Tiêu thụ cà phê có lịch sử lâu đời hơn so với quá trình rang cà phê hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm. Tại các khu rừng mây của Ethiopia và Nam Sudan, nơi cây cà phê có nguồn gốc, người dân địa phương nhai lá để lấy năng lượng nhanh chóng, chế biến rượu từ quả, hoặc sử dụng vỏ khô để pha chế một loại đồ uống có gia vị tương tự như cascara được gọi là qishr ( Pendergrast 2010). Dù nhà triết học và thầy thuốc Ba Tư thế kỷ 9 Muhammad ibn Zakariya al-Razi (thường gọi là Rhazes) thường được ghi nhận là người đầu tiên viết về cà phê, có khả năng cây cà phê đã được trồng ở Yemen từ thế kỷ thứ 6 ( Ukers 1922).
Những dụng cụ rang cà phê đầu tiên
Bằng chứng lâu đời nhất về việc rang cà phê được tìm thấy tại một địa điểm khảo cổ ở Julfar, một thành phố cảng thuộc Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất ngày nay, có niên đại từ đầu thế kỷ 13 (Kaltenstadler, 2011). Những hạt cà phê đã rang được phát hiện ở đây, cùng với đồ gốm Yemen, cho thấy cà phê đã được giao thương trong thế giới Ả Rập vào thời kỳ này. Cà phê uống vào giai đoạn đó có thể được rang nhẹ và pha trộn với gia vị, tương tự như cà phê “Ả Rập” hoặc “Vùng Vịnh” ngày nay.
Phong cách rang cà phê đậm màu phổ biến hiện nay được phát triển ở Thổ Nhĩ Kỳ vào thế kỷ 15 và 16, cùng với sự ra đời của các máy xay cà phê chuyên dụng đầu tiên và một phương pháp pha chế mới gọi là cezve. Cà phê được rang trên lửa bằng các chảo dài có tay cầm hoặc các đĩa đục lỗ làm từ đất nung hoặc kim loại.
Theo Ukers (1922), các lò rang trống hình trụ đầu tiên, làm từ kim loại đục lỗ và thiết kế để quay tay trên ngọn lửa, xuất hiện vào thế kỷ 17. Theo thời gian, các trống kim loại không đục lỗ được phát triển để bảo vệ hạt cà phê khỏi nhiệt độ quá cao và khói từ những ngọn lửa mạnh hơn ở châu Âu (Bersten, 1993).
Đến đầu thế kỷ 19, cà phê chủ yếu vẫn được rang thủ công tại nhà hoặc trong các cửa hàng nhỏ.
Quá trình rang thương mại quy mô lớn và sự phát triển của các máy rang hiện đại bắt đầu nhờ vào quá trình đô thị hóa nhanh chóng sau Cách mạng Công nghiệp (Morris, 2019). Tại Đức, luật cấm thay thế cà phê vào năm 1875 đã thúc đẩy sự phát triển của ngành rang thương mại, vì điều này đảm bảo cà phê không bị pha trộn với các chất như rễ cây bồ công anh hay chicory (Bersten, 1993). Đến cuối thế kỷ 19, máy rang trống hiện đại dần hình thành với hàng loạt bằng sáng chế và các thiết kế cạnh tranh cho máy rang cà phê.
Việc sử dụng khí tự nhiên như một nguồn năng lượng đã cho phép điều chỉnh nhiệt linh hoạt hơn và phát triển luồng khí kiểm soát thông qua quạt gió. Những cải tiến này đã đẩy nhanh đáng kể tốc độ truyền nhiệt vào hạt, mở đường cho kỹ thuật lập hồ sơ rang (roast profiling) như chúng ta biết ngày nay.
Luồng khí nóng được dẫn vào theo hướng song song với mép ngoài của hạt cà phê khi chúng di chuyển trong lồng rang. Nguyên lý này cũng được áp dụng trong các máy rang cỡ nhỏ hiện đại của các thương hiệu như Loring và Bellwether.
