Quay lại với khái niệm “chiết xuất”, chúng ta đã biết nó không chỉ đại diện cho kết quả của việc “hoà tan cà phê trong nước”, mà còn chỉ toàn bộ quá trình này. Những chất hòa tan này tạo nên (gần như) mọi hương vị mà bạn cảm nhận được. Tuy vậy, không phải tất cả hương vị của cà phê đều được chiết xuất như nhau, tại cùng thời điểm. Vấn đề đặt ra là phải kiểm soát lượng hương vị mà chúng ta đưa vào nước để tạo ra một tách cà phê ngon. Điều này bắt nguồn từ việc hiểu cách mà nước lấy đi các hương vị trong cà phê. Như vậy, dù muốn hay không – khi nhắc đến chiết xuất, nghĩa là chúng ta phải đề cập đến vai trò của nước.
1. Hoà tan
Ở cấp độ phân tử, nước là một dung môi tuyệt vời vì nó có sự sắp xếp phân cực, tức là hai nguyên tử Hydro với điện tích dương (+) ở một bên và một nguyên tử Oxy có điện tích âm (-) ở bên kia tạo thành phân tử nước (H2O). Điều này làm cho nước “siêu hấp dẫn” với nhiều loại phân tử. Và bởi vì nước có tính hấp dẫn rất mạnh, nó sẽ kéo đứt các liên kết của các phân tử khác, khiến chúng hòa tan vào nước. Nếu bạn đun nóng nước, tất cả các phân tử của nó sẽ bắt đầu di chuyển nhanh chóng, làm cho nó trở thành một dung môi – thậm chí còn hiệu quả hơn trong việc hòa tan các hương vị khác nhau trong cà phê.
Khả năng hòa tan trong nước của các hợp chất cho phép chúng được chiết xuất vào đồ uống cà phê. Dựa theo cơ chế hoà tan của một chất, nó có thể phân làm hai loại, hoặc là hoà tan ion (Ionically), hoặc hoà tan ở trạng thái phân tử (dissolves).
- “Ionically” chỉ trạng thái hoà tan mà trong đó một chất được phân tán thành các ion riêng lẻ trong dung môi. Các hợp chất như axit trong cà phê thường hoà tan ở trạng thái ion. Ví dụ như axit citric (CH3COOH) sẽ phân li thành các ion CH3COO– và H+. Quá trình này được gọi là hoà tan ion.
- Mặt khác, “dissolves” chỉ đơn giản là chất được hoà tan đi vào dung môi để tạo thành dung dịch đồng nhất. Quá trình này có thể xảy ra cho cả các chất phân tử và các chất ion. Ví dụ, đường (C12H22O11) hay caffeine (C8H10N4O2) là các phân tử tương đối lớn nhưng nó vẫn có thể hoà tan vào nước để tạo thành một dung dịch. Quá trình này được gọi là hoà tan phân tử.
Sự hòa tan các hợp chất hòa tan trong nước dù ở trạng thái ion hay phân tử đều diễn ra tự nhiên khi nước di chuyển trên bã cà phê trong quá trình pha cà phê. Và do đó quá trình này sẽ diễn ra gần như ngay lập tức, với các phân tử có cấu trúc đơn giản.
2. Thủy phân
Thủy phân là tên chung của quá trình phân tách một phân tử thành hai phân tử khác nhau thông qua sự thêm nước. Trong quá trình chiết xuất, các hợp chất không hòa tan hoặc có thể hòa tan nhưng có kích thước lớn có thể được “làm lỏng” khỏi các hạt cà phê thông qua các phản ứng thủy phân. Thuỷ phân là một loạt các phản ứng góp phần lớn chất hòa tan vào chiết xuất cà phê, điển hình là các axit hữu cơ cỡ lớn, các phân tử carbohydrate phức tạp, các hợp chất caramel hay melanoidin (sản phẩm của phản ứng Maillard).
3. Xói mòn
Thông thường, khi nước nóng tiếp xúc với một hạt cà phê xay, chỉ trong vài giây, quá trình xói mòn sẽ rửa trôi các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp và dễ hòa tan, cũng như các hợp chất thơm dễ bay hơi. Đồng thời, các hạt cà phê trương nở lên, do cấu trúc cellulose không hòa tan trong nước, chúng sẽ sắp xếp lại về mặt hình học do dòng nước và/hoặc áp suất (như trong trường hợp của Espresso). Cùng với sự giải thoát khí CO2 ra khỏi cấu trúc hạt, nước sẽ đi sâu vào các khoang rỗng bên trong hạt cà phê và bắt đầu một quá trình quan trọng hơn được gọi là sự khuếch tán.
