Có thể nói lên men tham gia vào quy trình sản xuất phần lớn cà phê trên thế giới, nhưng bản thân cà phê không phải là một loại đồ uống lên men như bia, rượu, hay kombucha. Thay vào đó, khi chúng ta nói về quá trình lên men cà phê, chúng ta đang đề cập đến những gì mà quả cà phê phải trải qua từ lúc nó được thu hoạch cho đến khi hạt của nó được sấy khô hoàn toàn và sẵn sàng rang, xay.
Lên men là một phần không thể thiếu trong quá trình chế biến sau thu hoạch của cà phê và đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hương vị, nhưng quá trình lên men không phải là một khía cạnh được hiểu rộng rãi trong chu trình sản xuất cà phê. Hơn nữa, dù cho quá trình lên men xảy ra ở hầu hết mọi phương pháp chế biến cà phê. Chúng ta thường sử dụng các từ “lên men” và “chế biến” thay thế cho nhau và thường không chính xác, dù cho chúng có liên quan nhưng chúng không giống nhau. Vô hình chung, điều này đã vô tình định hướng khách hàng của chúng ta rất gần đến ngành sản xuất rượu vang hay bia craf. Quá trình lên men là một quá trình tự nhiên được thực hiện bởi các vi sinh vật sống nhằm tìm kiếm các nguồn năng lượng; chế biến là một tập hợp thuần nông gồm các bước cơ học và kỹ thuật được thiết kế để biến đổi các sản phẩm nông nghiệp thành thực phẩm.
Mặc dù quá trình lên men có thể được sử dụng như một phần của quá trình chế biến cà phê, nhưng sự khác biệt đó rất quan trọng. Vì vậy, bài đăng này sẽ tìm cách làm rõ các vấn đề liên quan đến hóa học, sinh học & vi sinh học của lên men trong bối cảnh của một “chất nền” như cà phê. Các vấn đề này hết sức cơ bản, nhằm giúp bạn hoàn thiện bộ kiến thức nền tảng về quá trình chế biến cà phê, để từ đây, chúng ta có thể thảo luận về quá trình lên men một cách khoa học & chắn chắn thay vì mơ hồ như một “thông tục”.
- Ngoài ra, có một số bài đăng khác về chủ đề lên men để bạn tham khảo!
Hô hấp và lên men
Hô hấp là quá trình sinh vật sử dụng để khai thác năng lượng được lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ (đường, axit béo và axit amin từ protein), nói một cách khoa học là quá trình oxy hóa các phân tử hữu cơ. Các sinh vật sử dụng oxy sau đó thải ra carbon dioxide và nước trong quá trình này. Đây cũng là quá trình thực vật lấy năng lượng từ đường mà chúng tạo ra trong quá trình quang hợp. Ở sinh vật nhân thực, chuỗi phản ứng oxy hóa chất hữu cơ diễn ra bên trong một bào quan chuyên biệt, được gọi là ty thể. Vì liên kết giữa hai nguyên tử oxy trong phân tử oxy (O2) là liên kết có năng lượng rất cao, nên hô hấp là một cách rất hiệu quả để lấy năng lượng từ các phân tử hữu cơ.
Khi oxy không có sẵn, nhiều sinh vật chuyển sang quá trình lên men thay thế. Nhưng vì quá trình lên men không thể sử dụng liên kết năng lượng cao trong oxy, nên nó cung cấp cho mỗi phân tử đường ít năng lượng hơn rất nhiều so với quá trình hô hấp. Trong quá trình hô hấp, các chất thải là khí cacbonic và nước. Trong quá trình lên men các sinh vật khác nhau tạo ra các chất thải khác nhau – phổ biến nhất là axit lactic và ethanol.
