Trong quá trình rang, hạt cà phê tiếp xúc với không khí nóng. Nhiệt độ tăng lên làm mất nước và thay đổi sâu sắc cấu trúc vi mô và đồng thời gây ra các phản ứng hóa học trên phạm vi rất rộng. Quá trình này tạo ra các hợp chất hương vị hấp dẫn có thể được chuyển vào pha lỏng trong quá trình chiết xuất và cuối cùng tạo ra một tách cà phê thú vị. Mặc dù việc mô hình hoá các phản ứng vi mô của hạt cà phê trong quá trình rang là không thực tế – trong điều kiện công nghệ hiện tại. Tuy nhiên, thông qua bài đăng này chúng ta có thể tóm tắt những thay đổi vĩ mô xảy ra trong suốt quá trình rang và đưa ra ý tưởng về sự thay đổi hoá học dựa trên các nhóm thành phần chính trong cà phê
Bạn đạng có mặt tại chủ đề cuối trong chuỗi ba bài viết nói về các biến đổi trong quá trình rang cà phê:
- Phần 1 – Quá trình rang cà phê và những vấn đề cơ bản
- Phần 2 – Các biến đổi vật lý trong quá trình rang
- Phần 3 – Các biến đổi hóa học trong quá trình rang
Trong ngôn ngữ hóa học, mọi phản ứng liên quan đến cà phê trong máy rang đều quy về một quá trình tên gọi là nhiệt phân (endothermically). Đây là các biến đổi xảy ra khi vật liệu hữu cơ đạt đến nhiệt độ phân hủy, nó tạo ra các hợp chất dễ bay hơi và để lại tàn dư của cacbon (hay còn gọi là than). Trong quá trình rang cà phê, chúng ta đặt ra một giới hạn để tránh làm cho hạt cà phê hóa than, nhưng đủ để chúng trải qua những thay đổi hóa học do nhiệt phân nhằm hình thành các hợp chất hương vị…
Và sau đây là các phản ứng hóa học chính làm nên tách cà phê hàng ngày của bạn:
Phản ứng Maillard
Maillard không chỉ là một, mà là một nhóm hàng loạt các phản ứng hóa học rất quan trọng để tạo ra hương vị đặc trưng và màu nâu của cà phê rang (và nhiều loại thực phẩm khác – bao gồm sô cô la, bánh mì…) Các phản ứng được đặt theo tên của Louis Camille Maillard, bác sĩ người Pháp lần đầu tiên mô tả chúng vào năm 1910. Trong lò rang, quá trình này bắt đầu từ khoảng 140°C đến 160°C, khi nhiệt độ vượt ngưỡng 170°C, các phản ứng caramen hóa bắt đầu xảy ra và đốt cháy hết lượng đường còn lại.
Các phản ứng được đặt theo tên của Louis Camille Maillard, bác sĩ người Pháp lần đầu tiên mô tả chúng vào năm 1910. Trên thực tế, cụm từ “phản ứng Maillard” là một cách gọi mơ hồ – nó không phải là một phản ứng đơn lẻ mà là toàn bộ phức hợp các phản ứng mà quá trình và kết quả của chúng phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như độ pH và nhiệt độ. Phản ứng Maillard rất dễ xảy ra trong thực phẩm được xử lý nhiệt và cả những thực phẩm được bảo quản trong thời gian dài ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, phản ứng Maillard còn liên quan đến các phản ứng sinh hóa khác như sự oxy hóa lipid, do đó đây là một trong các con đường gây suy giảm chất lượng cà phê khi bảo quản trong thời gian dài (Khoa học cà phê, 2023).
Phản ứng Maillard xảy ra giữa một đường khử và axit amin. Một đường khử là bất kỳ loại đường nào có nhóm aldehyd hoặcketone tự do. Các nhóm này gắn với chuỗi carbon qua một nguyên tử oxy với liên kết đôi nên nó có thể dễ dàng phản ứng với các axit amin và nhiều hợp chất khác.
