Sau khi xát vỏ, hạt cà phê vẫn được bao phủ bởi một lớp chất nhầy (mucilage) giàu nước, đường và polysaccharide, đặc biệt là pectin. Trong chế biến ướt truyền thống, lên men chủ yếu được sử dụng như một công đoạn kỹ thuật để làm suy yếu và loại bỏ lớp chất nhầy này, giúp hạt có thể được rửa sạch trước khi làm khô.
Tuy nhiên, cơ chế thực sự khiến lớp chất nhầy biến đổi và tách khỏi hạt vẫn chưa được nhiều nhà sản xuất hiểu rõ. Ngay cả trong nghiên cứu khoa học, quá trình này vẫn đang được tiếp tục làm sáng tỏ và có những cách giải thích khác nhau về vai trò của enzyme, vi sinh vật và các biến đổi hóa học – vật lý.
Trong phạm vi bài viết này, chúng ta tập trung vào hai cơ chế quan trọng nhất đã được ghi nhận trong quá trình lên men chế biến ướt: phân giải bằng enzyme và sự acid hóa môi trường. Hai cơ chế này diễn ra đồng thời, làm thay đổi cấu trúc của mucilage và thúc đẩy quá trình tách chất nhầy khỏi hạt.
Cấu tạo và tính chất hóa học của lớp nhầy
Lớp chất nhầy (mucilage), thường được gọi là lớp pectin, nằm giữa phần thịt quả (pulp/mesocarp) và lớp vỏ thóc cứng (endocarp/parchment), bao quanh và tiếp xúc trực tiếp với hạt cà phê. Đây là một mô giàu nước, polysaccharide và đường hòa tan, có cấu trúc dạng gel và độ bám dính cao. Khi quả cà phê còn xanh, mô trung bì có cấu trúc tương đối cứng. Trong quá trình chín, các enzyme phân giải thành tế bào hoạt động làm thay đổi cấu trúc polysaccharide của mô quả. Các biến đổi này khiến mô trở nên mềm hơn và hình thành lớp mucilage có tính chất mềm, nhớt, giàu nước và giàu đường.
Đặc tính này có ý nghĩa trực tiếp đối với chế biến ướt. Khi quả được đưa qua máy xát vỏ (depulper), phần thịt quả có thể được tách cơ học khỏi hạt, trong khi lớp mucilage vẫn bám trên bề mặt parchment. Chính lớp chất nhầy này là phần cần được loại bỏ trong bước lên men và rửa.
Hàm lượng chất khô của mucilage cũng thay đổi theo điều kiện sinh trưởng và quá trình chín của quả. Độ cao và khí hậu có thể ảnh hưởng đến quá trình tích lũy chất khô và thành phần đường trong mucilage; các quả phát triển và chín trong điều kiện mát hơn thường có quá trình chín kéo dài hơn, từ đó làm thay đổi thành phần của lớp chất nhầy.
Thành phần hóa học của chất nhầy
Thành phần mucilage thay đổi đáng kể tùy giống cà phê, điều kiện canh tác và đặc biệt là cách biểu thị kết quả phân tích. Vì vậy, cần phân biệt giữa mucilage ở trạng thái tự nhiên và phần chất khô sau khi loại nước.