- Chúng ta đã quen thuộc với quá trình lên men bằng vi khuẩn và nấm men trong cà phê. Nhiều loài vi khuẩn, chẳng hạn như Lactobacillus, cũng tạo ra axit lactic trong quá trình lên men (được sử dụng để làm kim chi, dưa cải, sữa chua, nó cũng có trong vi khuẩn đường ruột của chúng ta – điều này có nghĩa rằng nó hoạt động trong điều kiện yếm khí). Quá trình trao đổi chất trong tế bào động vật cũng tạo nên axit lactic – ví dụ, bên trong cơ bắp chúng ta khi tập luyện gắng sức (và nên cơn đau nhức).
- Lên men ethanol, còn được gọi là lên men rượu, là một quá trình sinh học chuyển đổi các loại đường như glucose, fructose và sucrose thành năng lượng, đồng thời tạo ra ethanol và carbon dioxide (CO2) dưới dạng sản phẩm phụ. Bởi vì nấm men thực hiện quá trình chuyển đổi này trong điều kiện không có oxy, nên các phản ứng lên men rượu được coi là một quá trình kỵ khí. Nó cũng diễn ra ở một số loài cá (cá chép và cá vàng có thể chuyển đổi axit lactic thành ethanol, sau đó đào thải qua mang cá) cơ chế này cung giúp cấp năng lượng khi oxy khan hiếm.
Tổng quan quá trình lên men tạo thành ethanol: Một phân tử Glucose tách thành hai phân tử Pyruvate (A). Năng lượng từ phản ứng tỏa nhiệt này được sử dụng để gắn các phân tử phosphat vô cơ (Pi) vào phân tử ATP và chuyển hóa NAD+ thành NADH. Hai phân tử Pyruvate sau đó bị phá hủy thành hai phân tử Acetaldehyde và sản sinh ra Carbon dioxide (CO2) như một sản phẩm thải (B). Phân tử Acetaldehyde sau đó được tạo thành Ethanol bằng cách sử dụng năng lượng và Hydro từ NADH; trong quá trình này, NADH được oxy hóa thành NAD+ để quá trình có thể lặp lại (C).
Như vậy, từ “lên men” (fermentation) mô tả quá trình chuyển hóa đường và các hợp chất khác của vi sinh vật như nấm men và vi khuẩn, chúng sẽ tiêu thụ các hợp chất đó và chuyển hóa thành năng lượng để sử dụng, để lại các sản phẩm phụ hữu ích như Ethanol và các axit khác nhau. Các hợp chất đã chuyển đổi đó được hấp thụ vào cấu trúc tế bào của hạt và khi nhiệt được áp dụng cho những hạt đó trong máy rang, các hợp chất sẽ biến đổi thành hương vị mà chúng ta yêu thích trong cà phê.
Lên men hiếu khí và lên men kỵ khí
Theo nghĩa sinh học nghiêm ngặt đã nêu ở trên, quá trình lên men không sử dụng oxy. Do đó, khái niệm “lên men” (fermentation) được hiểu chính xác là một quá trình kỵ khí (anaerobic). Tuy nhiên, thuật ngữ lên men hiếu khí (aerobic fermentation) đôi khi được sử dụng để chỉ quá trình lên men diễn ra ngay cả khi có oxy. Hầu hết các loại nấm men sẽ chuyển sang giai đoạn hô hấp thay vì lên men khi có oxy, nhưng một số, bao gồm Saccharomyces cerevisiae – loại nấm men được sử dụng trong sản xuất bia, rượu nho, bánh mỳ v.v… sẽ tiếp tục lên men ngay cả khi có oxy. Tuy nhiên, lên men (kỵ khí) luôn là con đường chính để sản xuất năng lượng cho hệ nấm men này, ngay cả trong điều kiện hiếu khí (Najla Gasmi và cộng sự, 2014)
“Lên men” đôi khi cũng được sử dụng, theo nghĩa chung hơn, để mô tả quá trình trao đổi chất được thực hiện bởi vi sinh vật trên thực phẩm hoặc trong các lò phản ứng sinh học. Ví dụ, sản xuất giấm (axit axetic), đôi khi được gọi là “lên men oxy hóa”, vì vi khuẩn lên men giấm (vi khuẩn acid acetic, thuộc giống Acetobacter) thực hiện sự chuyển hoá ethanol với sự có mặt của oxy để tạo thành axit axetic (CH3COOH). Loại quá trình này xảy ra trong nhiều quá trình lên men tự nhiên, chẳng hạn như sản xuất giấm, kombucha và trong bất kỳ sản phẩm lên men cà phê nào có tiếp xúc với oxy.
