Thành phần hóa học của cà phê

Đọc trong: 12 phút

Thành phần hóa học của cà phê nhân xanh (chưa qua rang) rất phức tạp và đa dạng, bao gồm carbohydrate, lipid, protein, alkaloid, axit hữu cơ, khoáng chất và nhiều hợp chất khác. Trong đó, carbohydrate chiếm tỷ lệ lớn nhất, khoảng 40–65% khối lượng khô. Hàm lượng và sự phân bố của các hợp chất này không chỉ phản ánh đặc tính sinh hóa của hạt mà còn cung cấp nguồn tiền chất quan trọng cho sự hình thành hương vị trong quá trình rang.

Đáng chú ý, thành phần hóa học có sự khác biệt nhất định giữa hai loài cà phê thương mại chủ yếu là Arabica (Coffea arabica) và Robusta (Coffea canephora).

Carbohydrate (đường và polysaccharide)

Carbohydrate là nhóm hợp chất chiếm tỷ lệ lớn nhất trong cà phê nhân xanh, khoảng 40–65% khối lượng khô. Nhóm này gồm các loại đường phân tử thấp, có khả năng hòa tan và các polysaccharide có phân tử lượng cao, chủ yếu tham gia cấu tạo thành tế bào.

Đường phân tử thấp và hòa tan (Low Molecular Weight Carbohydrates)

  • Sucrose (saccharose): Là loại đường tự do chủ yếu trong cà phê nhân xanh, chiếm hơn 90% tổng lượng đường tự do. Arabica thường chứa hàm lượng sucrose cao hơn Robusta, với khoảng 6–9% khối lượng khô ở Arabica và 3–6% ở Robusta.
  • Oligosaccharide và monosaccharide tự do: Hiện diện với hàm lượng thấp hơn nhiều, bao gồm raffinose, stachyose, glucose, fructose, galactose và arabinose. Trong đó, raffinose và stachyose là các oligosaccharide, còn glucose, fructose, galactose và arabinose là các monosaccharide.

Polysaccharide cấu trúc (High Molecular Weight Carbohydrates)

  • Galactomannan: Là một trong những polysaccharide dồi dào nhất trong cà phê nhân xanh, chiếm khoảng 19–22% khối lượng khô. Hợp chất này có cấu trúc gồm mạch chính β-(1→4)-D-mannose và các nhánh D-galactose liên kết α-(1→6), góp phần tạo nên cấu trúc thành tế bào của hạt.
  • Arabinogalactan loại II: Chiếm khoảng 14–17% khối lượng khô, với hàm lượng ở Arabica thường khoảng 14% và Robusta khoảng 17%. Hợp chất này có thể liên kết cộng hóa trị với protein, tạo thành các phức hợp arabinogalactan-protein (AGP).
  • Cellulose: Chiếm khoảng 7–9% khối lượng khô, là một polymer gồm các đơn vị glucose liên kết β-(1→4). Cellulose góp phần tạo nên độ bền cơ học và cấu trúc vững chắc của thành tế bào hạt cà phê.

Các axit aliphatic chính trong cà phê nhân xanh

Trong cà phê nhân xanh, các axit hữu cơ không bay hơi, chủ yếu gồm axit aliphatic và axit quinic, chiếm khoảng 2,0–2,9% khối lượng khô ở Arabica và 1,3–2,2% ở Robusta. Trong nhóm axit aliphatic, axit citric và axit malic là hai thành phần nổi bật, chiếm hơn 50% tổng lượng axit aliphatic theo các số liệu được ghi nhận.

Axit citric (Citric acid, C₆H₈O₇)

Axit citric thường là axit aliphatic có hàm lượng cao nhất trong cà phê nhân xanh. Ở Arabica, hàm lượng axit citric dao động khoảng 0,85–1,36% khối lượng khô, tương đương 852–1.360 mg/100 g. Ở Robusta, hàm lượng này vào khoảng 0,61–1,35%, tương đương 608–1.350 mg/100 g.

Về cảm quan, axit citric góp phần tạo nên vị chua tươi sáng, sắc nét, thường gợi liên tưởng đến các loại trái cây họ cam, chanh. Khi kết hợp với những axit khác, chẳng hạn axit phosphoric, đặc tính chua có thể gợi lên những liên tưởng phức hợp hơn, như vị bưởi (grapefruit).

Axit malic (Malic acid, C₄H₆O₅)

Axit malic thường đứng thứ hai về hàm lượng trong nhóm axit aliphatic của cà phê nhân xanh. Arabica chứa khoảng 0,41–0,52% khối lượng khô, tương đương 414–520 mg/100 g, trong khi Robusta chứa khoảng 0,25–0,30%, tương đương 247–295 mg/100 g.