Có vô số con đường để phản ứng Maillard xảy ra trong hạt cà phê, với (n) loại axit amin và (n) loại đường thì chúng ta sẽ có n2 các hợp chất hương vị khác nhau. Những sản phẩm quen thuộc nhất trong số này là hương vị rang, bánh mì nướng… Điều thú vị đối với phản ứng Maillard là tất cả các sản phẩn của nó lại có thể phản ứng lại với các axit amin tự do khác để tạo thành Melanoidin – một hợp chất màu nâu sẫm, có vị rang, mạch nha, đắng, khét.. đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và ổn định crema trong Espresso, mang đến cảm nhận đậm đà cho cốc cà phê của bạn.
Phản ứng Caramel hóa
Không giống như các phản ứng Maillard, Caramel hóa là một hình thức nhiệt phân xảy ra ở khoảng 120-180°C. Nhiệt độ cao sẽ làm các mạch carbohydrate dài, phức tạp vỡ ra thành hàng trăm hợp chất mới, nhỏ hơn bổ sung một lượng đáng kể vị đắng, chua, mùi hương… Phản ứng này sẽ diễn ra liên hoàn cho đến khi kết thúc quá trình rang và nó cũng góp phần tạo nên những mùi hương ngọt ngào trong cà phê, như caramel, bánh mì nướng, hạnh nhân,..
Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiều biến, do mỗi loại đường cần một nhiệt độ khác nhau để tham gia phản ứng, ví dụ như: fructose ≈ 110°C, glucose, galactose và sucrose ≈ 160°C. Một khi nhiệt độ đủ cao, các loại đường, chẳng hạn như đường sucrose, sẽ phân hủy thành đường đơn fructose và glucose (như minh họa bên dưới). Sau đó, các vụ va chạm xảy ra cho phép hình thành hàng nghìn hợp chất dễ bay hơi.
Phản ứng caramel sẽ diễn ra liên hoàn cho đến khi kết thúc quá trình rang, mức độ rang đậm (dark roast) sẽ phá vỡ gần như 99% lượng sucrose nội tại của hạt, trong khi rang nhạt (light roast) tiêu giảm khoảng 87%. Kết quả của việc phá huỷ đường trong cà phê là sự hình thành của các loại polyme mạch dài và các hợp chất dễ bay hơi ngắn hơn có mùi vị phức tạp
Độ rang dark roast sẽ phá vỡ gần như 99% lượng sucrose nội tại của hạt, trong khi light roast tiêu giảm khoảng 87%
Scott Rao – The Coffee Roaster’s Companion, 2014
Ngoài ra, ta cũng cần lưu ý rằng hàm lượng đường sucrose không chỉ cho vị ngọt, độ đậm đà của cà phê sau khi rang, mà còn tác động đến tính axit (độ chua), vì phản ứng caramel hóa của đường Sucrose sẽ tạo ra axit axetic. Do vậy, chúng ta luôn khuyến khích người trồng cà phê thu hoạch quả đúng độ chín, với hàm lượng đường cao nhất có thể nhằm cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào cho nhóm phản ứng Maillard & Caramel.
Sự phân hủy của acid
Acidity – hay đặc tính axit mang lại cho cà phê sự sống động, tinh tế, phức tạp và chút gì đó tươi sáng. Mặc dù nhiều người uống cà phê cho rằng axit làm cho cà phê đắng hoặc khó chịu hơn nhưng cà phê không có axit thực sự “rỗng tuếch” và nhàm chán. Người ta có thể trải nghiệm Cold brew coffee để giảm thiểu hàm lượng axit trong cốc. Nhưng điều đó gần như đã phủ nhận nỗ lực cân bằng tính axit vô cùng khó khăn của quá trình rang.
Và khi nhắc đến Acidity ta không thể không nhắc đến Chlorogenic axit (CGA) cho đến nay là axit phổ biến nhất trong hạt cà phê thô, ở mức 6% -8% hàm lượng CGA trong hạt cà phê cao hơn bất kỳ loại thực vật nào khác. Tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian, quá trình rang sẽ liên tục phá vỡ CGA, khi rang nhạt (light roast) 50% CGA sẽ mất đi và chỉ để lại 20% trong độ rang đậm (dark roast). Tất nhiên CGA không bốc hơi, chúng chỉ phân hủy thành axit quinic và caffeic, hai hợp chất thuộc nhóm phenolic này đóng góp vào vị đắng và độ đậm đà (body) cho cà phê (Scott Rao, 2014).
