Технология и оборудования для производства шоколада и какао-порошка

Шоколад – твердое кондитерское изделие, основу которого составляют какао-продукты с высокой энергетической способностью, хорошо поддерживает силы уставшего человека, повышает его работоспособность.

Хорошо известны тонизирующие свойства шоколада, которые связаны с его химическим составом, в частности, с наличием в его составе теобромина, алкалоидов и дубильных веществ.

Какао-продукты получают из какао-бобов.

Какао-бобы – семена дерева какао, произрастающего в тропических областях Африки, Америки и на некоторых островах Индийского и Тихого океанов.

Извлеченные из плодов семена подвергаются ферментации.

Товарные какао-бобы представляют собой зерна массой 1…2 г, состоящие из оболочки (какаовеллы), ядра и зародыша. Какаовелла состоит в основном из клетчатки и не представляет пищевой ценности. Какао-бобы имеют массовые доли: влаги – 6%, жира (какао-масла) – 48%, белковых веществ – 12%, теобромина и кофеина – 1, 8%, крахмала – 5%, глюкозы – 1%, дубильных веществ – 6% и др. Какао-бобы в мешках поступают на кондитерскую фабрику железной дорогой или автотранспортом. Мешки вскрывают, и бобы после взвешивания транспортными элементами подают в бункеры для хранения. Со склада какао-бобы подают на очистку от посторонних примесей и сортировку по размерам. Далее они поступают на термическую обработку, целью которой является удаление влаги, улучшение вкуса и уничтожение микрофлоры. При этом какаовелла становится хрупкой и легче дробится. Термическая обработка производится в потоке горячего воздуха, при этом температура бобов не должна превышать 120°С.

Получение какао-тертого и какао-масла. Очищенные, отсортированные и обжаренные бобы какао подвергают дроблению на дробильно-сортировочных машинах.

Раздробленные какао-бобы сортируют по фракциям размерами от 8 до 0, 75 мм.

Одновременно с этим потоком воздуха отделяется какаовелла, а на триере – ростки.

Какао-крупка идет на дальнейшее измельчение. Дальнейшее измельчение до частиц размерами до 30 мкм производят на машинах различных конструкций: ударно-штифтовых, валковых и шаровых мельницах. При этом получается продукт, называемый какао-тертым.

Для предотвращения расслаивания с выделением жидкой фракции какао-тертое подвергают темперированию при температуре 85…90°С и при непрерывном перемешивании.

При измельчении разрушаются клеточные стенки, освобождается какао-масло и образуется суспензия, состоящая из жидкой (какао-масла) и твердой (клеточных стенок) фракций. При размоле температура смеси поднимается значительно выше температуры плавления какао-масла, поэтому какао-тертое представляет собой густую сметанообразную массу.

Какао-тертое в дальнейшем используется для приготовления шоколадной массы и для получения какао-масла, которые являются основными компонентами шоколадного производства.

Получение шоколадной массы. Какао-масло получается прессованием какао-тертого на гидравлических прессах различной конструкции при температуре какао-тертого около 100°С и давлении 45…55 МПа. При этом выход какао-масла от какао-тертого составляет 44…47%, остальное составляет какао-жмых, содержащий 9…14% какао-масла и служащий полуфабрикатом для производства какао-порошка. Какао-масло перекачивают в емкости, где хранят при температуре 50…60°С.

Шоколадная масса представляет собой тонкодисперсную смесь сахарной пудры, какао-тертого, какао-масла и добавок.

Производство шоколадной массы состоит из следующих процессов: смешения компонентов, измельчения, разводки и гомогенизации.

Для десертных сортов шоколадную массу подвергают коншированию. Соотношение компонентов в рецептуре шоколадных масс может колебаться в широких пределах, однако массовая доля жира должна составлять 32…36%, что необходимо для обеспечения нормальной текучести массы при формовании.

Жир вводится в массу как составная часть какао-тертого и дополнительно в виде какао-масла.