Vì sự gia tăng của các nhà sản xuất cà phê ứng dụng tiến bộ khoa học vào quá tình chế biến, thuật ngữ “lên men” trong cà phê thường đề cập đến quá trình tổng quát này. Trong một thùng/bể lên men điển hình, nhiều chủng vi khuẩn và nấm men có mặt sẽ thực hiện cả quá trình lên men và hô hấp, cũng như một loạt các quá trình trao đổi chất khác. Nên trong bối cảnh lên men cà phê, những cách gọi như “phương pháp lên men kỵ khí” và “hiếu khí” thường không diễn đạt chính xác ngữ nghĩa khoa học của quá trình này (vì theo nghĩa chặt chẽ nhất, quá trình lên men là kỵ khí). Do vậy, chúng tôi muốn khuyến khích bạn sử dụng các thuật ngữ cụ thể để mô tả quá trình lên men có kiểm soát được thiết kế để loại trừ oxy – chẵn hạn như lên men trong túi, lên men thùng v.v…
Mục đích lên men trong chế biến cà phê
Trong thực tế sản xuất thuần túy, lý do mà giai đoạn lên men chính thức được đưa vào chế biến cà phê là vì nó là cách rẻ nhất để loại bỏ chất nhầy từ hạt cà phê. Mặc dù chúng ta thể loại bỏ chất nhầy với thành phần chính là pectin (một tập hợp phức tạp các polysaccharide) bằng máy móc hoặc bổ sung hóa chất/enzyme, nhưng điều này đòi hỏi đầu tư nhiều và thiết bị hơn so với việc chỉ để cà phê thành đống hoặc trong bể ngâm vài giờ. Nhiều tài liệu khoa học thường chứng minh rằng hai loại enzyme được tìm thấy trong cà phê là pectinase và pectase, tác động lên lớp màng nhầy trong quá trình chế biến ướt – tuy nhiên, kiến thức này dường như đang lung lay.
Giá trị pH thấp của môi trường lên men (pH=3.5-5.5) mới là nguyên nhân chính dẫn đên sự trương nở và phân ly các polysaccharide của màng nhầy trong cà phê – thay vì do hệ enzym pectinase của vi sinh vật mà chúng ta từng biết.
Sylvie Avallone & cộng sự, 2002
Nghiên cứu mang tính đột phá của Avallone và cộng sự, (2002) chứng minh rằng sự phân hủy của lớp nhầy là kết quả của quá trình axit hóa môi trường lên men chứ không phải thông qua enzym phân hủy pectin. Biểu đồ dưới đây, được lấy từ nghiên cứu của họ, cho thấy rằng phạm vi pH tối ưu cho tất cả các enzym phân hủy pectin (ngoại trừ Lactobacillus brevis), chưa bao giờ được tìm thấy trong một quần thể lớn đáng kể trong quá trình lên men cà phê. Nói cách khác, pH tối ưu cho hoạt động của các Enzyme (7.5-9.5) tạo ra bởi vi sinh vật cao hơn nhiều so với phạm vi pH dụng dịch trong quá trình lên men cà phê bình thường – bể lên men có tính axit (3.5-5.5).
Độ pH tối ưu cho hoạt động xúc tác của enzym phân giải pectin được tạo ra bởi các chủng vi sinh vật được chọnTrên biểu đồ này, chỉ một chủng vi khuẩn Lactobacillus brevis L166 là có khả năng làm giảm đáng kể độ nhớt trên bề mặt nhân cà phê (khoảng 45%) và được chọn để nghiên cứu thêm. Để bổ sung, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các polysaccharide của thành tế bào cấu thành chất nhầy của quả cà phê không bị phân huỷ hoàn toàn trong quá trình lên men. Sự tham gia của các enzym vi khuẩn enzym phân hủy pectin như Polygalacturonase (PG), Pectin Lyase (PL), Pectate Lyase (PAL) trong sự thay đổi cấu trúc của lớp nhầy thực sự còn gây tranh cãi.
