Các chất chuyển hóa thứ cấp – P1: Tiềm năng

Khi ngành cà phê đặc sản ngày càng chú trọng đến nguồn gốc hương vị và các yếu tố hình thành chất lượng tách, những nghiên cứu về sinh hóa thực vật bắt đầu nhận được sự quan tâm lớn hơn. Trong đó, có một con đường sinh học rộng lớn, luôn hiện hữu nhưng hiếm khi được nhắc đến: vì sao những hương cam, bưởi… lại xuất hiện trong tách cà phê. Chúng không xuất hiện ngẫu nhiên, mà bắt nguồn từ một nhóm hợp chất sinh học ít được để ý nhưng có vai trò then chốt – các chất chuyển hóa thứ cấp. Những hợp chất này được tìm thấy trong hoa cà phê, trong quả còn xanh, cũng như trong cà phê rang và cà phê pha, góp phần tạo nên các sắc thái hương hoa đặc trưng của đồ uống.

Tuy nhiên, để phân tích trọn vẹn vấn đề này, chúng ta cần một hệ thống nghiên cứu bài bản trên nhiều phương diện nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các chất chuyển hóa thứ cấp (tiềm năng), cơ chế khuếch tán của chúng, cũng như tác động của các yếu tố nội sinh và ngoại sinh lên sự tích lũy trong hạt. Việc hiểu rõ những cơ chế này không chỉ giúp người làm cà phê tối ưu hóa hương vị, mà còn mở ra góc nhìn mới về mối liên hệ giữa sinh lý cây trồng, môi trường canh tác và cảm quan.

Đây là một lĩnh vực khoa học còn tương đối mới, với nhiều khoảng trống cần tiếp tục khám phá. Và bài viết này là phần mở đầu của chuỗi nội dung tổng hợp và diễn giải các cơ chế hình thành hương – vị trong cà phê dưới lăng kính hóa sinh thực vật.

Nội dung được phát triển dựa trên bài viết Secondary Metabolites từ Dr. Kôfē. Trước khi bắt đầu, chúng mình xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tác giả – Tiến sĩ Anja Rah, vì đã chia sẻ một nguồn tư liệu khoa học sâu sắc, góp phần giúp cộng đồng cà phê hiểu rõ hơn về thế giới hương vị phong phú ẩn trong từng hạt cà phê.

Các chất chuyển hóa thứ cấp dễ bay hơi

Trong cây cà phê, ngoài những hợp chất thiết yếu cho sự sống như đường, axit amin hay chất xơ, còn tồn tại một nhóm hợp chất khác được gọi là chất chuyển hóa thứ cấp. Chúng không trực tiếp nuôi cây, nhưng lại giúp cây thích nghi và tự vệ trước thế giới bên ngoài. Khi gặp sâu bệnh, nắng nóng, thiếu nước, và ngay cả khi quả bước vào giai đoạn chín, cây sẽ kích hoạt các con đường sinh hóa để tạo ra những hợp chất đặc biệt này.

Điều thú vị là nhiều hợp chất thuộc nhóm này – như terpenes, alkaloids (mà điển hình là caffeine) hay các hợp chất phenolic – chính là nguồn gốc của một phần lớn hương thơm và vị đặc trưng của cà phê. Chúng vừa là “lá chắn” sinh học của cây, vừa là “kho hương liệu” tiềm ẩn, được lưu giữ trong quả, trong hạt và có thể bộc lộ rõ rệt khi chế biến hoặc rang.

Hương hoa dễ chịu lan tỏa trên những nương cà phê khi cây nở rộ cũng thuộc về nhóm hợp chất gọi là các chất chuyển hóa thứ cấp của thực vật. Trong phạm vi chương này, chúng ta tập trung chủ yếu vào những hợp chất có tính bay hơi. Thay vào đó, chúng đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sinh trưởng của cây cà phê thông qua các cơ chế như:

• Thu hút ong đến thụ phấn cho hoa cà phê, hình thành nên những trái cà phê mà chúng ta yêu thích.
• Hấp dẫn động vật ăn quả, góp phần phát tán hạt của các quả chín.
• Bảo vệ hạt và nhân cà phê khỏi côn trùng và tác nhân gây bệnh.

