Переработка какая-бобов
Автор - Б.У.Минифай 
Из книги «Шоколад, конфеты, карамель и другие кондитерские изделия».
Перевод с английского под общей научной редакцией Т.В.Савенковой, 
СПб., Профессия, 2008. 816с.

От редакции сайта:
Статья дает представление о технологии переработки какао-бобов и получения отходов (кака-веллы и какао-шрота), которые в настоящее время стали использоваться для изготовление какао0порошков промышленного применения.  Об использовании разработанных компанией «Новые технологии» роторно-вихревых мельниц для переработки какао-веллы с жирностью до 12% и косметического какао-шрота (шрота какао, полученного без обжарки какао-бобов и без отделения  какао-веллы) с жирностью до 16% читайте в других статьях данного раздела нашего сайта. 

Содержание:
1.Дробление какао бобов
2.Сепарирование
3.Контроль помола какао-бобов и использование получаемых продуктов
4.Измельчение какао-крупки на дисковых мельницах
5.Использование штифтовых мельниц

1.Дробление какао-бобов.
Наиболее ценной частью какао-боба является ядро. Его оболочка  - какавелла (12-17% от массы боба)  в настоящее время уходит в отходы производства. Однако наличие в ней, как  и в лузге других зерен и бобов (рис, гречиха и т.п.), большого количества полезных компонентов (минералы, витамины, 5-12% какао-масла) заставляет производителей искать пути переработки и ее для повышения рентабельности бизнеса и снижения расходов на утилизацию отходов производства. Задача каждого производителя — как можно лучше отделить оболочку какао-бобов от ядра с помощью оборудования для дробления и воздушного сепарирования, о котором пойдет речь в данной статье. Причина отделения веллы – ее твердость и абразивность, на которую не рассчитаны мельницы, которые потом перерабатывают какао-бобы в какао-масло и в какао-шрот. На сегодня в мире нет оборудования, способного эффективно перерабатывать какао-боб до требуемой тонины (D100=100мкм, D50=40мкм) без отделения какао-веллы.

Состав какао-боба.
При ручном сепарировании типичный состав сырого какао-боба с содержанием влаги 6,5% является следующим: ядро какао-боба — 87,1%, оболочка какао-боба (какао-велла) — 12,0 %, росток — 0,9%. Содержание влаги в сырой оболочке (какао-велле) какао-боба может достигать 8-10%, а в сыром ядре какао-боба — 4-5%. После обжарки содержание влаги в ядре какао-боба снижается до 1,5-3% (в зависимости от степени обжарки). В его оболочке (лузге) влажность выше — примерно до 4%. Общие потери влаги сырого какао-боба могут достигать 5%. Если предположить, что оболочка какао-боба (какао-велла)  в процессе сепарации (веяния) отделяется полностью, общая потеря массы составит 17%. Таким образом, выход обжаренных ядер какао-бобов составит 83%. 

Поскольку технологии провеивания далеки от совершенства, возможная примесь оболочки (какао-веллы)  в какао-крупке составляет 1-1,5%, что означает чистый выход ядра какао-боба менее 82%. 

Зародыши присутствуют обычно в мелких частицах ядра какао-боба, образующихся в процессе веяния. В крупных фрагментах примесь оболочки какао-бобов составляет не более 0,5%. По некоторым данным, при надлежащем контроле обжарки и провеивания выход ядра какао-боба с содержанием влаги в 1,5% может составлять от 82,5 до 83,5%. Так как какао-масло очень дорогое, был проведен ряд исследований по увеличению выхода ядра какао-боба. Совершенствовалось сепарационное оборудование, изучались методы предварительного нагрева и обжарки какао-бобов с тем, чтобы на стадии дробления уменьшить количество мельчайших фракций, а также снизить перенос какао-масла из ядра какао-боба в какао-веллу.

2.Сепарирование
Основной принцип, по которому осуществляется сепарирование, зависит от разницы в плотности ядра какао-боба и какао-веллы. В сепарационном оборудовании используют две операции: просеивание и воздушное сепарирование. С помощью обжарки или частичного высушивания какао-бобов их оболочка отделяется, после чего какао-бобы слегка измельчают, избегая при этом образования мелких фракций и пыли. В качестве первых дробилок, с помощью которых размалывались какао-бобы, использовали зубчатые вальцы. В современных машинах применяются ударные вальцы, состоящие из двух шестигранных вальцов, которые вращаются в одном направлении и ударяют какао-бобы о металлические пластины. 