Вкус шоколадной массы в значительной мере определяется соотношением сахара и какао-тертого. Для характеристики сладости шоколадных масс используют коэффициент сладости (Пс), определяемый отношением массы вводимого сахара к массе какао-тертого.

В зависимости от этого коэффициента шоколад подразделяют на 5 групп: очень сладкий – при Пс более 2; сладкий – при Пс = 1, 6…2; полусладкий – при Пс = 1, 4…1, 6; полугорький – при Пс = 1…1, 2; горький – при Пс менее 1.

При производстве шоколадных масс используют сахар в виде сахарной пудры.

Шоколадные массы готовят периодическим и непрерывным способами.

При периодическом способе смешение производится в месильных машинах, или меланжерах. Исходные компоненты загружаются в следующей последовательности: какао-тертое, сахарная пудра, добавки и какао-масло. Какао-масло вводят в таком количестве, чтобы его массовая доля находилось на уровне 26…29%. Оставшуюся часть какао-масла вводят на стадии разводки. Смешение осуществляют при температуре 40…50°С в течение 15…30 мин. Далее массу подвергают измельчению путем растирания и раздавливания частиц твердой фазы на пятивалковых мельницах. Внутри валков циркулирует охлаждающая вода.

В процессе вальцевания шоколадная масса из пластического состояния переходит в сыпучее, порошкообразное, что связано со значительным увеличением поверхности твердых частиц за счет их измельчения и, соответственно, уменьшением массы жира, приходящегося на 1 м2 поверхности.

При введении в провальцованную порошкообразную массу оставшегося количества масла она приобретает жидкую консистенцию. Этот процесс называется разводкой. Процесс разводки ведется при температуре 45…55°С при обработке шоколадных масс, содержащих добавки. Длительность процесса разводки составляет 3 ч.

В шоколадную массу затем добавляют соевый фосфатидный концентрат (разжижитель), который, являясь поверхностно активным веществом, способствует снижению вязкости шоколадной массы. После этого в целях получения более однородной массы ее подвергают гомогенизации, которая осуществляется в эмульсаторах, коншмашинах или меланжерах.

Шоколадная масса для десертных сортов шоколада подвергается длительному механическому и тепловому воздействию – коншированию. Конширование производится в течение 24…72 ч при температуре 55…60°С. При этом значительно улучшаются вкусовые и ароматические качества шоколадной массы. На ход конширования благоприятно влияет воздействие воздуха на шоколадную массу.

Формирование шоколадных масс. Формирование шоколада производится путем отливки шоколадной массы в формы. При охлаждении происходит кристаллизация какао-масла, и шоколад приобретает твердую структуру. Какао-масло при охлаждении может кристаллизоваться в 4 различных формах, обладающих разными физическими свойствами, а также может происходить переход из одной формы в другую.

При определенных формах кристаллизации извлечение шоколада из форм затруднено, что приводит к образованию на поверхности шоколада серого налета (жировое поседение).

Для того, чтобы кристаллизация произошла в нужном направлении, формированию должна предшествовать специальная обработка путем темперирования при определенном режиме: быстрое охлаждение до температуры 33°С, затем медленное тщательное перемешивание до температуры (30±1)°С.

Шоколад формируется в металлических формах на автоматах различных конструкций.

После отливки формы поступают на вибротранспортер, обеспечивающий равномерное заполнение формы и удаление воздуха из массы. Далее формы поступают на охлаждение в шкаф, имеющий две зоны: в первой зоне поддерживается температура 8°С, во второй – 15…16°С. В охлаждающих шкафах формы находятся 20…25 мин. При выходе из шкафов они опрокидываются, шоколад поступает на транспортер, которым направляется на завертку. Завертывание шоколада проводится с целью удлинения сроков хранения и придания ему привлекательного внешнего вида. Завернутые плитки шоколада упаковывают в картонные футляры, а затем – в ящики из гофрированного картона.

Хранят шоколад в сухих, чистых, хорошо проветриваемых помещениях при температуре (18±3)°С и относительной влажности воздуха не выше 75%.

