Trong quả và hạt cà phê, axit là nhóm hợp chất quan trọng, góp phần hình thành độ chua (acidity), vị đắng (bitterness) và hương thơm (aroma) đặc trưng của cà phê. Tổng hàm lượng axit chiếm khoảng 7–12% khối lượng khô của hạt cà phê nhân xanh. Sau quá trình rang, tỷ lệ này giảm còn khoảng 6% trong cà phê rang. Khi chiết xuất, axit có thể chiếm tới 16% tổng lượng chất hòa tan.
Về thành phần hóa học, hệ thống axit trong cà phê được chia thành bốn nhóm chính, bên cạnh các axit béo và axit amin.
Axit Chlorogenic (Chlorogenic Acids – CGAs)
Axit Chlorogenic là nhóm hợp chất phenolic phổ biến nhất trong hạt cà phê. Về cấu trúc hóa học, chúng là các este hình thành từ axit quinic và các axit hydroxycinnamic, chủ yếu gồm axit caffeic, ferulic và p-coumaric.
Các thành phần chính của nhóm CGA bao gồm:
- Caffeoylquinic acids (CQAs): Chiếm khoảng 70–85% tổng lượng CGA. Trong đó, 5-CQA (5-O-caffeoylquinic acid) là hợp chất phổ biến nhất, chiếm khoảng 50–62%.
- Dicaffeoylquinic acids (diCQAs): Gồm các đồng phân 3,4-diCQA, 3,5-diCQA và 4,5-diCQA, chiếm khoảng 10–20%.
- Feruloylquinic acids (FQAs): Gồm 3-FQA, 4-FQA và 5-FQA, chiếm khoảng 5–13%.
- p-Coumaroylquinic acids (p-CoQAs): Có hàm lượng nhỏ hơn, cùng một số este hỗn hợp khác.
Sự khác biệt giữa Arabica và Robusta: Hàm lượng CGA trong hạt Robusta thường cao hơn đáng kể, dao động khoảng 7–14% khối lượng khô, trong khi Arabica chỉ khoảng 3–8%.
Biến đổi trong quá trình rang: CGA kém bền nhiệt và có thể bị phân hủy tới 95% ở mức rang đậm. Trong giai đoạn đầu, các hợp chất này xảy ra hiện tượng di chuyển nhóm acyl (acyl migration), sau đó chuyển hóa thành các hợp chất lacton, thường gọi là Chlorogenic Acid Lactones (CGLs hoặc quinides), tiêu biểu như 3-CQL và 4-CQL.
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, CGLs bị phân hủy thành axit quinic tự do và các hợp chất phenolic như guaiacol, 4-vinylguaiacol, catechol. Ở mức rang đậm, một phần sản phẩm phân hủy tiếp tục tham gia phản ứng trùng hợp, hình thành các hợp chất phenylindanes.
Đóng góp vào hương vị: CGA nguyên bản chỉ đóng góp một phần vào cảm nhận vị chua và vị chát (astringency). Tuy nhiên, các sản phẩm chuyển hóa của chúng trong quá trình rang lại có vai trò quan trọng đối với vị đắng của cà phê. Cụ thể, CGLs tạo vị đắng dịu, tương đối dễ chịu, trong khi phenylindanes hình thành ở mức rang đậm góp phần tạo nên vị đắng gắt và kéo dài.
Nhóm Axit Aliphatic
Axit Aliphatic là nhóm axit hữu cơ có vai trò quan trọng trong việc hình thành độ chua cảm nhận (perceived acidity) và độ chua chuẩn độ (titratable acidity) của cà phê. Các nghiên cứu đã ghi nhận khoảng 18 loại axit thuộc nhóm này trong hạt cà phê, bao gồm cả axit bay hơi và không bay hơi.
Một số axit tiêu biểu gồm:
Axit Citric: Có sẵn trong hạt cà phê nhân xanh, với hàm lượng khoảng 0,62–1,15%, giảm còn 0,44–0,85% sau khi rang. Arabica thường chứa nhiều axit citric hơn Robusta. Hợp chất này tạo cảm giác chua tươi sáng, rõ nét, gợi nhớ đến trái cây họ cam chanh. Trong quá trình rang, một phần axit citric bị phân hủy thành các axit khác như citraconic, itaconic, mesaconic, glutaric và succinic.
