp-4.2%, kem bọc chocolate-3.9%, kem vanola kiểu Pháp-3.8%. Theo số liệu của Hiệp hội các nhà sản xuất sữa và các sản phẩm từ sữa, Mỹ là quốc gia sản xuất kem ăn lớn nhất thế giơi với 61.3 triệu hectolit/năm, kế đến là Trung Quốc 23.6 triệu hectolit/năm. Tuy nhiên, New Zealand lại là nước tiêu thụ kem mạnh mẽ nhất thế giới với 26.3 triệu hectolit/năm, kế đến là Mỹ 22.5 triệu hectolit/năm. Trung bình, một người New Zealand sử dụng 26.3 lit kem/năm, trong khi đó mức tiêu thụ kem của người Trung Quốc là 1.8lit/năm. Mức tiêu thụ kem trung bình của người Việt Nam là 0.3 lit/năm. NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT KEM Sữa và các sản phẩm từ sữa: Tạo nên giá trị dinh dưỡng và hương vị cho kem. Sữa dùng cho sản xuất kem có thể là sữa tươi, sữa bột nguyên cream, sữa bột gầy, chất béo từ sữa như cream, bơ, hay chất béo khan… Yêu cầu quan trọng đối với sữa làm kem là phải có hàm lượng chất béo cao, lượng chất béo trong sữa là yếu tố giúp tạo nên cấu trúc đặc trưng của sản phẩm. Đường: Đường giúp tạo vị ngọt, hiệu chỉnh hàm lượng chất khô, tăng giá trị dinh dưỡng và góp phần tạo cấu trúc sản phẩm. Ngoài đường lactose có sẵn trong sữa, thường sử dụng đường saccharose, đường nghịch đảo và syrup giàu fructose. Ở Mỹ và Châu Aâu còn sử dụng chất ngọt nghèo giá trị dinh dưỡng như sorbitol, aspartam, polydextrose… để sản xuất kem phục vụ cho người bị tiểu đường hay béo phì. Chất béo: Chất béo là thành phần chủ yếu tham gia vào cấu trúc của kem, có thể sử dụng dầu thực vật như dầu nành, dầu cải, dầu dừa hay dầu hướng dương kết hợp với chất béo của sữa để sản xuất kem. Hàm lượng dầu thực vật có thể chiếm 6-10% khối lượng kem thành phẩm. Chất nhũ hóa: Chất nhũ hóa có vai trò tăng khả năng liên kết giữa các hạt cầu béo, điều này quyết định lớn đến khả năng giữ nước của kem. Trong sản xuất kem có thể sử dụng chất nhũ hóa thông dụng như lòng đỏ trứng nhưng giá thành thường khá cao, ngòai ra có các loại chất nhũ hóa khác rẻ tiền hơn như mono hay diglyceride, các ester của sorbitol hay của các phân tử đường… Chất ổn định: Các chất ổn định tạo ra mạng lưới không gian để hạn chế sự chuyển động tự do của các phân tử nước, nhờ đó trong quá trình lạnh đông hỗn hợp nguyên liệu để sản xuất kem, các tinh thể đá xuất hiện sẽ có kích thước nhỏ, kem trở nên đồng nhất. Chất ổn định dùng cho sản xuất kem thường có bản chất protein như gelatin, casein, albumin, globuline… hay carbohydrate như agar-agar, gum arabic, CMC (carboxymethylcellulose)… Chất tạo hương: Hương liệu cùng với sự tạo hình kem tạo ra sự đa dạng cho sản phẩm kem. Các loại hương liệu thường sử dụng như vanilla, mùi cam, mùi sầu riêng, dâu, chocolate, mùi cà phê… Chúng được trích ly từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học. Ngoài ra, trong sản xuất kem, người ta cũng có thể bổ sung thịt quả cắt nhỏ, các loại hạt (hồ đào, hạnh nhân, phỉ, hạch, hồ trăn, đậu phộng, điều…), bột cacao, dịch chocolate… Những nguyên liệu trên ngoài mục đích tạo hương còn giúp tăng giá trị dinh dưỡng cho kem thành phẩm. Chất màu: Màu sắc tạo sự lôi cuốn hấp dẫn cho kem từ cái nhìn đầu tiên. Các nhóm sản phẩm cần tạo màu là các sản phẩm kem có hương vị