Về cảm quan, axit malic góp phần tạo vị chua gợi liên tưởng đến táo xanh, lê và một số loại quả hạch như mận. Đặc tính chua của axit malic thường được mô tả là mọng nước, tương đối êm dịu và có thể kéo dài trong hậu vị, tùy thuộc vào nền thành phần của cà phê và cách pha chế.

Các axit aliphatic khác

Ngoài axit citric và axit malic, cà phê nhân xanh còn chứa nhiều axit aliphatic khác với hàm lượng thấp hơn, bao gồm:

  • Axit lactic, axit acetic và axit formic: Có thể hiện diện ở hàm lượng thấp trong hạt xanh chưa qua lên men. Nồng độ của chúng có thể tăng lên đáng kể khi hạt trải qua quá trình lên men sau thu hoạch.
  • Axit succinic, axit oxalic, axit tartaric, axit pyruvic, axit ascorbic và axit glycolic: Hiện diện với hàm lượng khác nhau tùy giống và điều kiện sinh trưởng. Chẳng hạn, axit ascorbic được ghi nhận ở mức khoảng 308–337 mg/100 g, trong khi axit succinic dao động khoảng 13–170 mg/100 g trong các số liệu được dẫn.

Sự biến đổi hàm lượng axit trong quá trình quả chín

Trong quá trình phát triển và chín của quả cà phê, thành phần và nồng độ axit hữu cơ liên tục thay đổi do các hoạt động chuyển hóa của tế bào thực vật. Axit citric và axit malic tham gia vào các con đường chuyển hóa trung tâm, đặc biệt là chu trình axit tricarboxylic (TCA), đồng thời có thể được tổng hợp, chuyển hóa hoặc tích lũy tùy theo giai đoạn phát triển của quả.

Khi quả chín, hàm lượng các axit này biến động theo giống, điều kiện canh tác và mức độ trưởng thành. Một số nghiên cứu ghi nhận xu hướng axit malic giảm trong khi axit citric tăng ở những giai đoạn nhất định. Tuy nhiên, đây không phải quy luật cố định cho mọi giống và điều kiện canh tác.

Sự trao đổi axit hữu cơ giữa môi trường lên men và hạt cà phê

Các axit hữu cơ hình thành trong quá trình lên men có thể tiếp xúc và trao đổi với hạt cà phê thông qua các lớp cấu trúc bên ngoài. Mức độ thâm nhập của từng axit phụ thuộc vào đặc tính hóa lý của hợp chất, nồng độ trong môi trường, thời gian tiếp xúc và trạng thái của hạt.

Axit lactic và axit acetic là những sản phẩm chuyển hóa thường được quan tâm trong quá trình này. Sự hiện diện và tích lũy của chúng có thể làm thay đổi thành phần axit hữu cơ, độ axit chuẩn độ (titratable acidity) và pH của hạt sau sơ chế. Tuy nhiên, mức độ biến đổi không chỉ phụ thuộc vào sự thẩm thấu từ môi trường bên ngoài mà còn liên quan đến hoạt động chuyển hóa nội sinh của hạt và điều kiện chế biến.

Nhìn chung, quá trình lên men không đơn thuần làm tăng tổng lượng axit mà còn thay đổi thành phần và tỷ lệ tương đối giữa các axit hữu cơ. Những biến đổi này, kết hợp với các sản phẩm chuyển hóa khác của vi sinh vật, góp phần tạo nên sự khác biệt về đặc tính cảm quan giữa các phương pháp sơ chế cà phê.

Lipid (chất béo và lớp sáp cà phê)

Hàm lượng lipid trong cà phê nhân xanh có sự khác biệt rõ rệt giữa hai loài. Arabica thường chứa khoảng 15–18% lipid, trong khi Robusta chứa khoảng 8–12%, tính theo khối lượng khô. Lipid phân bố chủ yếu trong nội nhũ hạt, ngoài ra còn hiện diện ở lớp sáp bao phủ bề mặt.

Dầu cà phê (Coffee Oil)

Dầu cà phê chứa nhiều nhóm hợp chất khác nhau, trong đó đáng chú ý là triglyceride, axit béo, diterpene, sterol và tocopherol.