Axit Malic: Chiếm khoảng 0,3–0,7% trong hạt nhân xanh, với hàm lượng ở Arabica thường cao hơn Robusta. Axit malic tạo cảm giác chua dịu, mượt mà, gợi nhớ đến vị chua của táo. Khi rang, một phần hợp chất này bị phân hủy thành axit fumaric và axit maleic.
Axit Acetic: Có hàm lượng rất thấp trong hạt nhân xanh nhưng được hình thành đáng kể trong quá trình rang, chủ yếu từ sự phân hủy carbohydrate thông qua các phản ứng Maillard và caramel hóa. Hàm lượng axit acetic thường đạt đỉnh ở mức rang nhẹ đến trung bình, sau đó giảm dần khi rang đậm do bay hơi. Ở nồng độ phù hợp, axit acetic tạo cảm giác chua sắc nét, tươi sáng. Ngược lại, nếu tích tụ quá nhiều, đặc biệt do lên men không kiểm soát trong chế biến sau thu hoạch, nó có thể tạo vị chua gắt, giống giấm.
Axit Formic (Formic Acid): Là axit hữu cơ mạch ngắn, được hình thành từ sự phân hủy carbohydrate trong quá trình rang. Hàm lượng thường đạt mức cao nhất ở mức rang vừa rồi giảm dần khi rang đậm.
Axit Lactic: Chủ yếu được hình thành trong quá trình lên men cà phê sau thu hoạch, đặc biệt ở phương pháp chế biến ướt, ngoài ra cũng có thể phát sinh từ sự phân hủy đường khi rang. Axit lactic góp phần tạo cảm giác chua dịu và thanh mịn.
Bên cạnh đó, cà phê còn chứa nhiều axit aliphatic khác như succinic, oxalic, glycolic, pyruvic, tartaric và malonic. Một số axit như propionic và butyric, nếu xuất hiện ở nồng độ cao, có thể là dấu hiệu của quá trình lên men không mong muốn, tạo mùi khó chịu như mùi hành tây và làm suy giảm chất lượng cà phê.
Nhóm Axit Alicyclic – Axit Quinic
Axit Quinic tồn tại với hàm lượng nhỏ ở dạng tự do trong hạt cà phê nhân xanh. Tuy nhiên, phần lớn axit quinic trong cà phê rang được giải phóng từ quá trình phân hủy nhiệt các este axit chlorogenic (CGA).
Hàm lượng axit quinic tự do có xu hướng tăng theo mức độ rang và thường đạt mức cao hơn trong cà phê rang đậm.
Về cảm quan, axit quinic góp phần tạo vị chua kết hợp với vị đắng nhẹ và cảm giác chát. Sự gia tăng axit quinic, đồng thời với sự suy giảm của axit citric và malic trong quá trình rang, góp phần giải thích sự thay đổi đặc tính độ chua: cà phê rang đậm thường mất đi cảm giác chua tươi sáng, thay vào đó là vị chua đắng và kém thanh thoát hơn so với cà phê rang nhẹ.
Axit Phosphoric (Phosphoric Acid)
Axit Phosphoric là axit vô cơ có hàm lượng tương đối thấp trong cà phê, khoảng 0,1–0,2%. Tuy nhiên, do có hằng số phân ly axit (pKa) thấp, hợp chất này có khả năng đóng góp đáng kể vào độ chua của tách cà phê.
Về cảm quan, axit phosphoric tạo cảm giác chua sống động, sắc nét và tươi sáng (sparkling/lively acidity). Đặc tính này thường được ghi nhận rõ hơn ở một số loại Arabica trồng trên vùng đất núi lửa và tại độ cao lớn.
Các nhóm axit liên quan khác
Bên cạnh các nhóm axit chính, cà phê còn chứa một số hợp chất có cấu trúc hoặc đặc tính liên quan đến axit, góp phần vào thành phần hóa học và đặc tính cảm quan của cà phê.