trái cây. Kem có hương vị trái cây nào thì cần có màu của loại trái cây ấy, ví dụ như kem nho cần có màu nâu đỏ, kem sầu riêng có màu vàng… Nhóm chất màu tự nhiên có độ bền màu kém hơn so với chất màu tổng hợp trong điều kiện sản xuất công nghiệp. Việc sử dụng chất màu tuân theo quy định sử dụng phụ gia ở mỗi quốc gia. Nguyên liệu khác: Nước và không khí: Nước có tác dụng tạo tinh thể đá, tạo độ cứng cần thiết và tạo cảm giác mát lạnh khi sử dụng sản phẩm. Không khí giúp cho sản phẩm có độ mềm, xốp. Acid: việc bổ sung acid hữu cơ như acid citric, acid tartric…ngoài việc tạo độ chua thích hợp cho kem, còn có tác dụng ức chế sự phát triển của một số vi sinh vật có trong sản phẩm. Phụ gia chống vi sinh vật: thường sử dụng natri benzoat, tuy nhiên nhiều nước trên thế giới không cho phép sử dụng phụ gia này. Tinh bột: trong công thức kem của nhiều nước trên thế giới thường không sử dụng, nhưng các nhà sản xuất kem của Việt Nam thường sử dụng tinh bột bình thường hay tinh bột biến tính nhằm mục đích gia tăng độ kết dính của khối kem. II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Nguyên liệu phụ: chất tạo nhũ, chất ổn định màu, mùi… Chuẩn bị Xếp vào thùng Nguyên liệu chính: Sữa, cream, bột sữa gầy, syrup đường Chuẩn bị Phối trộn Đồng hóa Thanh trùng Ủ chín Lạnh đông sơ bộ Rót hộp/ly Đổ khuôn Lạnh đông kết thúc Xếp vào thùng Lạnh đông trung gian Đặt que vào khuôn kem Lạnh đông kết thúc Tháo khuôn Tạo màng bao chocolate Bao gói Kem que Kem hộp/ly Que Hộp /ly Bao bì Thùng Thùng GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ: Chuẩn bị nguyên liệu Nguyên liệu được định lượng theo đúng công thức phối trộn cho mỗi loại kem sản xuất. Nguyên liệu khô được đem cân, nguyên liệu dạng lỏng có thể cân hay đo thể tích để xác định hàm lượng cần sử dụng. Đối với chất béo phải được gia nhiệt lên 35-50oC để dễ phối trộn. Phối trộn Nguyên liệu được đưa vào thiết bị phối trộn theo một trật tự nhất định, sử dụng quá trình cơ học để làm nguyên liệu được đồng nhất. Sử dụng thiết bị phối trộn hình trụ đứng với bộ phận điều nhiệt và cánh khuấy hoạt động ở tốc độ cao, nhiệt độ phối trộn thường là 50-65oC. Có thể kết hợp lọc và bài khí sau phối trộn nhằm mục đích tăng hiệu quả truyền nhiệt, hỗ trợ quá trình đồng hóa và thanh trùng. Hình 1: Hệ thống bồn phối trộn của Tetra Pak Đồng hóa Trong sản xuất kem, hỗn hợp nguyên liệu thường có chứa hàm lượng chất béo cao, do vậy phải sử dụng quá trình đồng hóa nhằm làm giảm kích thước các hạt béo và phân bố đều chúng trong hỗn hợp. Ta sử dụng thiết bị đồng hóa hai cấp, áp suất dao động trong khoảng 140-250bar. Hỗn hợp được gia nhiệt lên 65-75oC trước khi vào thiết bị đồng hóa. Giai đoạn đồng hóa đầu tiên thường sử dụng 2/3 đến 3/4 áp lực tổng, kích thước hạt phân tán sau đồng hóa là 10-12 microns. Tác động của áp suất đến quá trình: Hình 2: Tác nhân áp suất ảnh hưởng đến các hạt cầu béo trong hệ nhũ tương. A) Mẫu tham khảo, 141-35 kg/cm2; B) Không đồng hoá;   C) 281-35 kg/cm 2 ;  D) 35 kg/cm 2. ×800. Đồng hóa áp suất cao Đồng hóa áp suất thấp Kích thước Kích thước của các hạt cầu béo phân tán nhỏ đến mức tối đa (0.1-0.3 ìm) Kích thước hạt cầu béo lớn hơn, tùy theo yêu cầu