Khi chúng ta xay cà phê, nó không được cắt thành những khối nhỏ gọn gàng. Đúng hơn, nó vỡ ra thành một loạt các kích thước khác nhau. Bất kỳ hạt nào lớn hơn khoảng cách giữa các lưỡi xay không thể thoát ra ngoài sẽ tiếp tục bị xay, tạo ra nhiều hạt nhỏ hơn. Vào thời điểm cà phê ra khỏi máy xay, nó là một hỗn hợp bao gồm: Hạt to bằng kích thước mục tiêu, các hạt lớn hơn, được gọi là “boulder” và các mảnh nhỏ, được gọi là “fine” (như minh họa bên dưới). Sự sai khác về kích thước quanh một phạm vi nhất định như vậy được gọi là phân bố kích thước hạt (Particle Size Distribution– viết tắt là PSD).
Điều quan trọng cần quan tâm ở đây là kích thước hạt cà phê sau khi xay không thực sự quyết định những gì đang được chiết xuất. Nó chỉ thay đổi thứ tự và số lượng những thứ được chiết xuất. Tất cả hương vị ở ngay đó, trong hạt cà phê, sẵn sàng được hòa tan. Tùy thuộc vào kích cỡ hạt sẽ có ít hay nhiều chất hòa tan đi vào nước ngay lập tức. Vì vậy, mục tiêu duy nhất của quá trình xay, là tạo ra các hạt cà phê có cùng kích thước.
Để hiểu tầm quan trọng của phân bố kích thước hạt xay, hãy tưởng tượng một máy xay tạo ra 99 hạt cà phê hình lập phương có kích thước 1x1x1 mm, và một hạt rất lớn, có kích thước 10x10x10 mm (chúng ta đang sử dụng các đơn vị tưởng tượng ở đây). Như vậy, điều này cho thấy nó đã xay các hạt cà phê rất đồng đều (với tỷ lệ 99% hạt cỡ 1mm). Bây giờ, hãy giả sử khối lượng riêng của cà phê là 1 g/mm3 (cứ 1 milimet khối thể tích tương đương với 1 gam), khi đó mỗi hạt nhỏ sẽ chỉ nặng 1g; các hạt lớn sẽ là 1×103 gam hay 1.000g. Và do đó, 99 hạt nhỏ chỉ nặng 99 gam và chiếm 9.9% khối lượng của một hạt lớn duy nhất. Nói cách khác, khi xem xét theo khối lượng, khối bột cà phê xay này có 90% hạt cỡ 10 mm.
Trong phân bố kích thước hạt xay ngoài đời thực, những khác biệt giữa các cỡ hạt còn lớn hơn rất nhiều so với ví dụ giả định đã đưa ra. Thông thường, sau khi xay, các hạt có kích thước từ gần 0 μm đến 1000 μm (1000 micromet = 1 milimet). Với cà phê xay cho Espresso điển hình, cứ một hạt có đường kính lớn hơn 100 μm thì có 100 triệu hạt nhỏ hơn 100 μm.
Ý nghĩa của phân bố kích thước hạt
Khi đặt ra khái niệm “sự phân bố kích thước hạt” và tìm kiếm độ đồng nhất tương đối của kích thước hạt trong quá trình xay, đồng nghĩa rằng chúng ta hầu như không thể đảm bảo hạt cà phê được phân chia đồng đều như nhau với mọi mảnh vỡ. Một số hạt sẽ rất to, số khác lại vô cùng nhỏ. Việc sử dụng máy xay tạo ra sự phân bố kích cỡ hạt xay lớn (có nhiều cỡ hạt khác nhau) có thể là một vấn đề: chúng ta đang trộn rất nhiều loại hương vị khác nhau trong mỗi lần pha.
Trong một thế giới hoàn hảo, máy xay sẽ tạo ra các hạt cà phê có cùng kích thước. Nhưng điều này là không thực tế, vì vậy chúng ta luôn thấy một biên độ nhất định của các kích thước hạt. Những máy xay tốt nhất sẽ tạo ra sự chênh lệch kích cỡ hạt nhỏ nhất. Với việc loại bỏ các hạt mịn cùng với các hạt quá thô, bạn có thể xay với kích thước hạt trung bình nhỏ hơn, để chiết xuất nhiều hơn từ mỗi hạt. Tỷ lệ chiết xuất mục tiêu sẽ cao hơn nhiều so với giới hạn lý thuyết 18-22% để đạt ngưỡng 20-24% mà chúng ta đã đề cập. Tóm lại, trong hầu hết trường hợp, sự phân bố kích thước hạt trung bình càng nhỏ càng tốt, có nghĩa là tất cả các hạt phải có kích thước gần như tương tự nhau. Espresso có thể là ngoại lệ duy nhất (chúng ta sẽ đề cập chi tiết trong phần Espresso).