Bảng 1: Thành phần hóa học của chất nhầy tươi (Wet basis / Trạng thái tự nhiên)
| Thành phần | Hàm lượng (% w/w chất nhầy tươi) | Ghi chú / Phạm vi biến động |
|---|---|---|
| Nước (Moisture) | 84,2% | Đạt tới 87,9% ở một số phân tích thực nghiệm |
| Protein | 8,9% | Dao động từ 3,4% – 8,9% tùy theo giống và niên vụ |
| Đường (Sugars) | 4,1% | Dao động từ 4,1% – 7,8% |
| Chất chứa Pectin (Pectic substances/sDF) | 0,91% | Là nhóm chất xơ hòa tan (soluble dietary fiber) tạo độ nhớt |
| Tro (Ash) | 0,7% | Chứa các khoáng chất vô cơ |
Phỏng theo: del Castillo et al. (2019)
Bảng 2: Thành phần hóa học của chất khô trong chất nhầy (Dry matter basis)
Ở trạng thái tự nhiên, mucilage chứa chủ yếu là nước. Các phân tích kinh điển ghi nhận khoảng 84–88% nước (Silva, 2014), phần còn lại gồm carbohydrate, protein, các hợp chất pectic và khoáng chất. Do đặc tính ngậm nước cực cao này, chất nhầy là rào cản lớn nhất cho quá trình sấy khô tự nhiên của hạt thóc nếu không được loại bỏ sạch .
| Thành phần chất khô | Hàm lượng (% trọng lượng chất khô) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Hợp chất chứa Pectin tổng số | 35,8% | Thành phần pectin thô |
| Đường khử (Reducing sugars) | 30,0% | Gồm Glucose và Fructose |
| Đường không khử (Non-reducing sugars) | 20,0% | Chủ yếu là Sucrose |
| Protein thô (Crude protein) | 8,9% | Nguồn đạm nuôi dưỡng vi sinh vật |
| Chất xơ thô (Crude fiber) | 18,0% | Các polysaccharide cấu trúc |
| Xơ cellulose (Cellulose) | 17,0% | Thuộc nhóm carbohydrate không tan |
| Tro (Ash) | 0,7% | Khoáng chất |
| Caffeine | 0,0% | Không phát hiện thấy trong chất nhầy |
Phỏng theo: Elías (1979)
Cellulose (~9%) và phần polysaccharide trung tính (~15%) rất khó bị vi sinh vật tiêu thụ trong thời gian ngắn (20 giờ lên men). Nghiên cứu Avallone và cộng sự (2001) thấy hai thành phần này gần như không bị phân hủy hay suy giảm lượng rõ rệt sau quá trình lên men.
Nếu loại nước và phân tích phần chất khô, carbohydrate trở thành thành phần chiếm ưu thế. Mucilage chứa một lượng lớn đường hòa tan, chủ yếu gồm glucose, fructose và sucrose, bên cạnh các polysaccharide cấu trúc và chất pectic. Elías (1979) ghi nhận đường khử và sucrose là những thành phần đáng kể của mucilage khô, trong khi các chất pectic tạo nên phần quan trọng của cấu trúc thành tế bào.
Phần bên ngoài của quả cà phê (bên trái), gồm lớp vỏ ngoài cùng (S – skin/exocarp) và phần thịt quả outer mesocarp (P – pulp)
Phần bên trong của quả cà phê, giáp với hạt (bên phải) Gồm lớp chất nhầy inner mesocarp (M – mucilage), thành tế bào chất nhầy (M-cw), lớp vỏ thóc endocarp (Pa – parchment), mô cứng (Sc – sclerenchyma), các tế bào mô cứng nằm ngang (TSc – transverse sclereids) và dư lượng nhân tế bào (N – residual nuclei).
Chính thành phần hóa học của mucilage khiến nó trở thành cơ chất lý tưởng cho hệ vi sinh vật tự nhiên.
Nấm men và vi khuẩn sử dụng các loại đường hòa tan trong chất nhầy, đặc biệt là glucose, fructose và sucrose, làm nguồn carbon và năng lượng cho quá trình sinh trưởng. Thông qua trao đổi chất, chúng chuyển hóa các cơ chất này thành sinh khối, CO₂ và nhiều chất chuyển hóa như ethanol, acid lactic, acid acetic, glycerol và mannitol.
Đồng thời, quá trình lên men tạo ra hoặc làm thay đổi một số hợp chất tiền thân của hương vị, chẳng hạn các acid hữu cơ, alcohol và các hợp chất carbonyl, những chất có thể tiếp tục tham gia các phản ứng hóa học trong quá trình làm khô và rang, góp phần hình thành đặc tính cảm quan của cà phê sau cùng. Đây chính là nền tảng của quá trình lên men trong chế biến ướt (Avallone et al., 2002; Elhalis et al., 2023).