Изменения коснулись также конструкции сит и методов воздушного сепарирования. В более старом оборудовании применялись вращающиеся барабаны или плоские вибросита с калиброванными ячеями — образовывался поток сломанных какао-бобов разных размеров, на который действовали встречные воздушные потоки, скорость которых могла регулироваться в зависимости от размера падающих частиц. При правильной настройке такой метод дает максимально эффективное сепарирование.

В современном оборудовании используют рамные сита с ячейками разных размеров на нескольких уровнях, причем сито с самой крупной ячеей находится сверху. Фрагменты оболочки какао-бобов удаляются пневмоотсосом с каждого сита, а оставшиеся фрагменты ядра какао-бобов направляются на лотки, установленные по бокам. Сита не засоряются благодаря вибрации и специальной системе очистки. Мелкие пылевые частицы собираются в системе циклонов, располагаемой после сепаратора. Целью сепарирования является разделение двух основных фракций: ядер какао-бобов (какао-крупки) с минимальным содержанием какаовеллы и зародышей, и частиц собственно оболочки какао-боба (какао-веллы), которые также сортируют и очищают от примесей ядер.

Как уже отмечалось, произведенная промышленным способом какао-крупка, может содержать 1,5% частиц какао-веллы и некоторое небольшое количество зародышей. При производстве какао-продуктов сверхтонкого помола именно частицы оболочки и зародышей дают осадок в напитке. Некоторые сепараторы оснащены росткоотбивочными устройствами, но обычно они малоэффективны. 

Чтобы получить какао-крупку с минимальным содержанием какаовеллы и зародышей, на выходе сепаратора рекомендуется избегать смешивания потоков ядер и оболочки какао-бобов. Наиболее крупные ядра какао-бобов содержат минимум какаовеллы и ростков. Ростки, как правило, очень твердые, но с помощью современных систем рафинирования их можно с успехом измельчить так, что на рецептуре большинства шоколадных изделий они не скажутся. 
Путем настройки сепаратора или с помощью устройства отражающих экранов для отклонения шероховатых ядер какао-бобов от первых приемных лотков можно получить какао-крупку, содержащую менее 0,5% какаовеллы и совсем небольшое количество ростков. Для производства какао-порошка сверхтонкого помола это очень важно. У машин старого образца для дальнейшей очистки материала после выхода из сепаратора зачастую применяли повторное сепарирование с другими настройками.

Принципиальная схема сепаратора Bauenneister приведна на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия сепаратора:
1 — вибросито для отделения сломанных какао-бобов; 2 — дробилка с ударными вальцами; 3 — вибросито и подача воздуха.
Использовано с разрешения Bauermeister Maschinen Fabrik, г. Гамбург, ФРГ.

Замечание редакции сайта.
Как указывалось выше, к современному оборудованию, выполняющему функции  просеивания и сепарирования имеются вопросы относительно его эффективности. В этом ключе интересно было бы попробовать использовать для сепарирования высокочастотный грохот израильской фирмы «Круш-технолоджиз» (www.croosh.com), дилером которой является наша компания и который имеется в нашей лаборатории . 

3.Контроль помола какао-бобов и использование получаемых продуктов

Из предыдущего описания видно, что процесс сепарирования требует регулярного и тщательного контроля. Наличие какао-веллы в какао-крупке и какао-крупки в какао-велле следует проверять несколько раз в день. Также необходимо регулярно проверять содержание какао-масла в какао-крупке в разных точках на выходе, так как эти данные позволяют судить о соотношении частиц какао-веллы и какао-крупки (исходя из того, что содержание какао-масла в какао-крупке — 54%, а в какао-велле - 2,5%).

Если технологический контроль осуществляется недостаточно, доля готовой какао-крупки может снизиться до 80% (вместо 83-84%). Установлено, что каждый процент потерь какао-крупки дает удорожание продукции на 1,25%. Кроме того, содержание фрагментов какао-веллы в какао-крупке более 1,5% может серьезно отразиться на качестве изделий. Избыток мелких фрагментов какао-крупки или какао-веллы приводит к неполному выходу. При размере частиц 2 мм и менее машина не может определить разницу между какао-крупкой и какао-веллой, в связи с чем большое значение имеют технологии обжарки и дробления какао-бобов. При хороших технологиях обжарки и сепарирования доля частиц какао-крупки размером более 3 мм должна составлять 85-90%.