Các chất chuyển hóa thứ cấp -chẳng hạn monoterpene – vốn hấp dẫn chúng ta nhờ hương thơm của chúng, lại có độc tính đối với nhiều sinh vật khác, bao gồm một số loài côn trùng, vi sinh vật và thậm chí cả con người nếu đạt đến ngưỡng nhất định. Đây có lẽ là lý do những hợp chất này được “thiết kế” theo hướng bay hơi mạnh: chúng có thể thoát khỏi mô thực vật nhanh chóng mà không gây hại cho cây, bởi nhiều chất trong số đó cũng có độc tính đối với chính thực vật (phytotoxic).

Vai trò sinh học và cơ chế lưu trữ các hợp chất bay hơi

Mặc dù giữ những vai trò sinh học quan trọng, cây cà phê cũng như nhiều loài thực vật khác không cần phải liên tục “cảnh giác”, hay lúc nào cũng sẵn sàng thu hút ong đến thụ phấn hay lôi kéo các loài động vật phát tán hạt. Thay vào đó, các nghiên cứu cho thấy thực vật có khả năng điều chỉnh quá trình tạo ra và giải phóng các hợp chất này để phản ứng trước những tác nhân gây căng thẳng, bao gồm cả tác nhân sống (sinh vật) và phi sinh vật (môi trường).

Sự phát tán terpenes thường được tìm thấy ở mức tối thiểu hoặc không có ở quả xanh, đạt mức tối đa ở quả chín hoàn toàn và giảm trở lại ở quả quá chín và khô. 

Việc điều tiết quá trình tạo ra các chất chuyển hóa thứ cấp là điều cốt yếu, bởi việc cố gắng thu hút động vật ăn quả hoặc chim để phát tán hạt khi quả cà phê vẫn còn xanh là hoàn toàn phi lý: ở giai đoạn này, nhân chưa đạt đến mức độ trưởng thành đủ để tồn tại độc lập khỏi cây mẹ. Do đó, những phát hiện gần đây cho thấy các hợp chất này được hình thành và tích lũy trong phần thịt (mesocarp) của quả khi quả bước vào giai đoạn chín hoàn toàn phù hợp với vai trò sinh học của chúng. Nói cách khác, khi quả cà phê chín dần, nhu cầu tự bảo vệ và khả năng thu hút động vật giúp phát tán hạt tăng lên, hỗ trợ quá trình “tách khỏi” cây mẹ để trở nên độc lập.

Chiến lược lưu trữ các hợp chất bay hơi có độc tính này khá tinh vi và phù hợp với những quá trình sinh học diễn ra trong giai đoạn quả chín. Khi hormone ethylene của thực vật điều phối quá trình chuyển hóa các carbohydrate phức trong phần thịt (mesocarp) thành đường – làm tăng chỉ số Brix – một phần trong số các phân tử đường này đồng thời được “gắn” vào những hợp chất chuyển hóa thứ cấp bay hơi đang được tổng hợp. Ở giai đoạn này, đôi khi người ta quan sát thấy sự giảm phát thải của các hợp chất bay hơi, đơn giản vì chúng không còn ở dạng bay hơi nữa. Những phân tử mới hình thành này được gọi là “các hợp chất bay hơi liên kết” hoặc “các hợp chất bay hơi liên kết glycoside” (glycosidically bound volatiles – GBV).

Như vậy, nói một cách đơn giản ta có thể hiểu mối liên hệ giữa đường, terpen và GBV như sau:

GBV = các phân tử hương (terpene, rượu, aldehyde…) + một hoặc nhiều phân tử đường → tạo thành dạng “hương liên kết glycoside”.