Устройство и принцип действия линии. Машинно-аппаратурная схема линии производства плиточного шоколада и какао-порошка приведена на рисунке 13.

Какао-бобы выгружают из расходных бункеров 1 и передают конвейером 2 на взвешивание автоматическими весами 3. Далее через бункер-питатель 4 бобы поступают в очистительно-сортировочную машину 5. В ней какао-бобы очищаются от посторонних примесей и сортируются по размерам.

В зависимости от качества исходного сырья получают в среднем 97 % полноценных какао-бобов, до 2, 7 % раздробленных и сдвоенных бобов, а также 0, 3... 1, 0 % неиспользуемых отходов (крошка, песок, пыль и др.). Отсортированные какао-бобы выгружают из машины 5 через магнитный уловитель и норией 6 подают в промежуточный бункер 7 для передачи на термическую обработку. Дробленые и сдвоенные какао-бобы накапливают в отдельных бункерах, чтобы обеспечить в дальнейшем специальные режимы их термической обработки.

Рис. 13. Машинно-аппаратурная схема линии производства плиточного шоколада и какао-порошка

В обжарочный аппарат 9 какао-бобы подаются питателем 8 из бункера 7. Термическая обработка бобов заключается в их обжаривании горячим воздухом температурой 130... 180 °С, но температура самих бобов должна быть не выше 125 °С. При таком температурном режиме влажность какао-бобов уменьшается от 6...8 до 2, 5...3, 0 %, увеличивается хрупкость ядра и оболочки (какаовеллы), отделяется какаовелла от ядра. В результате обжаривания бобов появляются ароматообразующие вещества, удаляются неприятные летучие кислоты и происходят другие химические изменения, определяющие цвет, вкус и аромат какао-бобов. Обжаривание различных по размеру и форме какао-бобов и их частей требует разной продолжительности их обработки.

Обжаренные какао-бобы в аппарате 9 подвергаются быстрому охлаждению до температуры 25...30 °С, что увеличивает хрупкость бобов, снижает окисление какао-масла и препятствует диффузии масла в какаовеллу.

Далее бобы норией 10 загружаются в дробильно-очистительно-сортировочную машину 11, в которой они дробятся на кусочки размером от 0, 75 до 8 мм. Дробленая смесь состоит из кусочков ядра — какао-крупки и какаовеллы. Дробленую смесь делят на ситах на несколько фракций для более полного отделения крупки от какаовеллы. Крупка и какаовелла одинакового размера имеют разную парусность, определяемую скоростью воздуха, при которой частицы витают. Поэтому в аспирационных каналах машины 11 при помощи воздушного потока от крупки отвеивается какаовелла. Во фракциях с мелкими размерами крупки и какаовеллы парусности близки, поэтому полного разделения трудно достигнуть. В них

менее полно отделяется какаовелла. Выход какао-крупки должен составлять не менее 87 % обжаренных какао-бобов.

Из машины 11 какаовелла поступает в циклон 12, после отделения от воздуха она выгружается в мешки и отправляется на утилизацию. Какао-крупка пневмотранспортером подается через магнитный сепаратор в расходный бункер 13. Из него крупку используют для производства какао тертого.

Клетки какао-бобов содержат какао-масло, белковые вещества и крахмальные зерна. Клетки имеют размеры в пределах 23...40 мкм, толщина стенок клеток 12 мкм. Получение какао тертого заключается в таком измельчении какао-крупки, чтобы разрушить клеточные стенки и высвободить содержащееся в клетках какао-масло.

Какао-крупка последовательно измельчается на трех мельницах: ударно-штифтовой 14, дисковой 75 и шариковой 7 7. В мельнице 14 крупка подвергается предварительному измельчению и поступает на истирание между дисками мельницы 75. В ней получается грубодисперсное какао тертое, которое насосом 16 нагнетается в шариковую мельницу 17 для тонкого измельчения. Готовая тертая масса собирается в темперирующем сборнике 18, из которого может перекачиваться насосом либо в сборник 35 для получения какао-масла и какао-порошка, либо в сборник 19 для производства шоколада.