sản phẩm. Tính chất, cảm quan Giúp ổn định bọt khí và tạo sự trơn bóng bề mặt kem. Sự phân bố pha phân tán trở nên đồng đều, cấu trúc ổn định. Giảm độ nhớt Tránh hiện tượng kết tinh đá. Bề mặt kem không ổn định. Sự phân bố không đồng đều. Chất tạo nhũ Cần chất tạo nhũ nhiều hơn Yêu cầu chất tạo nhũ không cao Sự tan chảy Không tác động đến sự tan chảy nhưng làm mất mát 1 lượng nhỏ chất béo. Làm chậm sự tan chảy kem Chi phí năng lượng Tiêu tốn năng lượng nhiều. Tiết kiệm 1 phần năng lượng Áp suất Áp suất cao từ 4000-30000 psi, tùy lượng béo trong khối trộn. Áp suất thấp từ 500-2500 psi Khối kem sau pha trộn Đặc biệt đối với khối ít béo (pha phân tán ít) muốn tạo sự đồng nhất hơn nữa thì bắt buộc phải sử dụng phương pháp này. Đối với khối có hàm lượng chất khô cao và nhiều béo, sản phẩm không đòi hỏi độ đồng nhất tối đa thì có thể áp dụng phương pháp này cho đỡ tốn năng lượng. Đối tượng sản phẩm Ứng dụng cho dòng sản phẩm cao cấp, đòi hỏi chất lượng cảm quan sâu sắc. Ứng dụng đối với sản phẩm có sự kết hợp pha phân tán ở mức độ vừa phải. Chi phí thiết bị Cao, đòi hỏi độ kết cấu vững chắc của thiết bị. Đòi hỏi ít hơn Chi phí vận hành Cao Thấp Thanh trùng Hỗn hợp nguyên liệu cần được thanh trùng để tiêu diệt hoặc ức chế hệ vi sinh vật và enzyme, chế độ thanh trùng thường được chọn là 83-85oC trong 15 giây, hoặc thanh trùng ở 63oC trong 30 phút. Trong thực tế sản xuất 2 quá trình thanh trùng và đồng hóa thường được tiến hành xen kẽ. Đầu tiên hỗn hợp nguyên liệu được dẫn vào thiết bị trao đổi nhiệt để hiệu chỉnh nhiệt độ, sau đó được dẫn vào thiết bị đồng hóa, rồi lại được quay trở lại thiết bị trao đổi nhiệt để thanh trùng và làm nguội. Hình 2: Thiết bị thanh trùng HTST Uû chín Nguyên liệu sau khi thanh trùng và đồng hóa được làm lạnh về 2-4oC, sau đó đem đi ủ chín. Mục đích của quá trình này là làm cho hỗn hợp nguyên liệu đạt được một số tính chất hóa lý cần thiết, chuẩn bị cho quá trình lạnh đông tiếp theo: các chất protein sẽ được hydrate hóa hoàn toàn, một phần chất béo kết tinh, một số phân tử protein sẽ hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc pha giữa các hạt cầu béo và pha liên tục. Kết quả làm cho kem thu được sau quá trình lạnh đông sẽ có cấu trúc mịn và đồng nhất. Quá trình ủ chín được thực hiện trong thiết bị vỏ áo trong 4-24 giờ, ở nhiệt độ 2-4oC. Lớp vỏ áo bên ngoài có tác dụng làm lạnh và cách nhiệt, hạn chế sự tổn thất năng lượng, bên trong thiết bị có cánh khuấy hoạt động liên tục, khuấy chậm và đều đặn. Hình 3: Thiết bị ủ chín Lạnh đông sơ bộ Quá trình này có hai mục đích quan trọng: Thổi một lượng không khí vào hỗn hợp nguyên liệu để làm tăng thể tích của chúng. Lạnh đông một phần nước trong hỗn hợp để tạo các tinh thể đá với kích thước thật nhỏ và đồng nhất, đồng thời phân bố đều các tinh thể đá này trong hỗn hợp. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm mà lượng không khí thổi vào hỗn hợp là khác nhau. Thông thường, thể tích hỗn hợp sau khi nạp không khí tăng từ 80-100%. Các bọt khí thật mịn xuất hiện trong kem sẽ tạo nên cấu trúc đặc trưng cho sản phẩm. Không khí được sử dụng trong sản xuất kem cần được xử lý bởi hệ thống lọc nhằm loại các tạp chất như bụi và vi sinh vật… nhằm đảm bảo chất lượng của kem thành phẩm. Trong giai đoạn lạnh đông sơ bộ có khoảng 30-70% lượng nước kết tinh, tuỳ theo phương pháp tạo hình kem mà người ta sẽ hiệu chỉnh tỷ lệ nước kết tinh ở giai đoạn này cho phù hợp. Sau quá trình lạnh đông sơ bộ ta thu được kem bán thành phẩm với cấu trúc rất mềm và xốp. Tiếp theo tuỳ theo từng quá trình tạo hình sẽ thực hiện theo các phương pháp khác nhau, sẽ được trình bày chi tiết ở phần giới thiệu thiết bị sản xuất. III. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ SẢN XUẤT Thiết bị làm lạnh Lạnh đông là hạ nhiệt độ của sản phẩm xuống dưới nhiệt độ kết tinh của nước trong sản phẩm đó. Có 3 phương pháp làm lạnh đông chính là: + Lạnh đông bằng thiết bị hoạt động theo chu trình lạnh. + Lạnh đông bằng cách tiếp xúc với chất tải lạnh bằng kim loại. + Lạnh đông bằng cách nhúng trong khí nén lỏng. Trong công nghệ làm kem thì thiết bị hoạt động theo chu trình lạnh được sử dụng phổ biến, Thiết bị này hoạt động theo chu trình lạnh gồm 4 giai đoạn: +Giai đoạn 1: Tác nhân lạnh được máy nén khí nén dưới áp suất cao để hóa lỏng. +Giai đoạn 2: Tác nhân lạnh lỏng được cho qua thiết bị ngưng tụ để toả ẩn nhiệt (ngưng tụ) ra môi trường bên ngoài (dàn nóng). +Giai đoạn 3: Tác nhân lạnh lỏng sau khi đi qua thiết bị ngưng tụ được cho vào van tiết lưu. Khi đi qua van tiết lưu, tác nhân lạnh lỏng bị giảm áp suất đột ngột, bốc hơi. +Giai đoạn 4: Tác nhân lạnh bốc hơi trong thiết bị bốc hơi. Vì quá trình này thu nhiệt nên môi trường xung quanh thiết bị bốc hơi bị mất nhiệt lượng, giảm nhiệt độ xuống. Trong phương pháp lạnh đông bằng thiết bị hoạt động theo chu trình lạnh ta có 2 phương pháp lạnh đông kem thường được sử dụng là: Lạnh đông gián đoạn: lạnh đông từng lượng hỗn hợp phối trộn tại một thời điểm, liên tục tháo hỗn hợp kem ra. Thiết bị lạnh đông gián đoạn thì ít phức tạp hơn so với thiết bị lạnh đông liên tục. Trong mỗi mẻ thực hiện quá trình lạnh đông thì sản phẩm được đo lường, bổ sung màu, mùi và lạnh đông riêng biệt từng phần. Kiểu lạnh đông này được chọn sử dụng khi sản xuất kem ở quy mô nhỏ hoặc thử nghiệm sản xuất sản phẩm trong phòng thí nghiệm. Lạnh đông gián đoạn thì ít tốn kém chi phí lắp đặt hơn lạnh đông liên tục và nó cho phép tạo ra những sản phẩm kem có mùi đặc biệt với thể tích nhỏ, quá trình đóng gói được thực hiện thủ công. Lạnh đông gián đoạn thông thường được thực hiện trong thiết bị hình trụ nằm ngang có sức chứa nguyên liệu từ 15-40 lit. Nhiệt độ của môi chất làm lạnh thường được hạ xuống -23°C÷-29°C để hình thành những tinh thể đá nhỏ, tuy nhiên các tinh thể đá tạo ra trong sản phẩm khi thực hiện quá trình lạnh đông gián đoạn vẫn lớn hơn so với phương pháp lạnh đông liên tục. Lạnh đông gián đoạn thường được sử dụng cho mẻ kem có thể tích 2-40L, mỗi mẻ mất 15-20 phút để thực hiện quá trình lạnh đông. Hình 4: Thiết bị lạnh đông sơ bộ hoạt động gián đoạn Lạnh đông liên tục là phương pháp được phát triển gần đây, phương pháp này có thể đạt được năng suất lên đến 150-3000L/h. Phương pháp này được áp dụng cho sản xuất quy mô lớn. Phương thức vận hành: hỗn hợp kem được bơm liên tục vào thiết bị lạnh đông hình tru, khí