Ở trạng thái liên kết, GBVs không bay hơi nên không tạo mùi trực tiếp. Nhưng khi gặp các điều kiện như lên men, sấy, rang, liên kết đường bị cắt, giải phóng ra các phân tử hương tự do – những hợp chất thực sự góp phần tạo nên mùi trái cây, hoa, gia vị trong cà phê.

Việc gắn thêm một phân tử đường đóng vai trò như một cái neo, giữ hợp chất bay hơi trong mô thực vật – tương tự như việc buộc cố định một quả bóng bay để nó không thoát lên không trung. Cách “neo giữ” này cũng làm giảm độc tính của phân tử đối với chính cây, vì các GBV không được xem là gây hại. Dù không còn bay hơi và không ảnh hưởng trực tiếp đến hương thơm, các hợp chất này vẫn có khả năng tác động đến hương vị của hạt cà phê xanh.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã xác định được diterpene glycoside mozambioside[1]hợp chất này không bay hơi ngay cả khi gắn với phân tử glucose) trong hạt xanh của cà phê arabica, với ngưỡng cảm nhận vị đắng chỉ 60 μmol/L – thấp hơn hơn mười lần so với caffeine là 680 μmol/L (Prewo et al ., 1990 ; Lang et al ., 2015). Nói cách khác, nếu có 1 gram mozambioside, cần khoảng 11,3 gram caffeine để tạo mức độ đắng tương đương, theo nghiên cứu của Lang và cộng sự (2015).

Khi hàm lượng mozambioside giảm trong quá trình rang, việc phân hủy không hoàn toàn hợp chất này có thể góp phần tạo nên vị đắng đặc trưng ở các mẻ rang underdeveloped – một dạng lỗi rang. Vì hiện có rất ít nghiên cứu về đóng góp cảm quan của các GBV, nên việc chưa xác lập rõ ràng mối liên hệ giữa kết quả khoa học và ứng dụng thực tiễn cũng là điều dễ hiểu.

Tiềm năng hương vị

Mặc dù GBV thường xuất hiện với hàm lượng cao hơn dạng bay hơi tự do, tiềm năng của chúng khó có thể được thể hiện trọn vẹn khi xét thuần túy về vị. Thay vào đó, có thể xem các hợp chất này như một “kho dự trữ hương” đang chờ được giải phóng khỏi liên kết glycoside[2]. Ngành nước ép hay rượu vang đã khai thác cơ chế này để tăng cường hương tự nhiên của sản phẩm, cho thấy GBV nhiều khả năng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành những hồ sơ hương được ưa chuộng nhất trong ngành cà phê.

Để dễ hình dung, hãy xem xét nhóm terpene và terpenoid[3] (dạng oxy hóa của terpene) – một nhóm chất chuyển hóa thứ cấp không thể được tạo ra trong quá trình rang. Vì những hợp chất này không sinh ra từ các phản ứng cảm nhiệt như phản ứng Maillard, chúng buộc phải tồn tại sẵn trong hạt hoặc được tạo ra thông qua quá trình lên men vi sinh. Hai quá trình này cũng có thể liên quan với nhau, nhưng trong phạm vi thảo luận này, chúng ta chỉ tập trung vào sự hiện diện tự nhiên của chúng.

Bảng: Một số terpene và terpenoid quan trọng trong cà phê

Nguồn: Curious About Coffee Science – Secondary Metabolites & Aroma

Các terpene và terpenoid riêng lẻ, như thể hiện trong bảng, có khả năng tạo nên những đặc tính cảm quan nhất định và qua đó nâng cao chất lượng tách cà phê. Tuy nhiên, tác động của chúng không chỉ nằm ở hương riêng lẻ, mà còn ở khả năng cấu thành các tổ hợp hương phong phú bắt gặp trong những loại trái cây như việt quất , lý chua đen, xoài và thậm chí một số loại rau như cà chua (Felipe et al ., 2021 , Arauez và Valpuesta, 2013 ). Chính vì vậy, tài liệu khoa học thường liên hệ các đặc tính cảm quan của cà phê với hương hoa, trái cây, gia vị hoặc rau củ – những nhóm thực vật có chung các quá trình sinh hóa, bao gồm cả con đường tổng hợp terpene vốn xuất phát từ cùng một nền tảng tiến hóa.

