Mặc dù chiếm ít hơn 1% trọng lượng khô của cà phê xanh, nhưng các axit amin tự do (những phân tử tạo thành protein) là nhóm hợp chất quan trọng nhất trong quá trình phát triển hương vị cà phê. Sự đa dạng của các axit amin góp phần vào sự phức tạp của phản ứng Maillard, với các axit amin khác nhau dẫn đến hương thơm rất khác nhau. Axit glutamic, axit aspartic và asparagin là ba axit amin tự do chính trong cà phê, các axit amin tự do này hầu như bị phá hủy hoàn toàn trong các phản ứng Maillard trong quá trình rang. Các chuỗi axit amin dài được gọi là protein (hay peptit) cũng có thể hoạt động như tiền chất tạo mùi vì chúng có thể phân hủy thành các phân tử phản ứng nhỏ hơn. Khoảng 30% protein trong cà phê nhân bị phân hủy trong quá trình rang.
Phản ứng Maillard và Strecker
Các axit amin riêng lẻ, khác nhau tạo ra mùi thơm rất khác nhau khi chúng tham gia vào các phản ứng Maillard và phản ứng Strecker (là một phần của mạng lưới phản ứng Maillard). Ví dụ: proline, phenylalanine và tyrosine tạo ra các hợp chất có hương thơm của hoa; glycine, lysine và valine làm phát sinh mùi Caramel; các axit amin chứa lưu huỳnh như cysteine và methionine phản ứng để tạo thành mùi thơm của thịt nướng. Một ví dụ đặc biệt nổi bật về cách thành phần axit amin ảnh hưởng đến hương vị là tryptophan. Cà phê robusta có một lượng lớn axit amin này, tạo ra 3-methylindol (còn được gọi là skatole), có mùi hăng, hôi khó chịu. Ngược lại, hợp chất này hầu như không có trong cà phê arabica.
Mỗi axit amin bị phá vỡ bởi sự phân hủy Strecker cũng giải phóng một phân tử carbon dioxide. Và do đó, các phản ứng này có thể giải phóng 80% (hoặc hơn) khí CO2 hình thành bên trong hạt cà phê trong quá trình rang. Như vậy, sự phân hủy Strecker tạo ra gần như tất cả lượng khí CO2 bị mắc kẹt trong hạt cà phê của bạn. Điều đó có nghĩa là phản ứng phân huỷ Strecker là nguyên nhân chính của vết nứt thứ hai mà chúng ta đã đề cập ở phần các biến đổi vật lý của hạt.
Vì sự phân hủy Strecker phụ thuộc vào các hợp chất Maillard đóng vai trò là chất oxy hóa, nên nó chủ yếu diễn ra sau khi nhiệt độ hạt đạt khoảng 160°C. Tuy nhiên, các sản phẩm aldehyde của phản ứng Strecker cũng có xu hướng bị phân hủy hoặc bay hơi ở nhiệt độ cao – vì vậy trong khi chúng có thể được hình thành với tốc độ khá nhanh ở nhiệt độ cao, thì chúng cũng bị mất khỏi hạt một cách nhanh chóng.
Caffeine và Trigonelline
Bên cạnh protein và các axit amin tự do, cà phê còn chứa alkaloid purine – một hợp chất chứa nitơ, gọi đơn giản là caffeine. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sinh tổng hợp axit chlorogenic và caffeine trong cây cà phê tương quan thuận với nhau – nghĩa là một giống cà phê có khả năng tạo ra nhiều axit chlorogenic cũng sẽ tạo ra nhiều caffeine. Sự phụ thuộc lẫn nhau về hóa lý và trao đổi chất giữa caffeine và axit chlorogenic đã làm nên đặc tính kháng sâu bệnh mạnh mẽ của cà phê robusta. Sau khi quả phát triển hoàn toàn và bắt đầu chín, có 70-90% caffeine nằm trong hạt và phần còn lại nằm trong vỏ quả.
Mặc dù có sự khác biệt về hàm lượng giữa các loài cà phê khác nhau (arabica có ít caffeine hơn so với robusta), nhưng nhìn chung caffeine rất bền với nhiệt và ít hao hụt trong quá trình rang. Caffeine từng nổi tiếng với vai trò gây nên vị đắng của cà phê, nhưng nó thường đóng góp nhỏ hơn 10-20% vị đắng tổng thể. Cà phê đã khử caffeine vẫn có vị đắng, vì vậy luôn có các hợp chất khác được coi là quan trọng hơn trong việc tạo ra vị đắng của cà phê.
Ngoài các axit amin, protein và caffeine, cây cà phê còn tạo ra trigonelline – một chất chuyển hóa thứ cấp chứa nitơ quan trọng khác. Trigonelline được xếp vào cùng loại hóa chất với caffeine: Một alkaloid pyridine. Trong sinh vật học, alkaloid thường được cây sử dụng như một loại thuốc trừ sâu tự nhiên. Trong hạt cà phê, nồng độ trigonelline thường chiếm khoảng 1- 2% trọng lượng khô nhưng trong quá trình rang, trigonelline bị phân hủy đáng kể.
Sự phân hủy của trigonelline trong quá trình rang (ở nhiệt độ gần 200°C) giúp tạo ra nhiều chất thơm với các hương vị tích cực như: Pyrazine, furan, alkyl pyridine và pyrrole, đồng thời giúp tạo nên một phần rất nhỏ vào vị đắng tổng thể của cà phê. Đáng chú ý nhất trong số này là axit nicotinic (niacin) hay còn được gọi là Vitamin B3 – một loại vitamin quan trọng trong chế độ ăn của chúng ta, được tạo ra bằng cách khử nhóm methyl của trigonelline ở nhiệt độ cao.