Sự hình thành các hợp chất hương vị
Có bao nhiêu % chất hòa tan trong một hạt cà phê?
Theo Scott Rao, khoảng một phần ba khối lượng cà phê sau khi rang là có thể hòa tan trong nước. Trong khi đó tỷ lệ chiết xuất tối ưu vào khoảng 19% – 22% , tương đương với khoảng 55% -60% tổng lượng chất hòa tan có trong cà phê (vì chúng ta hạn chế hòa tan các hương vị không mong muốn trong cốc) cộng với một một lượng nhỏ lipit và các mảnh cellulose vỡ vụn (còn được gọi là fines). Toàn bộ các chất hòa tan này, cộng với hương thơm phong phú, đến từ một trong các biến đổi sau đây.
Các hợp chất dễ bay hơi
Vài phút sau khi quá trình rang bắt đầu, “mùi hương cà phê” mới chính thức hình thành – Sự gia tăng nhanh chóng của các hợp chất thơm dễ bay hơi xảy ra khi độ ẩm của cà phê giảm dưới 5%. Khi đó, các phản ứng Caramel hóa và Maillard, cũng như sự suy thoái và chuyển hóa của axit amin, đường, axit phenolic và lipid, sẽ cùng nhau góp phần vào sự phát triển của các hợp chất thơm, bao gồm:
- Aldehydes, mùi hương của những loại trái cây có màu xanh
- Furans, góp phần mùi caramel
- Pyrazines, có mùi hương đất
- Guaiacol, có mùi khói, hăng cay
- Các hợp chất chứa lưu huỳnh như 2-furfurylthiol tạo nên mùi thơm đặc trưng mà ta gọi là “mùi cà phê rang cà phê”, nhưng một số loại khác không có mùi hấp dẫn – Ví dụ, methanethiol có mùi như bắp cải thối.
Mặc dù CO2 là một hợp chất dễ bay hơi & không góp phần vào mùi hương, nhưng nó đóng vai trò quan trong độ đầm đà (body coffee) của cà phê nói chung, và tạo nên lớp Crema trong Espresso nói riêng.
Cần lưu ý rằng, hàm lượng hương liệu sẽ đạt cực đại ở mức rang nhạt đến trung bình (light – medium roast). Tiếp tục rang đậm hơn, nhiệt độ sẽ phá hủy các hương thơm được sáng tạo bởi nó, để lại mùi khói và cay nồng. Đồng thời, từ độ rang đậm (dark roast) trở đi, các cấu trúc cellulose yếu hơn và xốp hơn, khả năng giữ chất thơm sẽ kém hơn so với loại rang nhẹ nhạt hơn.
Các hợp chất không bay hơi
Đơn giản là các chất ổn định ở nhiệt độ phòng. Một số trong các hợp chất này được hình thành, thay đổi trong quá trình rang, trong khi số khác vẫn ổn định trong suốt quá trình. Hầu hết các hợp chất không bay hơi góp phần vào hương vị (flavor) cà phê. Ví dụ như caffeine, chịu trách nhiệm cho một phần vị đắng, sucrose cho vị ngọt, và lipid cho cảm giác về sự đậm đà (body), các loại axit hoặc hợp chất melanoidin hình thành trong phản ứng Maillard cũng thuộc nhóm chất không bay hơi…
Nói về Caffeine, bất chấp quan niệm chung, việc rang đậm hơn chỉ làm giảm khối lượng hạt cà phê do mất nước chứ không làm giảm hàm lượng caffeine trong hạt (vì caffeine ổn định ở mức nhiệt cao hơn nhiệt độ rang). Do vây, càng rang đậm tỷ lệ caffeine / trọng lượng sẽ tăng dần, nên với cùng một lượng cà phê, thì loại nào rang càng đậm hàm lượng caffeine càng cao.
Nguồn tham khảo:
- The Coffee Roaster’s Companion (Scott Rao, 2014)
- www.perfectdailygrind.com What Happens During Coffee Roasting: The Chemical Changes
- www.baristahustle.com/ What is the Maillard Reaction and Why is it Important?