  • Triglyceride: Là thành phần lipid chủ yếu, chiếm tỷ lệ lớn trong dầu cà phê.
  • Axit béo (Fatty Acids): Hai axit béo chiếm tỷ lệ đáng kể nhất là axit linoleic (C18:2), khoảng 36–54%, và axit palmitic (C16:0), khoảng 27–41%. Ngoài ra, dầu cà phê còn chứa axit oleic, axit stearic và axit arachidic.
  • Diterpene: Thuộc nhóm hợp chất có khung carbon kaurane, chủ yếu gồm cafestol và kahweol. Một hợp chất đáng chú ý khác là 16-O-methylcafestol (16-OMC), thường được sử dụng làm chỉ thị hóa học để phân biệt Robusta với Arabica trong phân tích độ nguyên chất của cà phê. Hợp chất này hiện diện đặc trưng trong Robusta nhưng không có hoặc chỉ xuất hiện ở mức không đáng kể trong Arabica tự nhiên.
  • Sterol và tocopherol: Dầu cà phê chứa các sterol ở dạng tự do hoặc ester hóa, chẳng hạn β-sitosterol, stigmasterol và campesterol. Ngoài ra, tocopherol, bao gồm α-tocopherol và β-tocopherol, cũng hiện diện trong thành phần lipid và góp phần vào hoạt tính chống oxy hóa.

Sáp cà phê (Coffee Wax)

Lớp sáp cà phê là một màng lipid mỏng bao phủ bề mặt ngoài của hạt nhân xanh, chiếm khoảng 0,2–0,3% tổng lượng lipid. Thành phần đặc trưng của lớp sáp là 5-hydroxytryptamide của axit cacboxylic (C-5-HT), một nhóm hợp chất gồm các dẫn xuất serotonin liên kết với axit béo chuỗi dài, như axit arachidic, behenic và lignoceric. Hàm lượng C-5-HT trong lớp sáp của Arabica thường cao gần gấp đôi Robusta.

Các hợp chất chứa nitơ

Các hợp chất chứa nitơ chiếm khoảng 11–15% khối lượng khô của cà phê nhân xanh, bao gồm protein, axit amin tự do, alkaloid và một số hợp chất chứa nitơ khác. Đây là nhóm chất quan trọng đối với các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình rang, đặc biệt là phản ứng Maillard và sự hình thành các hợp chất hương thơm.

Protein và axit amin tự do

  • Protein: Chiếm khoảng 8,5–12% khối lượng khô, với giá trị trung bình khoảng 11,5% khi loại trừ phần nitơ có nguồn gốc từ alkaloid. Protein dự trữ chủ yếu trong hạt cà phê là 11S-globulin, một loại protein có vai trò dự trữ nitơ và axit amin cho quá trình nảy mầm.
  • Axit amin tự do: Chiếm tỷ lệ nhỏ, khoảng 0,2–0,8% khối lượng khô. Các hợp chất phổ biến gồm axit glutamic, axit aspartic và asparagine. Trong quá trình rang, axit amin tự do tham gia phản ứng Maillard với đường khử, góp phần hình thành các hợp chất hương thơm và màu sắc đặc trưng của cà phê rang.

Alkaloid (Ancaloit)

  • Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine): Là alkaloid chủ yếu trong cà phê, góp phần tạo vị đắng và có tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương. Hàm lượng caffeine ở Robusta thường cao hơn khoảng hai lần so với Arabica. Robusta chứa khoảng 1,4–4,0%, phổ biến ở mức 1,7–2,4%; trong khi Arabica chứa khoảng 0,8–1,4%, phổ biến ở mức 1,0–1,2%. Trong hạt xanh, caffeine có thể tương tác và hình thành các phức hợp với axit chlorogenic.
  • Trigonelline: Là một alkaloid có cấu trúc pyridine, hiện diện với hàm lượng khoảng 0,6–1,2% ở Arabica và 0,3–0,9% ở Robusta. Trong quá trình rang, trigonelline bị phân hủy một phần, tạo thành các hợp chất như pyridine và N-methylpyridinium, đồng thời góp phần hình thành các hợp chất hương thơm đặc trưng.
  • Các alkaloid phụ: Theobromine và theophylline cũng hiện diện trong hạt cà phê xanh, nhưng với hàm lượng rất thấp so với caffeine.

Amin sinh học và polyamine

Ngoài protein, axit amin và alkaloid, cà phê nhân xanh còn chứa một lượng nhỏ các amin sinh học và polyamine như putrescine, spermidine, spermine và serotonin. Các hợp chất này tham gia vào những quá trình sinh hóa của hạt và có thể góp phần vào các biến đổi hóa học xảy ra khi rang.

Axit chlorogenic (CGAs) và các hợp chất phenolic

Axit chlorogenic (CGA) là nhóm hợp chất phenolic dồi dào nhất trong cà phê nhân xanh. Về mặt hóa học, nhóm này chủ yếu gồm các ester hình thành từ axit quinic và các axit hydroxycinnamic, bao gồm axit caffeic, axit ferulic và axit p-coumaric. CGA có vai trò quan trọng trong đặc tính hóa học của hạt xanh, đồng thời là tiền chất của nhiều hợp chất được hình thành trong quá trình rang, ảnh hưởng đến vị đắng, màu sắc và hương vị của cà phê.