Thiết kế lồng rang cố định
Máy rang lồng gia nhiệt trực tiếp, như chúng ta biết ngày nay, đã phát triển từ các thiết bị hình trụ được thiết kế để rang cà phê tại nhà, bắt đầu được sử dụng vào thế kỷ XVII. Các xi-lanh kim loại được đổ đầy cà phê, đặt trên lửa và quay bằng tay. Khi quá trình rang hoàn tất, xi-lanh phải được lấy ra khỏi lửa, hoặc dập tắt lửa, trước khi có thể lấy cà phê ra. Xi-lanh thường được bịt kín ở cả hai đầu, và hạt cà phê được đưa vào và lấy ra thông qua một cửa nhỏ trên thành bên của xi-lanh.
Lồng rang được làm bằng kim loại đặc hoặc kim loại đục lỗ. Kim loại đục lỗ cho phép tiếp xúc gần hơn với ngọn lửa và do đó rang nhanh hơn, nhưng lồng rang đục lỗ dần dần bị thay thế bởi lồng rang kim loại đặc, giúp bảo vệ hạt cà phê khỏi khói và muội than. Lồng rang hình cầu được phát triển vào giữa thế kỷ XIX; chiếc máy rang hình cầu thành công thương mại đầu tiên được chế tạo vào năm 1870 bởi Emmericher Maschinenfabrik und Eisengießerei (sau này đổi tên thành Probat).
Việc phải lấy toàn bộ lồng rang ra khỏi ngọn lửa là một trở ngại lớn cho sự phát triển của các máy rang thương mại lớn. Một giải pháp, sau này trở thành kiểu máy rang phổ biến nhất ở Hoa Kỳ (Pendergrast 2010), là máy rang “kéo ra” Carter, được cấp bằng sáng chế vào năm 1846. Thiết kế này, được điều chỉnh cho các hoạt động rang quy mô lớn, dựa trên các xi-lanh lớn bằng tấm sắt đục lỗ được gắn trên các trục kim loại dài. Người rang có thể nạp tới 200 pound (90 kg) cà phê vào mỗi lồng và trượt nó dọc theo trục vào lò gạch. Lồng trượt cho phép lò được bao kín hoàn toàn, giúp cách nhiệt cho máy rang và giảm thời gian rang từ 60 xuống khoảng 45 phút.
Khi hạt cà phê đã đủ độ rang, người rang sẽ kéo lồng rang ra khỏi lò và đổ cà phê vào máng hoặc xuống sàn để làm nguội, vừa khuấy hạt bằng tay vừa rưới nước lạnh để làm nguội nhanh hơn (Thurber 1881).
Khuôn mẫu cho các máy rang trống hiện đại được thiết lập bởi Jabez Burns – một nhà phát minh có cái tên rất phù hợp, người mà bằng sáng chế năm 1864 của ông đã mô tả một ý tưởng đơn giản nhưng mang tính cách mạng: một cặp gờ xoắn ốc đối nhau bên trong trống sẽ đẩy hạt cà phê lên một bên thành xi-lanh và xuống bên kia khi trống quay. Việc mở một cửa ở một đầu của máy rang cho phép sự quay của trống đẩy hạt cà phê ra ngoài, do đó không còn cần phải di chuyển trống ra khỏi lửa để nạp và dỡ hạt.
Burns viết: “Với sự sắp xếp này, có thể sử dụng các xi-lanh có đường kính lớn hơn nhiều và hoàn thành nhiều công việc hơn so với phương pháp treo và nạp các xi-lanh rang thông thường.” Burns tiếp tục phát minh ra tiền thân của khay làm nguội hiện đại, sử dụng quạt để hút không khí lạnh xuống xuyên qua các hạt cà phê, vào năm 1867.