Trong phần lớn lịch sử của chế biến ướt, lên men trước hết là một công đoạn kỹ thuật nhằm loại bỏ lớp chất nhầy khỏi hạt cà phê, chứ không được thiết kế với mục tiêu tái tạo hay định hướng hương vị như cách tiếp cận hiện nay. Khi lớp chất nhầy được loại bỏ, hạt parchment có thể được đưa sang công đoạn làm khô hiệu quả hơn. Vì vậy, thời gian lên men truyền thống chủ yếu được xác định dựa trên mức độ loại bỏ chất nhầy và khả năng rửa sạch hạt, trong khi những biến đổi về hương vị chỉ được hiểu rõ hơn nhiều về sau cùng với sự phát triển của khoa học lên men và cà phê đặc sản.
Phân giải bằng enzyme: phá vỡ mạng lưới pectin
Đây là một trong những cơ chế trực tiếp làm mất cấu trúc của chất nhầy.
Pectin là một thành phần quan trọng của mạng polysaccharide tạo nên cấu trúc gel và độ nhớt của mucilage. Khi các enzyme pectinolytic thủy phân hoặc cắt các polymer này, cấu trúc mạng lưới bị suy yếu, các phân tử lớn được chuyển thành những phân đoạn có kích thước nhỏ hơn và chất nhầy dần mất độ nhớt.
Quá trình này bắt đầu một phần nhờ enzyme nội tại của chính hạt cà phê [1]. Trong thí nghiệm kiểm soát vi sinh vật, Elhalis et al. (2023) phát hiện hoạt tính phân giải pectin đáng kể trong 12 giờ đầu, ngay cả khi vi sinh vật đã bị ức chế. Tuy nhiên, hoạt tính nội tại này chỉ làm phân giải một phần chất nhầy và không đủ để loại bỏ hoàn toàn lớp mucilage. Khi bổ sung pectinase, tốc độ phân giải tăng rõ rệt.
Trong số các vi sinh vật tham gia, nấm men có bằng chứng trực tiếp rõ nhất về vai trò trong phân giải mucilage Elhalis et al. (2023) cho thấy khi nấm men hiện diện trong suốt quá trình lên men, chất nhầy được phân giải hoàn toàn; nổi bật là Hanseniaspora uvarum và Pichia kudriavzevii. Mặc dù một số vi khuẩn cũng tham gia tích cực như Erwinia dissolvens (được chứng minh là chủng phân hủy chất nhầy cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả), các loài Bacillus (như B. subtilis, B. macerans) và Klebsiella. Tuy nhiên nhìn chung, vi khuẩn không đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy lớp chất nhầy (Silva, 2014).
Sau giai đoạn đầu, enzyme do vi sinh vật tiết ra tiếp tục tham gia vào quá trình. Các enzyme quan trọng gồm polygalacturonase (PG), pectin esterase (PE/PME) và pectin lyase (PL). Chúng tác động lên những vị trí khác nhau của phân tử pectin, làm giảm kích thước và tính liên kết của mạng polymer. Nghiên cứu của Masoud và Jespersen (2006) đã trực tiếp kiểm tra sáu chủng Pichia anomala, bốn chủng Pichia kluyveri và hai chủng Hanseniaspora uvarum phân lập từ quá trình chế biến cà phê, và xác định khả năng tạo PG, PE và PL của các chủng này.
Nhiều nghiên cứu hiện nay đều cho thấy enzyme nội tại đóng vai trò đáng kể ở giai đoạn đầu, trong khi enzyme của vi sinh vật, đặc biệt là nấm men, tiếp tục thúc đẩy quá trình ở các giai đoạn sau. Acid hữu cơ cũng có thể thúc đẩy quá trình phân giải bằng cách thay đổi pH về vùng thuận lợi hơn cho hoạt động của enzyme pectinolytic (Elhalis et al., 2023).