Trong tự nhiên, chúng ta chứng kiến sự xói mòn đất, đá gây nên bởi dòng nước. Thì với cà phê, xói mòn là một trong hai cách thức góp phần vào quá trình chiết xuất cà phê nói chung (cách thứ hai là sự khuếch tán), nước sẽ di chuyển trên bề mặt của những hạt cà phê và cuốn đi những chất hoà tan mà nó gặp phải.
4. Khuếch tán
Từ quan điểm pha chế, việc lấy đi chất hòa tan từ bên trong hạt chủ yếu dựa vào sự khuếch tán (diffusion) – đây là một quá trình mất vài phút và có thể không bao giờ hoàn thành.
Trong quá trình khuếch tán, sự chênh lệch nồng độ làm cho chất rắn di chuyển từ hạt cà phê sang nước (chất rắn sẽ luôn di chuyển từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực lân cận có nồng độ thấp hơn). Chất rắn hòa tan trong nước sau đó phải khuếch tán qua các lỗ của cấu trúc hạt (cellulose) để hòa vào chất lỏng bao quanh hạt. Do vậy, sự khuếch tán bên trong hạt chậm hơn vì trải qua nhiều bước: Nước phải đi qua các khoang rỗng từ mặt cắt hạt, hòa tan chất rắn, đi ngược lại các lỗ rỗng và cuối cùng mang chất rắn ra khỏi bã cà phê. Các hạt cà phê càng lớn, quá trình chiết xuất càng chậm, vì chúng có đường khuếch tán dài hơn.
Quá trình khuếch tán xảy ra vì sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử, và nó diễn ra trong cả chất rắn, chất lỏng và khí. Một trường hợp đặc biệt quan trọng của sự khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ dẫn đến được gọi là hiện tượng thẩm thấu. Trong khi trong quá trình thẩm thấu, các chất di chuyển thông qua một màng (trong trường hợp này là thành tế bào nhân cà phê) dựa trên một lực đẩy từ phía có nồng độ chất cao hơn đến nơi có nồng độ chất thấp hơn.
Chuyển động của các các hợp chất tạo hương vị trong cà phê thông qua khuếch tán (hay thẩm thấu) là hoàn toàn ngẫu nhiên và xảy ra ngay cả khi không có có tác động từ trọng lực, sự xói mòn của dòng nước hoặc sự khuấy động vật lý khác. Mặt khác, sự khuếch tán là một hàm của thời gian, nhiệt độ, độ nhớt của chất lỏng, nồng độ chất hoà tan trong cả chất lỏng và chất rắn, v.v… và tuân theo một định luật riêng – được gọi là định luật Fick. Tuy nhiên, chúng ta không cần tiếp tục đào sâu phân tích khía cạnh này, trong lĩnh vực pha chế cà phê.
Có một số phân tử nhất định không được chiết xuất từ cà phê, vì một vài lý do. Đầu tiên, các hợp chất có thể không hòa tan trong nước (insoluble). Những hợp chất không hòa tan này bao gồm các thành phần vĩ mô của thành tế bào cà phê, chúng vẫn tồn tại trong quá trình rang. Đây là các polysaccharide như cellulose, hemicellulose, lignin, v.v… Hemicellulose bao gồm ba loại đường chính là mannose (là loại có nhiều nhất), tiếp theo là galactose và arabinose, tất cả đều được tìm thấy trong thành tế bào cà phê. Tuy nhiên, những phân tử lớn này rất khó (hoặc gần như là không thể) bị thủy phân trong quá trình chiết xuất. Các phân tử lớn khác, chẳng hạn như protein hoặc những phân tử có nguồn gốc từ quá trình phân hủy protein. Ví dụ như các hợp chất melanoidin có trọng lượng phân tử cao – phần lớn vẫn còn “mắt kẹt” trong cấu trúc hạt cà phê và ở lại đó cho đến khi nó trở thành bã cà phê đã qua sử dụng, trong khi các phân tử melanoidin nhỏ hơn sẽ dễ hoà tan hơn, sẽ đóng góp đáng kể vào quá trình chiết xuất vì chúng mang lại màu sắc, hương vị và kết cấu của cà phê. Ngoài ra, một số loại khoáng chất cũng không được chiết xuất vào cà phê pha, chẳng hạn như kali, phốt pho và magiê, v.v…