Phần lớn quá trình lên men cà phê được thực hiện trong chế biến ướt được gọi là quá trình lên men tự nhiên hoặc lên men hoang dã (wild fermentation) nó trái ngược với một số quy tình lên men có kiểm soát mà chúng tôi đã đề cập gần đây.
Điều này có nghĩa nhà sản xuất/nông dân không cố gắng đưa bất kỳ hệ vi sinh vật bổ sung nào vào thùng/bể lên men. Quá trình lên men được thực hiện mà không cần thêm nước sẽ nhanh hơn, vì môi trường sẽ chuyển sang tính axit nhanh hơn. Môi trường axit khiến cho thành tế bào thịt quả (mesocarp) cũng như liên kết canxi được nới lỏng, kéo theo sự thay đổi cấu trúc mạng lưới polysaccharide của chất nhầy. Khi không có nước quá trình lên men trở nên kém đồng nhất và khó kiểm soát hơn. Nước có tác dụng làm tăng thể tích của môi trường lên men, làm loãng hệ vi sinh vật trên một khu vực rộng lớn hơn. Nhưng đồng thời, điều này làm tăng độ pH, do đó làm chậm quá trình axit hóa chất nhầy.
Thông thường, cà phê được giữ trong các thùng/bể lên men cho đến khi chất nhầy được tiêu biến hoàn toàn. Theo truyền thống, quá trình này sẽ hoàn tất khi nhà sản xuất nắm các hạt cà phê trong lòng bàn tay có cảm giác sạn, giống như đá cuội. Nếu quá trình lên men bị dừng trước thời điểm này, cà phê có thể chứa chất nhầy và đường còn sót lại khiến chúng khó khô đồng đều hơn. Quá trình lên men quá mức (Over fermentation) thường dẫn đến sản sinh axit butyric và axit propionic, có thể tạo ra hương vị của hành tây thối hoặc bơ ôi thiu (Amorim và Amorim, 1977). Nhìn chung, bất kỳ khiếm khuyết nào xuất hiện trong quá trình lên men có thể bắt nguồn từ sự phát triển của các vi sinh vật ảnh hưởng xấu đến đặc tính và hương vị cà phê. Hạt cà phê do quá trình lên men như vậy thường được gọi là “stinker” (Frank et al. 1965; Arunga 1982).
Các loài vi khuẩn thuộc giống Bacillus, đặc biệt là B. megaterium, có thể là nguyên nhân tạo ra axit propionic có trong cà phê được chế biến theo phương pháp chế biến khô. Loài này được tìm thấy trong suốt quá trình lên men, nhưng axit propionic chỉ được phát hiện ở nồng độ cao khi quá trình lên men tiếp diễn sau khoảng 2 tuần. Lên men quá mức trong quá trình làm khô cũng có thể dẫn đến sản xuất quá nhiều axit axetic bởi các vi khuẩn thuộc họ Lactobacillales (LAB) và họ Enterobacteriaceae.
Schwan và Fleet, 2014
Vi khuẩn, nấm sợi & nấm men
Mặc dù hương vị đặc trưng của cà phê bắt nguồn từ thành phần hóa học của hạt, hệ vi sinh vật chịu trách nhiệm cho quá trình lên men cũng có thể góp phần vào đặc điểm cảm quan của cà phê và thông qua các chất chuyển hóa được tạo ra trong quá trình này. Nhìn chung, khi đề cập đến vi sinh vật chúng ta thường phân chia thành ba nhóm chính, với đặc điểm sinh học và vai trò chức năng khác nhau của chúng trong quá trình lên men cà phê gồm: vi khuẩn, nấm sợi (nấm mốc) và nấm men.
