Độ ẩm trong hạt cà phê có ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền nhiệt vào hạt. Cà phê với độ ẩm cao cần nhiều nhiệt hơn trong quá trình rang, vì nước tiêu tốn nhiều năng lượng để được làm nóng. Độ ẩm cao cũng giúp hạt chịu được nhiệt độ cao hơn trong lò rang, nhờ nước hỗ trợ truyền nhiệt từ bề mặt vào lõi hạt.
Cà phê xanh với độ ẩm cao có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn, hỗ trợ chuyển nhiệt từ bề mặt hạt vào trung tâm trong giai đoạn đầu trước khi hơi nước bốc hơi. Ngoài ra, độ ẩm cao còn làm tăng nhiệt dung riêng của hạt, tức là cần nhiều năng lượng hơn để tăng nhiệt độ của hạt.
Tuy nhiên, tác động quan trọng nhất của độ ẩm là lượng năng lượng cần thiết để hóa hơi nước. Khi nước bốc hơi, nó hấp thụ năng lượng và mang theo năng lượng này ra ngoài khi thoát khỏi hạt dưới dạng hơi nước, khiến nhiệt độ của hạt tăng chậm hơn trong giai đoạn đầu của quá trình rang.
Hiện tượng bay hơi này làm mát lõi hạt cho đến khi nhiệt độ hạt đạt khoảng 150°C, lúc này phần lớn nước tự do đã bay hơi. Sau đó, tốc độ tăng nhiệt bên trong hạt bắt đầu tăng nhanh hơn.
Bốc hơi bề mặt
Khi bắt đầu quá trình rang, nhiệt độ hạt tăng nhanh nhất gần bề mặt hạt, và nhiệt truyền chậm hơn đến các lớp bên trong. Do đó, độ ẩm gần bề mặt hạt bay hơi trước, tạo ra một lớp hơi nước ở phần ngoài của hạt – hay còn gọi là “bốc hơi bề mặt” (The evaporation front). Nó thậm chí còn được coi là nguyên nhân có thể gây ra first crack, nhưng có rất ít nghiên cứu trực tiếp về chủ đề này và rất nhiều phỏng đoán.
Khi nhiệt độ hạt tăng lên trên 100°C, áp suất bên trong hạt bắt đầu tăng lên do hơi nước tích tụ nhanh hơn tốc độ nó có thể thoát ra. Áp suất có thể đạt tới 25 bar trong quá trình rang (Bonnländer và cộng sự năm 2005) – gấp hơn hai lần áp suất bạn tìm thấy trong lốp xe đạp đua Olympic. Áp suất cao khiến nước khó bay hơi hơn, vì vậy hạt vẫn chứa nước lỏng, hoặc nước liên kết với cấu trúc hạt, ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với điểm sôi. Điều này hoạt động tương tự như nồi hơi trong máy pha cà phê espresso của bạn chứa cả hơi nước và nước ở 120°C trở lên: áp suất ngăn nước bay hơi, cho phép nhiệt độ tăng cao hơn nhiệt độ sôi thông thường.
Lõi hạt (1): Chứa cả nước lỏng/nước liên kết và hơi nước ở áp suất cao. Hơi nước không thể thoát ra vì nó bị bao quanh bởi áp suất cao từ mọi phía. Lớp ngoài của hạt (2): Hơi nước có thể thoát ra khỏi lớp này thông qua các lỗ xốp. Mặt cắt bay hơi (3): Đây là lớp nằm giữa lõi và lớp ngoài, nơi nước lỏng/nước liên kết chuyển hóa thành hơi nước. Kết quả là lớp ngoài của hạt trở nên khô, trong khi phần trung tâm vẫn chứa nhiều độ ẩm. Khi quá trình rang tiếp tục, mặt cắt bay hơi di chuyển dần vào bên trong về phía trung tâm của hạt, khi ngày càng có nhiều hơi nước thoát ra khỏi hạt.
Rào cản nhiệt
Khi quá trình rang tiến triển, lớp ngoài của hạt bắt đầu hoạt động như một rào cản, làm giảm lượng nhiệt truyền đến trung tâm của hạt.
Thứ nhất, lớp ngoài bị khô đi. Cà phê khô dẫn nhiệt kém hơn cà phê ẩm, vì vậy lớp ngoài khô tạo thành một rào cản bổ sung đối với nhiệt truyền đến trung tâm. Thứ hai, lớp ngoài bắt đầu trở nên xốp hơn khi cấu trúc tế bào bị phá vỡ. Các lỗ xốp có khả năng cách nhiệt vì chúng chứa đầy khí – hãy nghĩ đến cách polystyrene giãn nở hoạt động. Kết quả là sự gia tăng thể tích lỗ xốp làm cho lớp ngoài thậm chí còn kém hiệu quả hơn trong việc dẫn nhiệt vào trung tâm.
Trong giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt độ tăng nhanh hơn ở gần bề mặt hạt (1), trong khi nhiệt truyền chậm hơn vào các lớp sâu bên trong (2 và 3). Độ ẩm gần bề mặt hạt bay hơi trước, tạo thành một lớp hơi nước. Lớp này bắt đầu từ bề mặt hạt và dần dịch chuyển vào bên trong khi nhiệt độ tăng lên.
Độ ẩm trong lớp này hấp thụ năng lượng nhiệt từ bề mặt hạt khi bay hơi, khiến nhiệt không thể đi sâu hơn vào trong hạt. Khi lớp bề mặt mất đi độ ẩm, khả năng dẫn nhiệt của nó giảm, làm chậm quá trình truyền nhiệt vào lõi hạt. Sự khác biệt giữa tốc độ giãn nở của lớp ngoài và lớp trong gây căng thẳng lên cấu trúc hạt và thậm chí có thể làm nứt hạt, giống như cách kính bị nứt khi gặp nước nóng đột ngột.
Kết quả là lớp bề mặt của hạt ngăn nhiệt truyền đến lõi, làm tăng lượng nhiệt cần thiết để rang những hạt có độ ẩm cao.
Độ ẩm trong không khí của lò rang
Độ ẩm của không khí bên trong lò rang cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt. Không khí ẩm có nhiệt dung riêng cao hơn không khí khô, nghĩa là ở cùng nhiệt độ, không khí ẩm mang nhiều năng lượng hơn.
Không khí ẩm truyền năng lượng nhiệt đến hạt hiệu quả hơn, giúp quá trình rang diễn ra nhanh hơn khi độ ẩm không khí trong lò cao. Một số lò rang công nghiệp cho phép kiểm soát độ ẩm của khí trong quá trình rang. Lò rang tuần hoàn thường có môi trường bên trong ẩm hơn so với các loại lò khác.