Какао тертое, предназначенное для получения какао-масла, хранится в темперирующем сборнике 35 при температуре 85...90 °С в течение не менее 8 ч. В результате многочасового вымешивания и нагревания влажность какао тертого снижается до 1, 5 %, уменьшается его вязкость и облегчается отделение какао-масла.

Из сборника 35 какао тертое насосом перекачивается в дозирующую емкость 34, из которой по трубопроводам с обратными клапанами какао тертое поступает в рабочие камеры 33 гидравлического пресса 32. Прессование ведут при температуре какао тертого 90... 95°С.

Продолжительность прессования от 15 до 20 мин при повышении давления в конце прессования до 35...45 МПа. Если очень быстро сжимать какао тертое, то масло не успеет стечь через капилляры между твердыми частицами до их закупоривания и его выход уменьшается.

Из рабочих камер 33 масло выдавливается через фильтрующие элементы и трубопроводы в емкость 57 с весами 36. По показаниям весов судят о количестве отжатого масла и завершении цикла прессования. Затем какао-масло перекачивают в фильтр 38, а из него в сборник 44.

Твердый остаток, образующийся после прессования и называемый какао-жмыхом, представляет собой диски массой 8... 10 кг, диаметром 450...550 мм и толщиной 40...45 мм, количество которых зависит от количества рабочих камер пресса. В жмыхе остается 10, 5...17 % жира. При разгрузке пресса 32 диски из жмыха падают под пресс на ленточный конвейер 31, снабженный воздушным охлаждением. Он подает диски в жмыходробилку 30, в которой их дробят на куски размером с грецкий орех. Далее куски жмыха шнеком 29 и норией 28 подаются через магнитный сепаратор в штифтовую мельницу 2 7. При измельчении получается горячий порошок температурой до 110 °С, который воздухом подается в теплообменный аппарат 26, представляющий собой трубу в трубе со шнеком внутри. В кольцевом пространстве между трубами течет раствор хлорида кальция температурой 14°С. В теплообменнике порошок охлаждается до 16 °С. Далее порошок отделяется от воздуха в циклоне 25 и шнеком 24 подается в классификатор 23, и после отделения в нем крупных частиц поступает в сборник 22. Из последнего какао-порошок поступает в машину 21 для фасования в картонные коробки, которые затем оклеиваются целлофаном в машине 20. Из нее коробки с какао-порошком транспортируются в экспедицию для упаковки в торговую тару и отправки потребителям.

Приготовление шоколадной массы начинается с формирования рецептурной смеси в (какао тертое, какао-масло и др.) насосами подаются в дозаторы 47 соответствии с утвержденной рецептурой. Из темперирующих сборников жидкие компоненты рецептурно-смесительной установки 52. В дозаторы 50 загружают сахар, сухое молоко и другие сыпучие компоненты. Сахар подается в виде предварительно приготовленной сахарной пудры с размерами частиц не более 80 мкм. Для этого сахар-песок из расходного бункера 48 транспортируется конвейером 49 в питатель мельницы 51 и после измельчения поступает в дозатор установки 52.

Загрузку компонентов в смеситель установки 52 при одновременном их перемешивании выполняют в такой последовательности: какао тертое, сахарная пудра и все добавления, подлежащие измельчению (сухое молоко, тертый орех, кофе и др.). Разогретое какао-масло подают постепенно, чтобы масса имела температуру 40...45 °С, а общее содержание жира составляло 24...30 %. В результате смешивания компонентов необходимо получить однородную массу температурой 35...45 °С с пластичной тестообразной консистенцией. Такая масса непрерывно поступает на конвейер 46 со стальной лентой и с помощью шиберов распределяется на пятивалковые мельницы 45.

Количество параллельно установленных мельниц зависит от производительности смесителя и может достигать семи штук.

Качество шоколада существенно зависит от степени измельчения рецептурной смеси: чем меньше размер твердых частиц, тем выше качество.