Theo thông tin từ bằng sáng chế số US241295A do Jabez Burns nộp vào năm 1880 và được cấp vào ngày 10 tháng 5 năm 1881, trống rang trong thiết kế của ông không được mô tả là có đục lỗ. Bằng sáng chế này tập trung vào các cải tiến như đầu trống có thể lật để nạp và xả cà phê, cũng như các gờ xoắn ốc bên trong trống để đảo đều hạt cà phê trong quá trình rang.
Nhận thức về tầm quan trọng của khí nóng
Bước phát triển quan trọng cuối cùng trong quá trình hoàn thiện máy rang trống như ta biết ngày nay là sự xuất hiện của luồng khí được kiểm soát. Vào năm 1884, Alex van Gülpen, một trong những người sáng lập Emmericher Maschinenfabrik und Eisengießerei (chính là tiền thân và sau này đã đổi tên thành Probat), đã giới thiệu một thiết bị hút khí giúp dẫn không khí qua trống rang để loại bỏ khí sinh ra trong quá trình rang (Bersten 1993). Tuy nhiên, nhà phát minh người Đức – Carl Salomon mới là người đầu tiên nhận thức đầy đủ về tầm quan trọng của luồng khí trong việc rang cà phê.
Trong bằng sáng chế năm 1892 của mình, Salomon mô tả cách dẫn không khí nóng vào trong trống rang cho phép quá trình rang diễn ra ở nhiệt độ cao hơn rất nhiều: “Trong các phương pháp rang cà phê trước đây… người ta luôn tránh nhiệt độ cao vì lo ngại việc rang quá tay hoặc thậm chí làm cháy hạt.” Trước đó, các máy rang chủ yếu dựa vào truyền dẫn nhiệt qua tiếp xúc giữa thành trống và hạt cà phê, điều này khiến việc sử dụng nhiệt độ cao dễ dẫn đến cháy xém. Để tránh tình trạng đó, người rang thường sử dụng nhiệt độ thấp, khiến thời gian rang kéo dài tới cả giờ đồng hồ. Quá trình rang chậm như vậy khiến độ axit và hương thơm đặc trưng của cà phê bị mất đi, tạo ra hương vị giống như cà phê “nướng chín”. Salomon viết: “Do thời gian rang kéo dài, phần chiết xuất hòa tan đã phần nào bị phân hủy hoặc phá hủy, biến thành các chất dễ bay hơi.”
Khi không khí nóng đi qua trống rang, nó truyền nhiệt cho hạt cà phê bằng đối lưu, trong khi bản thân thành trống tiếp tục truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt. Việc kết hợp cả hai hình thức truyền nhiệt – đối lưu và dẫn nhiệt – trong máy rang giúp tăng đáng kể tốc độ truyền nhiệt. Luồng khí còn có tác dụng phụ rất có lợi: loại bỏ khói khỏi trống rang. Salomon lưu ý: “Các chất có mùi khói (empyreumatic matters) được loại bỏ, trong khi hương thơm vẫn được phát triển… chỉ trong khoảng thời gian ngắn từ năm đến mười phút ở nhiệt độ cao.”
Máy rang trống được sử dụng tại nhà máy rang cà phê của Quân đoàn Hậu cần Quân đội Hoa Kỳ tại Essonnes, Pháp, năm 1918
Vì các lồng rang hiện đại đã chuyển sang dùng kim loại đặc để bảo vệ hạt cà phê khỏi khói và muội, nên việc gọi là “trống rang” để ít gây nhầm lẫn hơn so với việc vẫn dùng từ “lồng” mà trước đây có thể ám chỉ loại đục lỗ.
Khi tầm quan trọng của không khí nóng đã được xác định, bước tiếp theo hợp lý là loại bỏ hoàn toàn nhiệt trực tiếp trên trống và chỉ làm nóng lò rang bằng không khí nóng. Các lò rang trống làm nóng gián tiếp theo nguyên tắc này bắt đầu xuất hiện vào đầu thế kỷ XX.