sẽ được cung cấp bởi máy nén. Nhiệt độ trung bình của kem khi lạnh đông liên tục là khoảng -5°C khi nhiệt độ tác nhân lạnh của dàn bay hơi ống xoắn -30°C, tại nhiệt độ này thì 40% tổng lượng nước trong kem bị đóng băng Thiết bị lạnh đông liên tục Hoyer của tập đoàn Tetra Pak có dung tích hoạt động là 10l/h-4000l/h. Thiết bị lạnh đơng Hoyer KF 1) Thiết bị Hoyer KF được cung cấp cho những nhà máy sản xuất kem trên quy mô lớn, được tự động hóa và sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao. Thiết bị Hoyer KF thì hoàn toàn khác các thiết bị lạnh đông khác ở các yếu tố cơ bản như: toàn bộ thiết bị được làm bằng thép không rỉ, có gương quan sát để biết được quá trình lạnh đông kết thúc, thép không rỉ chịu được sự va chạm và có thể dừng quá trình lạnh đông một cách dễ dàng. Mỗi loại model của thiết bị này đều có hệ thống điều khiển, vận hành khác nhau. N-model được điều khiển bằng cách nhấn các nút điều khiển chính như: moto, lạnh đông và bơm. Overrun control đạt được bằng cách thường xuyên duy trì áp lực không khí …. XC-model là một thiết bị lạnh đông hoạt động được điều khiển hoàn toàn tự động. Ưu điểm của thiết bị này là: dễ dàng vận hành thiết bị, có màn hình vi tính thể hiện đồ thị và các thông tin như: nhiệt độ và lưu lượng phối trộn, nhiệt độ của kem, lưu lượng không khí, độ nhớt của kem… Model Năng suất (l/h) Hoyer KF 80 10-100 Hoyer KF 500N 75-500 Hoyer KF 500XC 50-500 Hoyer KF 1000N 150-1000 Hoyer KF 1000N-2 100-1000 Hoyer KF 1000XC 100-1000 Hoyer KF 2000N 350-2300 Hoyer KF 2000XC 230-2300 Hoyer KF 3000XC 300-3000 Hoyer KF 4000XC 400-4000 2) Thiết bị lạnh đông Hoyer Figus (gồm các model từ 200-600): là thiết bị hình trụ được làm lạnh theo chiều dọc, bề mặt được mạ Cr. Một bơm piston dùng để đo lượng hỗn hợp kem và lượng khí vào. Model Năng suất (l/h) Hoyer Figus 200 90-220 Hoyer Figus 300 180-300 Hoyer Figus 400 170-450 Hoyer Figus 600 150-600 Hoyer Figus 1200 106-317 Trong sản xuất kem người ta sử dụng thiết bị lạnh đông có ống chảy (continous ice cream barral freezer). Đây là thiết bị lạnh đông làm việc liên tục. Cấu tạo của thiết bị lạnh dùng trong sản xuất kem như sau: Hình 5 : Mô hình cấu tạo của thiết bị lạnh đông sơ bộ Nguyên lý hoạt động của nó giống như máy lạnh công nghiệp, tuy nhiên cấu tạo của nó khác với máy lạnh công nghiệp. Điểm khác nhau chính là cơ cấu làm lạnh dạng ống barrel freezer có cấu trúc như sau Hình 6: Cấu trúc barrel freezer của máy lạnh đông sơ bộ Đây là một ống dài có nhiều lớp. Trong đó có lớp cách nhiệt, lớp tải lạnh và phần lõi chứa hỗn hợp nguyên liệu. Trong phần lõi này có cánh khuấy. Ở đầu ra cảu ống còn có thêm dao cạo và các khe để đẩy kem ra ngoài. Thiết bị này làm việc ở chế độ liên tục, thời gian để nguyên liệu chảy suốt đường ống khoảng 15-20 phút. Ống có thể đóng băng khoảng 50-70% nước trong nguyên liệu. Hỗn hợp nguyên liệu khi đi vào ống vừa được lạnh đông, vừa được khuấy trộn kĩ. Điều này làm cho các tinh thể đá rất nhỏ, tạo nên độ xốp cho sản phẩm. Mặt khác, do nước trong sản phẩm chưa đóng băng hết nên nguyên liệu ra khỏi thiết bị vẫn còn độ sệt, độ mềm nhất định. Vì vậy, thiết bị này còn được gọi là thiết bị lạnh đông sơ bộ. N