Trong một nghiên cứu của Avallone et al. (2000) cho thấy chất nhầy của cà phê thực chất là một mô gồm 2–3 lớp tế bào hình dậu, có thành tế bào chứa pectin và được gắn với lớp parchment. Sau 20 giờ lên men, các tế bào chất nhầy vẫn còn hiện diện, thành tế bào vẫn tương đối nguyên vẹn và tiếp tục cho phản ứng dương tính với thuốc nhuộm ruthenium red, cho thấy pectin vẫn còn.
Điều này cho thấy không có sự phân giải pectin hoàn toàn, và nếu có xảy ra pectinolysis thì chỉ ở mức rất hạn chế. Thay vào đó, các tác giả đề xuất rằng khi vi sinh vật tiêu thụ đường ở bề mặt chất nhầy, sự chênh lệch áp suất thẩm thấu tạo ra dòng nước vào trong tế bào, làm tế bào trương lên và có thể gây đứt gãy tại vùng liên kết giữa mô chất nhầy và parchment. Đồng thời, sự hình thành acid làm giảm pH và tiếp tục gây biến đổi tính chất vật lý của thành tế bào. Vì vậy, quá trình “loại chất nhầy” có thể không đơn thuần là phân giải pectin, mà còn là sự thay đổi cấu trúc và tách rời mô chất nhầy khỏi parchment (Avallone et al., 2000).
Cơ chế axit hóa môi trường (sự sụt giảm pH)
Bên cạnh hoạt động của enzyme, sự axit hóa môi trường là một cơ chế quan trọng làm suy yếu cấu trúc và thúc đẩy quá trình tách chất nhầy khỏi hạt cà phê.
Trong quá trình lên men, các vi sinh vật sử dụng đường có sẵn trong chất nhầy làm nguồn cơ chất và tạo ra nhiều acid hữu cơ, đặc biệt là acid lactic và acid acetic. Các nhóm vi sinh vật thường gặp gồm vi khuẩn acid lactic (LAB), vi khuẩn acid acetic và nấm men. Khi các sản phẩm acid tích tụ, pH của khối lên men giảm dần, tạo ra môi trường acid đặc trưng của quá trình lên men cà phê (Avallone et al., 2002).
Trong nghiên cứu về vai trò của vi sinh vật phân giải pectin trong quá trình lên men cà phê, Avallone et al. (2002) cho thấy pectin lyase (PL) có hoạt tính tối ưu ở pH 8,5, trong khi môi trường lên men tự nhiên của cà phê có tính acid, với pH giảm từ khoảng 5,3 xuống 3,5. Điều gợi ý rằng việc phân hủy lớp nhầy cà phê chủ yếu phụ thuộc vào quá trình acid hóa môi trường lên men chứ không dựa trên sự phân giải pectin bằng enzym. Do đó, việc bổ sung vi sinh vật phân giải pectin giúp kiểm soát vi sinh nhưng không làm tăng tốc độ lên men. Các tác giả đề xuất sử dụng vi khuẩn lactic (LAB) để duy trì quá trình acid hóa theo hướng tương đồng với lên men tự nhiên, qua đó chuẩn hóa hệ vi sinh và tăng khả năng kiểm soát chất lượng sản phẩm.
Các axit hữu cơ tích tụ làm pH của khối lên men sụt giảm nhanh chóng từ mức trung tính ban đầu (~6.0 – 6.5) xuống chỉ còn khoảng 3.5 – 4.5, môi trường axit mạnh này làm biến tính các protein liên kết trong chất nhầy.