Hàm lượng tổng số

Hàm lượng CGA khác biệt đáng kể giữa hai loài cà phê thương mại. Robustathường chứa khoảng 7,0–14,4% khối lượng khô, phổ biến ở mức 7–10%; trong khi Arabica chứa khoảng 2,1–7,8%, phổ biến ở mức 4–6%. Nhìn chung, hàm lượng CGA trong Robusta cao hơn rõ rệt so với Arabica.

Các nhóm ester chính

  • Caffeoylquinic acids (CQA): Chiếm khoảng 70–85% tổng lượng CGA. Trong nhóm này, 5-CQA (5-O-caffeoylquinic acid) là hợp chất phổ biến nhất, chiếm khoảng 50–60% tổng CGA. Hai đồng phân còn lại là 3-CQA và 4-CQA.
  • Dicaffeoylquinic acids (diCQA): Chiếm khoảng 10–20% tổng lượng CGA, bao gồm ba đồng phân chính là 3,4-diCQA, 3,5-diCQA và 4,5-diCQA. Các hợp chất này chứa hai nhóm caffeoyl liên kết với axit quinic.
  • Feruloylquinic acids (FQA): Chiếm khoảng 5–10% tổng lượng CGA, gồm các đồng phân 3-FQA, 4-FQA và 5-FQA. Chúng được hình thành từ sự ester hóa giữa axit quinic và axit ferulic.
  • Các ester phụ khác: Bao gồm p-coumaroylquinic acids (p-CoQA), caffeoyl-feruloylquinic acids (CFQA) và một số dẫn xuất khác. Mặc dù có hàm lượng thấp hơn, các hợp chất này vẫn góp phần tạo nên sự đa dạng về thành phần phenolic của cà phê nhân xanh.

Trong quá trình rang, CGA trải qua nhiều biến đổi hóa học, bao gồm đồng phân hóa, phân hủy, lacton hóa và các phản ứng thứ cấp tạo thành những hợp chất phenolic khác. Các sản phẩm này góp phần định hình vị đắng, màu sắc và đặc tính cảm quan của cà phê rang. Mức độ biến đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian rang và mức độ rang, đồng thời có sự khác biệt giữa Arabica và Robusta do chênh lệch về hàm lượng CGA ban đầu.

Các thành phần hóa học quan trọng trong cà phê được liệt kê trong minh họa sau:

Khoáng chất (Minerals / Ash)

Khoáng chất chiếm khoảng 3,0–5,4% khối lượng khô của cà phê nhân xanh. Đây là nhóm thành phần vô cơ có nguồn gốc chủ yếu từ quá trình hấp thu dinh dưỡng của cây cà phê, đóng vai trò trong các hoạt động sinh lý của hạt và góp phần vào những biến đổi hóa học xảy ra trong quá trình rang.

Khoáng đa lượng (Macrominerals)

Kali (K) là nguyên tố khoáng dồi dào nhất trong cà phê nhân xanh, chiếm khoảng 40% tổng hàm lượng khoáng, tương đương 1,1–2,1% khối lượng khô của hạt. Ngoài kali, các khoáng đa lượng quan trọng khác gồm phospho (P), canxi (Ca), magie (Mg) và lưu huỳnh (S). Những nguyên tố này tham gia vào nhiều chức năng sinh hóa, từ điều hòa cân bằng ion đến cấu trúc và hoạt động của các phân tử sinh học trong hạt.

Khoáng vi lượng (Microminerals)

Cà phê nhân xanh còn chứa các nguyên tố vi lượng như sắt (Fe), mangan (Mn), đồng (Cu), kẽm (Zn) và boron (B). Mặc dù hiện diện với hàm lượng thấp hơn, chúng vẫn cần thiết cho nhiều quá trình sinh lý và hoạt động enzyme của cây cà phê. Hàm lượng các nguyên tố khoáng có thể khác nhau giữa Arabica và Robusta: Robusta có xu hướng tích lũy phospho và đồng cao hơn, trong khi Arabica thường chứa hàm lượng mangan cao hơn.

Nhìn chung, thành phần khoáng chất của cà phê nhân xanh chịu ảnh hưởng của giống, điều kiện thổ nhưỡng, nguồn dinh dưỡng và môi trường canh tác. Trong quá trình rang, các khoáng chất tương đối bền nhiệt, nhưng có thể tham gia vào những tương tác hóa học với các thành phần khác, qua đó ảnh hưởng gián tiếp đến đặc tính của cà phê rang.

Nguồn tham khảo:

Cập nhật vào 29/10/2026