Ниже мы приводим данные репрезентативных исследований фрагментов на разных выходах сепаратора. Как уже отмечалось выше, об эффективности сепарирования и предшествующих технологических операций помогает судить регулярный контроль проб.

Крупная какао-крупка:
Содержание влаги	2,0-3,5% (в зависимости от степени обжарки)
Содержание какао-масла	52,5-55,5%
Содержание какаовеллы	0,2-1,5%

Мелкая какао-крупка:
Содержание влаги	3,5-6,0%;
Содержание какао-масла     35,0-48,0%. Мелкую какао-крупку, смешанную с некоторым количеством ростков и пыли, иногда подвергают дальнейшему сепарированию. «Остатки» чистой крупки могут быть использованы в производстве второсортного шоколада или какао-продуктов, а также включаются в состав смесей для шнекового прессования и экстракции.

Пыль какао-крупки:
Содержание влаги	3,8-7,5%;
Содержание какао-масла     30,0-36,0%.  
Она не пригодна для производства шоколада и какао-продуктов, содержит частицы оболочек и ростков, может содержать до 1,5% крупицы какао-крупки. Применяется в составе смесей для шнекового прессования и экстракции.

Пыль какао-веллы, циклонная пыль:
Содержание влаги	7,0-9,0%;
Содержание какао-масла (включая жир    5,0-17,0%.
какаовеллы оболочки).
Это очень неоднородный продукт, состоящий в основном из частиц какаовеллы и пыли какао-крупки, может содержать крупицу какао-крупки. Не пригодна для питания людей, но в дальнейшем может быть разделена на пыль какао-веллы и пыль какао-крупки. Пригодна для использования в смеси для шнекового прессования pi экстракции.

Какао-велла
Содержание влаги     8,0-10,00%; Содержание жира      2,0 - 3,0 %.
Жиры какаовеллы отличаются по составу от какао-масла. Какао-велла представляет небольшую коммерческую ценность, однако известны попытки использовать этот побочный продукт. Если учесть, что мировой урожай какао-бобов составляет около 1 200 000 т в год, то доля какао-веллы составляет до 140 000 т.
Было установлено присутствие в какао-велле витамина D. При добавлении какао-веллы в корма для коров было отмечено повышение содержания витамина D в удоях. Использование какаовеллы в кормах для животных ограничено содержанием в них ядовитого для многих животных теобромина (особенно для птицы). Содержание теобромина не должно превышать 0,027 г на 1 кг массы тела животного (птицы).
На некоторых предприятиях какао-веллу используют в качестве дополнительного топлива, а также как наполнитель для пластмасс. Какао-велла может служить компонентом удобрений, благодаря содержанию в ней азота, калия и фосфора, а также органической природе, способствующей образованию гумуса.

Долгое время считалось, что какао-велла не представляет пищевой ценности для человека, будучи практически неперевариваемой из-за высокого содержания целлюлозы. Однако в последние годы пищевую клетчатку стали ценить, как полезное для пищеварения средство.
Был описан способ утилизации какао-веллы для производства пищевой клетчатки. Содержание алкалоидов уменьшают в ходе мойки. Из-за высокого содержания целлюлозы выход клетчатки в три раза превышает содержание клетчатки в ядре какао-бобов (из расчета на обезжиренный материал). Это важно для выявления какао-веллы в какао-порошке и в тех смесях, где она считается нежелательной. 

Выжимки после шнекового пресса 
Некоторые продукты сепарирования, описанные выше, подвергают воздействию шнекового (винтового) пресса, удаляя при этом часть какао-масла. В полученных выжимках содержание жира может быть снижено до 8%.  Остаточный жир, содержащий малую долю жира оболочки, можно экстрагировать и использовать в производстве некоторых видов шоколада и кондитерских изделий. Обезжиренные выжимки с остатками оболочек, как правило, уничтожают, но иногда их используют в удобрениях или для экстрагирования теобромина. 
4.Измельчение какао-крупки на дисковых мельницах 
Существует много машин, перерабатывающих какао-крупку в какао тертое, которое является основой для производства шоколада. Ядро какао-боба (какао-крупка) имеет клеточную структуру, содержащую какао-масло, при этом на долю какао-масла приходится около 55% состава. В процессе измельчения стенки клеток разрушаются, тепло от трения расплавляет какао-масло, размер частиц остальных нежировых компонентов уменьшается и смесь постепенно становится более текучей. Вязкость какао тертого зависит от степени обжарки какао-крупки перед измельчением, а также от содержания в какао-крупке влаги. Белки какао-крупки в разной степени разрушаются во время обжарки, а в процессе измельчения может уменьшиться содержание влаги.