Axit Pyroglutamic: Còn gọi là pyrrolidonecarboxylic acid, hợp chất này xuất hiện trong cà phê rang và có hàm lượng cao hơn trong cà phê hòa tan. Sự gia tăng có liên quan đến điều kiện nhiệt độ và áp suất trong quá trình chiết xuất công nghiệp.
Axit béo: Nằm trong phân đoạn lipid, chiếm khoảng 15–18% ở Arabica và 8–12% ở Robusta. Các axit béo chính gồm linoleic (40–45%), palmitic (25–35%), oleic và stearic. Do ít tan trong nước, chúng không đóng góp trực tiếp đáng kể vào vị chua, nhưng có vai trò quan trọng trong việc hình thành thể chất (body/mouthfeel) và lưu giữ các hợp chất hương thơm bay hơi.
Axit amin: Hạt cà phê nhân xanh chứa dưới 1% axit amin tự do, tiêu biểu như glutamic acid, aspartic acid, asparagine và proline. Trong quá trình rang, phần lớn các axit amin này bị tiêu thụ thông qua phản ứng Maillard và phân rã Strecker, tạo ra nhiều hợp chất hương thơm quan trọng như pyrazines, pyrroles, thiols và aldehydes.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống axit trong cà phê
Thành phần và tỷ lệ các axit trong cà phê không cố định mà thay đổi tùy thuộc vào giống, mức độ rang và phương pháp pha chế, bảo quản.
Giống cà phê (Species)
Arabica thường chứa nhiều sucrose hơn Robusta (khoảng 7–11% so với 3–7%), đồng thời hình thành nhiều axit hữu cơ aliphatic hơn trong quá trình rang. Vì vậy, cà phê Arabica thường có pH thấp hơn, khoảng 4,3–5,2, với đặc tính chua phong phú và đa dạng hơn.
Trong khi đó, Robusta có hàm lượng CGA cao hơn khoảng 70%, nhưng chứa ít axit aliphatic hơn. Độ pH thường nằm trong khoảng 5,3–5,8, khiến cảm nhận vị chua thường kém nổi bật hơn và vị đắng có xu hướng chiếm ưu thế.
Mức độ rang (Roasting Degree)
- Rang nhẹ (Light Roast): Bảo toàn được nhiều axit citric và malic, đồng thời có sự hình thành và tích tụ các axit bay hơi như acetic và formic. Tách cà phê thường có độ chua nổi bật, tươi sáng và dễ thể hiện các đặc tính trái cây.
- Rang đậm (Dark Roast): Axit citric, malic và acetic suy giảm do phân hủy nhiệt hoặc bay hơi. Trong khi đó, axit quinic và các hợp chất phenolic, phenylindanes tăng lên, khiến độ chua tươi sáng giảm, còn vị đắng trở nên rõ nét và kéo dài hơn.
Pha chế và bảo quản (Brewing & Storage)
Nhiệt độ chiết xuất cũng ảnh hưởng đến khả năng hòa tan và tỷ lệ các axit đi vào tách cà phê. Ở khoảng 94°C, các axit như citric, malic, acetic và quinic được hòa tan hiệu quả.
Đối với cà phê đã pha, việc giữ nóng trong thời gian dài, đặc biệt trên bếp hoặc trong bình giữ nhiệt, có thể thúc đẩy các phản ứng biến đổi hóa học tiếp diễn. Trong đó, sự chuyển hóa của CGA góp phần làm tăng hàm lượng axit quinic, khiến hương vị dần mất đi sự tươi sáng và xuất hiện cảm giác chua đắng, kém dễ chịu. Đây là một trong những biểu hiện của sự suy giảm chất lượng cà phê sau khi pha (staling).
Nguồn tham khảo:
- Clarke, R. J., & Vitzthum, O. G. (Eds.). (2001). Coffee: Recent developments. Blackwell Science. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9780470690499
- Farah, A. (Ed.). (2019). Coffee: Production, quality and chemistry. Royal Society of Chemistry. https://doi.org/10.1039/9781782622437
- Folmer, B. (Ed.). (2017). The craft and science of coffee. Academic Press. https://doi.org/10.1016/C2015-0-04305-3