Vi khuẩn
Vi khuẩn, một nhóm sinh vật lớn và đa dạng, sống trong nhiều môi trường khác nhau và có có các cơ chế chuyển hóa rất khác nhau. Hầu hết sử dụng oxy để chuyển hóa thức ăn của chúng theo cách tương tự đối với động vật, tuy nhiên vẫn có một số chuyển hóa thức ăn của chúng mà không cần oxy (yếm khí), thông qua quang hợp như thực vật – hoặc thậm chí sử dụng hợp chất vô cơ, chẳng hạn như lưu huỳnh, làm nguồn năng lượng thay thế.
Một trong những công trình đầu tiên về hệ vi sinh vật của cà phê đến từ nghiên cứu trên các mẫu cà phê chế biến ướt của Colombia và Mexico. Các tác giả này đã phân lập được các cầu khuẩn microaerophilic và các loại trực khuẩn, chẳng hạn như L. mesenteroides, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus brevis và Streptococcus faecalis, chúng thủy phân chất nhầy nhưng không thúc đẩy quá trình tách hoàn toàn khỏi hạt cà phê.
Pederson và Breed (1945)
Nấm sợi/nấm mốc
Hầu hết các loại nấm (Fungi) có cấu trúc đa bào. Tương tự như thực vật, chúng được tạo thành từ nhiều tế bào (trong khhi đó, vi khuẩn là đơn bào). Nấm đa bào mọc thành sợi dài, vì vậy chúng được gọi là “nấm sợi”. Những sợi nấm này tạo thành một mạng lưới, lan rộng khắp vật liệu mà nấm đang phát triển, để rồi hấp thụ thức ăn qua bề mặt của sợi nấm. Các sợi nấm riêng lẻ quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường, và do đó bạn sẽ không thấy “sợi nấm” trên một quả cà phê. Tuy nhiên, khi nhiều sợi nấm đan xen dày đặc trên một bề mặt và bắt đầu sinh ra bào tử thì nó thường được gọi là nấm mốc (mould). Vào thời điểm mà các bào tử hoặc sợi nấm có thể nhìn thấy trên vật liệu, thì các sợi nấm vô hình đã lan sâu vào trong đó.
Đối với cà phê, không có nhiều nghiên cứu liên quan đến sự tham gia của nấm sợi trong quá trình thoái hóa chất nhầy của quả cà phê. Điều này không nằm ngoài dự đoán – vì quá trình lên men phân rã chất nhầy thường chỉ kéo dài trong khoảng 48 giờ và về cơ bản là một môi trường có hoạt độ nước cao, có lợi hơn cho sự phát triển của vi khuẩn và nấm men . Vi khuẩn và nấm men phát triển nhanh hơn dạng nấm sợi và theo cách này, chúng cạnh tranh để giành chất dinh dưỡng và vị trí xâm nhập của quần thể nấm sợi.
Từ đầu những năm 1900, nhiều học giả đã nghiên cứu mối liên kết của nấm sợi (fungi) với hạt cà phê. Ban đầu, mối quan tâm chính là tiềm năng của các loại nấm sợi (nấm mốc) trong việc đóng góp các hương vị khác biệt (Liardon và cộng sự 1989), nhưng trong những năm gần đây, các nghiên cứu tập trung vào việc ngăn ngừa sự lan nhiễm của nấm vì khả năng tạo ra độc tố nấm sợi trong quá trình lên men. Nhìn chung, các nghiên cứu chỉ ra cà phê được sản xuất bằng quy trình chế biến khô có nhiều khả năng bị nhiễm nấm cao hơn cà phê được sản xuất bằng quy trình ướt, do thời gian lên men kéo dài.
Nấm men
Một số loài nấm, thay vì hình thành sợi, lại tồn tại chủ yếu dưới dạng đơn bào. Những loại nấm này được gọi là nấm men (yeast). Nấm men có thể tạo bào tử, hoặc chúng có thể sinh sản vô tính bằng cách nảy chồi. Khả năng này cho phép chúng sinh sản nhanh chóng khi thức ăn dồi dào.