Sự giảm pH làm thay đổi tính chất vật lý của lớp chất nhầy. Avallone et al. (1999), khi quan sát cấu trúc mô chất nhầy bằng kính hiển vi, cho thấy các tế bào của lớp mucilage có thể trương nở trong quá trình lên men và bị đứt gãy tại vùng liên kết với parchment. Các tác giả cho rằng sự thay đổi này có liên quan đến quá trình vi sinh vật tiêu thụ đường và những biến đổi về áp suất thẩm thấu trong mô chất nhầy.
Cơ chế tiêu thụ cơ chất và rửa trôi
Sau khi cấu trúc chất nhầy đã bị suy yếu, sự tiêu thụ cơ chất của vi sinh vật và quá trình rửa trôi bằng nước giúp hoàn tất việc loại bỏ mucilage khỏi hạt cà phê.
Trong quá trình lên men, vi sinh vật sử dụng các loại đường hòa tan như glucose, fructose và sucrose làm nguồn carbon và năng lượng. Nồng độ các loại đường này giảm nhanh trong quá trình lên men; đồng thời, các sản phẩm có phân tử lượng thấp hình thành từ quá trình biến đổi polysaccharide cũng có thể tiếp tục được vi sinh vật chuyển hóa (Avallone et al., 2001; Elhalis et al., 2023).
Khi mạng lưới polysaccharide bị suy yếu, chất nhầy mất dần độ nhớt và khả năng bám dính. Ở giai đoạn này, lớp nhầy dính đã hoàn toàn bị hóa lỏng. Khi người sản xuất xả nước sạch vào bể hoặc đưa cà phê qua các kênh rửa, dòng nước chảy dễ dàng cuốn trôi toàn bộ phần chất nhầy hóa lỏng này ra khỏi hạt. Lớp vỏ thóc (parchment) bao bọc bên ngoài hạt lúc này mất đi độ nhớt đặc trưng, trở nên nhám rít và ráo nước. Công đoạn rửa bằng nước, kết hợp với sự ma sát giữa các hạt, sẽ loại bỏ phần chất nhầy còn lại.
Trong thực tế, người sản xuất có thể kiểm tra mức độ sạch của hạt bằng cách chà xát chúng với nhau; khi lớp nhầy đã được loại bỏ, bề mặt hạt tạo ra cảm giác nhám và tiếng “rít” đặc trưng.
Thời gian phân rã chất nhầy phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần hệ vi sinh vật, giống cà phê và phương pháp lên men. Trong chế biến ướt truyền thống, thời gian thường nằm trong khoảng 12–36 giờ, nhưng có thể ngắn hoặc dài hơn tùy điều kiện. Khi quá trình kéo dài quá mức, sự chuyển hóa tiếp tục của vi sinh vật có thể tạo ra các acid hữu cơ và hợp chất dễ bay hơi không mong muốn, dẫn đến những mùi lên men quá mức hoặc mùi hôi trong cà phê.
Quá trình lên men cũng làm phát sinh sự hao hụt một phần chất khô của hạt. Các hợp chất hòa tan có thể khuếch tán từ hạt ra môi trường, trong khi một phần chất nền được sử dụng cho hoạt động trao đổi chất. Mức độ hao hụt phụ thuộc đáng kể vào điều kiện lên men và thời gian tiếp xúc.
Ngoài lên men tự nhiên, việc loại bỏ chất nhầy có thể được thực hiện hoặc hỗ trợ bằng một số phương pháp khác.
- Enzyme thương mại có thể được bổ sung để thúc đẩy quá trình phân giải pectin. Trong nghiên cứu của Elhalis et al. (2023), việc bổ sung pectinase cho phép quá trình phân giải mucilage diễn ra nhanh hơn đáng kể so với lên men tự nhiên.
- Tách chất nhầy bằng cơ học (mechanical demucilaging) sử dụng ma sát và lực cơ học để loại bỏ mucilage ngay sau khi xát vỏ. Phương pháp này có thể rút ngắn hoặc loại bỏ nhu cầu lên men kéo dài, đồng thời giảm lượng nước cần sử dụng trong quá trình chế biến.