Размер частиц не должен превышать 35 мкм, а шоколадная масса в зависимости от вида вырабатываемого шоколада должна содержать от 92 до 97 % частиц размером менее 20 мкм. Измельчение массы осуществляется путем растирания и раздавливания твердых частиц в зазоре между быстровращающимися валками, имеющими шлифованную твердую поверхность. Сопряженные валки вращаются с разными скоростями в противоположных направлениях.

Степень измельчения массы зависит от величины зазора между сопряженными валками. Чем сильнее сжаты валки, тем лучше будет измельчен продукт, но с уменьшением зазора между валками снижается производительность мельницы. В процессе измельчения в мельнице 45 наблюдается изменение жидкой консистенции загружаемой рецептурной смеси в порошкообразной продукт. При измельчении увеличивается поверхность твердых частиц массы, поэтому введенного в рецептурную смесь какао-масла оказывается недостаточно для полного смачивания частиц, и масса приобретает сыпучесть.

Измельченная масса ссыпается на непрерывно движущийся конвейер 43 со стальной лентой, который направляет продукт на разведение, гомогенизацию и квитирование в ротационную конш-машину 41. Процессы разведения шоколадной массы какао-маслом с добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ), гомогенизация и конширование шоколадных масс осуществляются одновременно.

Рабочие органы конш-машины: три гранитных конических ролика, совершающих планетарное движение по конусной гранитной внутренней поверхности емкости, а также лопастные мешалки и шнек подвергают шоколадную массу интенсивной механической обработке.

Продолжительность вымешивания устанавливают в зависимости от типа применяемого оборудования и вида обрабатываемой массы. Например, в ротационной конш-машине масса для обычного молочного шоколада обрабатывается в течение 8 ч при температуре 45...55 °С, а для получения десертного шоколада без добавлений требуется 24 ч перемешивания при температуре 55...75°С.

В процессе конширования происходит частичное удаление влаги и равномерное распределение масла между твердыми частицами, которые приобретают округлую форму. При измельчении твердых частиц увеличивается их поверхность и для поддержания необходимой вязкости шоколадной массы требуется периодически добавлять какао-масло при помощи дозатора 42. Обработанная масса становится однородной и приобретает пластичную консистенцию с минимальной постоянной вязкостью. Под влиянием продолжительного механического и теплового воздействия в шоколадной массе происходит ряд физико-химических и структурно-механических изменений, которые обусловливают существенное улучшение качества шоколада, повышая его вкусовые и ароматические достоинства.

Приготовленная шоколадная масса перекачивается на хранение в темперирующие сборники, а затем в темперирующие машины 40, в которых температура постепенно снижается до 40...45 °С. Готовую шоколадную массу, поступающую на формование, подвергают фильтрации для удаления посторонних примесей. Массу пропускают через металлические фильтры с диаметром ячеек 2 мм, установленные на входе в автоматическую машину 39 для темперирования шоколадных масс.

Темперирование шоколадной массы в машине 39 протекает непрерывно в очень тонком слое при весьма интенсивном перемешивании. Массу быстро охлаждают от 45...50 °С до 33 °С, а затем медленно снижают температуру до 30...32, 5 °С (при выработке шоколада без добавлений) и выдерживают массу в этом температурном интервале, не прекращая интенсивного перемешивания. Вследствие большой вязкости и значительной массы молекулы какао-масла имеют малую скорость, что затрудняет создание центров кристаллизации. При таком режиме создаются оптимальные условия для равномерного образования центров кристаллизации только устойчивой Р-формы масла-какао и исключается жировое поседение шоколада.

Оттемперированная шоколадная масса подается в агрегат для формования плиточного шоколада, состоящий из отливочной машины 57, цепного конвейера с формами и охлаждающего аппарата 55. Отливочная машина имеет две дозировочные головки, которые при помощи поршневых систем дозируют определенные порции шоколадной массы в жесткие формы. Например, первая по ходу технологического процесса дозировочная головка настроена на порцию массы 50 г, а вторая — 100 г. При этом составы шоколадных масс, подаваемых в головки, тоже могут быть различны. Производительность дозировочной головки до 24 форм/мин регулируется бесступенчато.