Tế bào nấm men thường lớn hơn tế bào vi khuẩn, một phần vì chúng chứa các cấu trúc tế bào phức tạp hơn, chẳng hạn như nhân và ti thể. Một số loại nấm có thể chuyển đổi giữa dạng đơn bào và dạng sợi (CP Kurtzman & J. Piškur, 2006). Nấm men sử dụng đường trong môi trường của chúng như một nguồn thức ăn chính để phát triển, một số loài cần oxy để phát triển, trong khi những loài khác có thể phát triển khi có hoặc không có oxy. Nếu không có oxy, các loại nấm men này sẽ sử dụng quá trình lên men như một phương tiện để lấy năng lượng từ thực phẩm.
Các nhà khoa học đã phân lập khoảng 200 loại nấm men trong quá trình lên men cà phê từ cà phê chế biến khô ở Brazil. Chúng được phân định thành 15 loài với các đại diện thuộc họ Saccharomycetaceae như: Debaryomyces, Pichia và Candida. Trong số này, riêng loài D. hansenii là loài phổ biến nhất (khoảng 40% trong số được phân lập), tiếp theo là Pichia guilliermondii (khoảng 20%). Các loài này được tìm thấy phổ biến nhất ở 14 – 18 ngày lên men , khi tổng số quần thể nấm men đã tăng lên đến giá trị tối đa.
Silva et al. 2008
Trong chế biến cà phê, người ta đã lưu ý rằng nấm sợi có thể ảnh hưởng xấu đến hương vị cà phê và sinh ra độc tố ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và sự an toàn của người tiêu dùng. Một số nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng một số loài nấm men và vi khuẩn được phân lập từ quá trình lên men cà phê có thể ức chế sự phát triển của các loài nấm không mong muốn này (Schwan và Fleet, 2014). Các tác nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng các loài như vậy có thể được phát triển như một tác nhân kiểm soát sinh học tự nhiên và được sử dụng đặc biệt như các mẫu cấy để ngăn chặn các loại nấm không mong muốn. Các loài nấm men được xác định có hoạt tính đối kháng như vậy là Pichia anomala, P. kluyveri, Debaryomyces hansenii, Saccharomyces cerevisiae, Hanseniaspora uvarum, và các phân lập vi khuẩn là các loài Leuconostoc, Lactobacillus và Enterococcus.
Kết luận
Những vấn đề liên quan đến hệ vi sinh vật trong quá trình chế biến thường kích thích sự tò mò của chúng ta về hệ quả của chúng đối với hương vị sau cùng của cà phê. Điều này đã dấy lên một làn sóng nghiên cứu, thử nghiệm và khếch trương danh tiếng liên quan đến các quy trình vốn không mới – nhưng ít được nghiên cứu này. Trong khi một số nhà sản xuất tập trung vào việc hạn chế rũi ro gây ra bởi các chủng vi sinh, hướng đến việc chế biến an toàn, nhất quán, thì một số nhà sản xuất khác tập trung vào các ứng dụng vi sinh tiến bộ để tìm cách khai thác tiềm năng hương vị của quá trình lên men cà phê.
Tuy nhiên, cả hai hướng ứng dụng này đều đòi hỏi khám phá sâu hơn về hệ vi sinh vật của cà phê trong khâu chế biến sau thu hoạch nói chung, vấn đề này sẽ vượt ngoài nội dung của bài viết – thậm chí là cần một cuốn sách riêng về chủ đề này. Vì vậy, nếu cảm thấy cần thiết tìm hiểu sâu hơn, bại vui lòng phản hồi trong phần bình luận để chúng mình cân nhắc về việc khai thác tiếp nội dung này nhé!
Nguồn tham khảo:
- Processing Lessons Course & Certification on www.baristahustle.com
- www.cafeimports.com/ Fermentatio
- www.hindawi.com/ The Role of Microbes in Coffee Fermentation and Their Impact on Coffee Quality
- Cocoa and Coffee Fermentations, By Rosane F. Schwan, Graham H. Fleet.