Trên đây là những cơ chế được đề cập và có bằng chứng rõ ràng nhất trong các nghiên cứu về lên men cà phê, đặc biệt là hoạt động của vi sinh vật, sự phân giải bằng enzyme và quá trình acid hóa. Tuy nhiên, đây chưa phải là một mô hình hoàn chỉnh cho mọi điều kiện lên men. Thành phần nguyên liệu, nhiệt độ, pH, thời gian, lượng oxy và hệ vi sinh vật có thể làm thay đổi diễn biến của quá trình. Vì vậy, các cơ chế khác có thể đồng thời tồn tại hoặc trở nên quan trọng trong những điều kiện cụ thể, trong khi một số tương tác giữa các cơ chế này vẫn đang được khoa học tiếp tục làm rõ.
Ghi chú
[1] Vai trò của enzyme nội sinh đã được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm loại trừ vi sinh vật. Franco (1960) giữ cà phê đã xát vỏ trong điều kiện vô trùng suốt 33 ngày và không ghi nhận sự phân rã đáng kể của lớp chất nhầy. Tương tự, Frank và Dela Cruz (1964) sử dụng phương pháp khử trùng bằng clo kết hợp với chất kháng sinh để ngăn chặn hoạt động của vi sinh vật; kết quả cũng không ghi nhận sự phân rã của chất nhầy khi không có vi sinh vật. Những kết quả này cho thấy enzyme nội sinh của quả cà phê, nếu hoạt động đơn độc, không đủ để phân giải hoàn toàn lớp chất nhầy; sự tham gia của vi sinh vật là yếu tố cần thiết để quá trình demucilagination diễn ra hiệu quả (Silva, 2014).
Nguồn tham khảo:
Elhalis, H., Cox, J., & Zhao, J. (2023). Yeasts are essential for mucilage degradation of coffee beans during wet fermentation. Yeast, 40(9), 425–436. https://doi.org/10.1002/yea.3888
- Masoud, W., & Jespersen, L. (2006). Pectin degrading enzymes in yeasts involved in fermentation of Coffea arabica in East Africa. International Journal of Food Microbiology, 110(3), 291–296. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2006.04.030
- del Castillo, M. D., Fernandez-Gomez, B., Martinez-Saez, N., Iriondo-DeHond, A., & Mesa, M. D. (2019). Coffee by-products. In A. Farah (Ed.), Coffee: Production, quality and chemistry (pp. 309–334). Royal Society of Chemistry. https://doi.org/10.1039/9781782622437-00309
- Silva, C. F. (2014). Microbial activity during coffee fermentation. In R. F. Schwan & G. H. Fleet (Eds.), Cocoa and coffee fermentations. CRC Press. https://doi.org/10.1201/b17536
- Elías (1979): Elías, L. (1979). Chemical composition of coffee-berry by-products. In J. Braham & R. Bressani (Eds.), Coffee pulp: Composition, technology, and utilization (IDRC-108e). International Development Research Centre. http://hdl.handle.net/10625/6006.
- Avallone, S., Guyot, B., Michaux-Ferriere, N., Guiraud, J. P., Olguin Palacios, E., & Brillouet, J. M. (2000). Cell wall polysaccharides of coffee beanmucilage: Histological characterization during fermentation. In Association Scientifique Internationale du Café (ASIC) 18e Colloque, Helsinki (pp. 463–470).
- Avallone, S., Guiraud, J.-P., Guyot, B., Olguin, E., & Brillouet, J.-M. (2001). Fate of mucilage cell wall polysaccharides during coffee fermentation. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 49(11), 5556–5559. https://doi.org/10.1021/jf010510s
- Avallone, S., Brillouet, J. M., Guyot, B., Olguin, E., & Guiraud, J. P. (2002). Involvement of pectolytic micro‐organisms in coffee fermentation. International Journal of Food Science & Technology, 37(2), 191–198. https://doi.org/10.1046/j.1365-2621.2002.00556.x