На протяжении многих лет оборудование представляло собой жерновые мельницы с тремя парами последовательно расположенных горизонтальных каменных жерновов. В каждой паре жерновов один (нижний) был фиксированным, а другой (верхний) — вращающимся. Степень помола и выход можно было регулировать путем выбора расстояния между жерновами. Какао-крупка и частично какао тертое подавались в центр жерновов и по мере их переноса к периферии проходило измельчение. Для улучшения измельчения в жерновах проделывались «дорожки», которые приходилось постоянно обновлять.

Ситуация улучшилась с внедрением алокситовых жерновов, подверженных меньшему износу, а вскоре распространение получили специальные мельницы со стальными дисками с пазами. Первые модели представляли собой две дисковые мельницы, одна из которых предназначалась для приема и дробления какао-крупки, а вторая вырабатывала окончательный концентрат. 
В каждой мельнице имелся один фиксированный и один вращающийся стальной диск, а выход и степень измельчения можно было менять, регулируя расстояние между ними. В более поздней модели работали две вертикально смонтированные дисковые мельницы с двумя фиксированными и одним вращающимся диском, расстояние между которыми тоже менялось.

В первых мельницах какао тертое подвергалось воздействию очень высоких температур, в результате чего оно и извлеченное какао-масло приобретали сильно выраженные вкусо-ароматические свойства, что неприемлемо для изготовление шоколада с тонким ароматом, особенно молочного. 

Современные мельницы для производства какао тертого оснащены горизонтальными валками, расположенными в три ряда. Полностью или частично молотая какао-крупка поступает в центр верхнего валка и первая фракция размола какао тертого появляется на окружности валка. Она направляется в центр второго валка, после которого какао тертое переходит на третий валок мельницы для окончательного перемалывания. Во избежание перегрева какао тертого предусмотрено охлаждение валков мельницы, а зазор между ними может точно регулироваться. Такие трехвалковые мельницы могут перерабатывать до 1000 кг какао-бобов/ч и производить при этом какао тертое очень тонкого помола (99%). Схема такой трехвалковой мельницы приведена на рис. 2.

Рис. 2. Трехвалковая мельница СМА для производства какао тертого:
1 — привод; 2 — серводвигатель; 3 — редуктор; 4 — нижняя пара валков;                                 5 — пневматический регулятор расстояния; 6, 8 — выпускной желоб; 7 — центральная пара валков; 9 — нижний валок верхней пары; 10 — верхний валок верхней пары;                         11 — питающий насос.
Использовано с разрешения Lehmann Maschinen Fabrik Aalen Wurn, ФРГ

5.Использование штифтовых мельниц
Другой метод измельчения связан с использованием ударных или штифтовых мельниц, смонтированных над трехвалковой мельницей. Фото такого агрегата приведено на рис. 3.

Ударно-штифтовая мельница состоит из двух дисков со стальными штифтами (пальцами). Шнековый транспортер с регулируемой скоростью подает какао крупку сверху на диски, вращающиеся в противоположных направлениях. Для удаления металлических частиц, которые могут оказаться в какао-крупке, устройство снабжено магнитом-металлоуловителем.
Скорость вращения дисков и расположение штифтов выбираются так, что  какао-крупка превращается в какао тертое с размером твердых частиц от 90 до120 мкм.
Затем какао тертое поступает в распределительную камеру с несколькими выпускными отверстиями, благодаря чему оно равномерно распределяется по длине питающего валка. Давление этого валка регулируется гидравлически, а охлаждающая вода для всех валков термостатируется. Информация о работе всех элементов мельницы выводится на индикаторы, расположенные на боковой панели.

Технические аспекты измельчения какао-бобов в какао тертое подробно описаны в соответствующей литературе, где рассмотрены также преимущества комбинирования мельниц ударо-растирочного действия с последующим трёхвалковым измельчителем. Утверждается, что при этом достигается очень низкая вязкость какао тертого, которую невозможно обеспечить при одноэтапном измельчении.

От редакции сайта:
Об использовании разработанных компанией «Новые технологии» роторно-вихревых мельниц для переработки какао-веллы с жирностью до 12% и косметического какао-шрота (шрота какао, полученного без обжарки какао-бобов и без отделения  какао-веллы) с жирностью до 16% читайте в других статьях данного раздела нашего сайта.