Các quá trình chiết xuất (bao gồm cả xói mòn và khuếch tán) chỉ diễn ra từ bề mặt hạt đến tối đa khoảng 100 μm bên trong mỗi hạt cà phê (tương đương với một sợi tóc người). Trong khi đó, kích thước điển hình của một tế bào bên trong hạt cà phê sau khi rang là khoảng 20-40 μm. Như vậy, bất kỳ hạt cà phê nào có bán kính lớn hơn 100 μm, lõi của mỗi hạt sẽ tương đối không bị ảnh hưởng khi chiết xuất. Lấy ví dụ, đối với cà phê lọc bằng phễu V60, phân bố cỡ hạt trung bình vào khoảng 500 μm. Điều này có nghĩa là nước sẽ cần phải khuếch tán qua 12 đến 13 lớp tế bào để đến được lõi của mỗi hạt cà phê. Tuy nhiên, trên thực tế, nước nóng chỉ có thể chạm tới xấp xỉ 5 lớp tế bào cà phê. Vì vậy một số phương pháp pha chế, chẳng hạn như bình ép French press, có kích thước hạt trung bình cao hơn nhiều: 800 – 900 μm. Về lý thuyết, phần lõi của các hạt cà phê này sẽ không đóng góp bất cứ thành phần hương vị nào.
Nói cách khác, một hạt cà phê càng nhỏ sẽ có khả năng chiết xuất đồng đều hơn, bởi vì nó bao gồm một lớp bề mặt chiết xuất đồng nhất, cộng với sự đóng góp nhỏ của phần lõi được chiết xuất từ từ (sự kết hợp sẽ bị lệch một chút, vì vùng lõi sẽ đóng góp ít hơn phần bề mặt). Ngược lại, hạt cà phê lớn hơn sẽ tạo ra chiết xuất ít đồng đều hơn, vì các lớp bên ngoài của hạt lớn sẽ bị chiết xuất dư thừa trước khi lớp bên trong có thể bắt kịp, để đạt được chiết xuất trung bình ngang bằng.
Giả sử bạn có một số lượng lớn các hạt cà phê thô hình cầu, tất cả đều có cùng kích thước. Bạn sẽ phải đối mặt với một sự lựa chọn: Hoặc là bạn chỉ chiết xuất trên lớp vỏ mỏng xung quanh mỗi hạt cà phê một cách tương đối đồng đều và lãng phí nhiều cà phê trong lõi. Hoặc bạn tận dụng tối đa, và tạo ra quá trình chiết xuất không đồng đều. Chúng tôi đã sử dụng minh họa bên cạnh để giải thích cho sự ảnh hưởng của kích thước hạt xay khác nhau đến cấu hình hương vị trong pha chế.
Minh họa cho cơ chế chiết xuất của các cỡ hạt khác nhau, phỏng theo The Physics of Filter Coffee, Jonathan Gagné, 2021. Với hạt cà phê xay thô, hai lớp (trắng và đỏ) có tổng kích thước gần như giống nhau. Do đó, lượng chiết xuất từ lớp bề mặt và lớp bên trong là tương đối giống nhau. Nhưng đối với hạt nhỏ, lớp bề mặt sẽ có kích thước lớn hơn so với kích thước của lớp bên trong. Điều này có nghĩa là lượng chiết xuất của lớp bề mặt sẽ cao hơn đáng kể so với lớp bên trong. Điều này giúp giải thích tại sao cà phê được pha chế trên các cỡ xay khác nhau có thể có hương vị rất khác nhau, ngay cả khi có thể đạt cùng một tỷ lệ chiết xuất nhất định.
Để dễ hiểu, hãy giả định rằng chúng ta đang pha chế cà phê Espresso và cà phê French press với khả năng đạt được tỷ lệ chiết xuất (Ey) chính xác như nhau với cả hai cách pha. Vì Espresso thường cô đặc hơn, nên chúng ta sẽ phải pha loãng Espresso để có được nồng độ chất tan (TDS) chính xác như đối với French press. Điều chắc chắn là hai loại đồ uống này sẽ không có mùi vị giống nhau chút nào. Đó là bởi vì các hạt cà phê trong Espresso được xay rất mịn nên tất cả đều cho ra các thành phần chất tan tương tự như nhau (như những hạt cà phê nhỏ mà bạn thấy trong minh họa), trong khi đó loại cà phê từ French press là kết quả của việc hòa tan quá nhiều từ lớp bề mặt, trước khi các lớp bên trong được hoà tan.