Tóm lại, Terpene là các chất chuyển hóa thứ cấp được cây tổng hợp tự nhiên trong mô mẹ của quả như một phần của cơ chế tự vệ trước áp lực sinh học và môi trường. Để làm tròn vai trò bảo vệ, chúng buộc phải có tính bay hơi. Nhưng để tồn tại đến giai đoạn rang, các phân tử này lại cần được “neo giữ” bằng cách liên kết với một hoặc nhiều phân tử đường. Vì vậy, cây phải duy trì một sự cân bằng tinh tế: tích lũy đủ hợp chất phòng vệ để sẵn sàng trước rủi ro, nhưng không bị kích hoạt giải phóng chúng khi không thực sự có mối đe dọa.

Cơ chế cân bằng này được giải thích rõ hơn trong bài viết Các chất chuyển hóa thứ cấp – P1: Thẩm thấu, giúp người làm cà phê hiểu sâu hơn về mối quan hệ giữa sinh lý cây trồng và môi trường canh tác – từ đó chủ động hơn trong việc duy trì và tối ưu hóa những nốt hương quý giá bên trong hạt cà phê rang.

Nguồn tham khảo

• Rahn, Anja, Ph.D. Secondary Metabolites Aroma: https://www.curiousaboutcoffeescience.com/coffee-chemistry/secondary-metabolites/secondary-metabolites-aroma

Ghi chú:

[1] Mozambioside là một glycoside diterpene thuộc loại furokaurane đã được phân lập từ hạt của loài cà phê không chứa caffeine Coffea pseudozanguebariae thuộc phân nhóm Mozambicoffea. Hợp chất có vị đắng này, được đặt tên là mozambioside, được cho là có khả năng thay thế caffeine về mặt phòng vệ hóa học. Một số sản phẩm phân hủy của mozambioside cũng được ghi nhận là gây đắng. Vì vậy, cần nhiều nghiên cứu hơn để hiểu đầy đủ sự phân hủy phụ thuộc nhiệt độ và khả năng ảnh hưởng của chúng đến chất lượng cảm quan của cà phê.

[2] Liên kết glycoside là liên kết hóa học nối một phân tử đường (monosaccharide hoặc disaccharide) với một nhóm chức năng khác, có thể là một đường khác hoặc một nhóm không phải đường, thông qua một nguyên tử oxy. Quá trình này thường xảy ra khi hai phân tử kết hợp lại, loại bỏ một phân tử nước. Liên kết này có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các carbohydrate phức tạp hơn như polysaccharide (tinh bột, cellulose) và các hợp chất sinh học hoạt động khác như glycolipid, glycoprotein.

[3] Terpene là các hợp chất hydrocarbon thuần túy, nghĩa là chỉ gồm carbon và hydro. Chúng được cây tổng hợp từ các đơn vị isoprene (C₅H₈) và thường mang mùi hương rất đặc trưng. Terpene được phân loại dựa trên số lượng nguyên tử carbon, chẳng hạn như: monoterpene (C₁₀), sesquiterpene (C₁₅) hay diterpene (C₂₀).

Terpenoid (còn gọi là isoprenoid) là dạng “biến đổi” của terpene. Chúng được hình thành khi terpene bị oxy hóa hoặc gắn thêm các nhóm chức khác (như –OH, =O…). Mặc dù đôi khi hai thuật ngữ được dùng thay thế nhau, terpenoid về mặt hóa học là các terpene đã được biến đổi và thường chứa oxy.