При формовании шоколада используют преимущественно металлические формы. Их изготовляют из специальной нержавеющей стали (сталита) или малоуглеродистой мягкой стали, покрытой с рабочей стороны тонким слоем чистого никеля (платиноля). Формы и все их ячейки должны иметь блестящую и гладкую, хорошо отшлифованную и отполированную, совершенно чистую рабочую поверхность. Формы шарнирно закреплены на цепном конвейере длиной около 200 м, их можно легко снять или поставить на конвейер в месте поворота конвейера перед дозировочной головкой. При изготовлении шоколадных плиток разной массы и состава формы устанавливаются на конвейере поочередно через одну для каждого вида изделий.

Формование шоколадных плиток происходит следующим образом. Темперированная шоколадная масса дозировочными головками заливается в формы, предварительно подогретые до температуры 30...32 °С. Заполненные формы поступают в зону вибрационной обработки 56. Их принудительно перемещают цепным конвейером по поверхности постоянных магнитов, совершающей вибрационные колебания по вертикали с частотой 33 Гц.

Вибрация приводит к разрушению внутренней структуры шоколадной массы и, как следствие, к понижению предельного напряжения сдвига и вязкости. При этом шоколадная масса хорошо заполняет все углубления формы, содержащиеся в массе мелкие пузырьки воздуха удаляются из ее объема. Благодаря вибрационной обработке форм в течение 3... 5 мин шоколад приобретает темный цвет и блестящую поверхность.

Обработанная вибрацией шоколадная масса должна быть быстро охлаждена, так как при медленной кристаллизации образуются крупные кристаллы какао-масла и возможно жировое поседение шоколада. Поэтому формы с шоколадной массой охлаждаются в аппарате 55 сначала в течение 19 мин при температуре 6... 10 °С. Чем ниже температура в охлаждающей камере, тем мельче получаются кристаллы какао-масла устойчивой Р-формы, а их распределение в массе равномернее. При низкой температуре воздуха изделие имеет блестящую зеркальную поверхность. Само изделие получается хрупким, имеющим нежный, тающий вкус и однородную структуру в изломе.

По окончании кристаллизации формы переворачивают на 180 °С, под действием вибрации шоколадные плитки выпадают из форм на пластинчатый конвейер, а пустые формы возвращаются цепным конвейером к отливочной машине 57. В нижней части охлаждающего аппарата 55 находится зона акклиматизации, в которой шоколадные плитки, размещенные на пластинчатом конвейере, продолжают выдерживаться при температуре 11... 15 °С.

Шоколадные плитки, имеющие температуру, близкую к температуре воздуха цеха, можно направлять на завертку без длительной выстойки. Если вышедшая из охлаждающего аппарата плитка шоколада имеет температуру ниже точки росы воздуха в цехе, то на ее поверхности конденсируется влага из воздуха.

В конденсате растворяется сахар, содержащийся в поверхностном слое. После прогревания изделия влага испаряется, а растворенный в ней сахар выкристаллизовывается. Поверхность плитки приобретает неприятный серый налет — сахарное поседение шоколада.

Шоколадные плитки выгружаются из аппарата 55 четырьмя ленточными питателями 54 и передаются в заверточные машины 53. Завертка плиточного шоколада производится в алюминиевую фольгу, парафинированную или подпергаментную подвертку и красочную этикетку.

Фольга и подвертка предохраняют шоколад от увлажнения, а следовательно, от сахарного поседения, а также от потери аромата. Готовый шоколад обладает хрупкостью, в связи с чем предусмотрена дополнительная упаковка завернутых плиток в картонные футляры массой 2...2, 5 кг. Футляры упаковывают в фанерные или тесовые ящики, картонные коробки, которые закрываются, забиваются гвоздями или заклеиваются.