Trong quá trình rang cà phê, hạt cà phê trải qua nhiều thay đổi vật lý và hóa học phức tạp. Một trong những hiện tượng quan trọng nhưng thường bị bỏ qua là quá trình chuyển pha thủy tinh (glass transition). Đây là giai đoạn mà cấu trúc của hạt cà phê chuyển từ trạng thái giòn, giống thủy tinh sang trạng thái dẻo, giống cao su, ảnh hưởng trực tiếp đến sự nở phồng, độ giòn và khả năng chiết xuất của hạt cà phê.
Khái niệm chuyển pha thủy tinh
Sự chuyển pha thủy tinh là sự thay đổi trong các tính chất vật lý của một vật liệu, từ trạng thái giòn và “thủy tinh” sang trạng thái “cao su”, hoặc mềm và nhớt. Nếu bạn từ từ nung nóng một loại nhựa cứng, giòn, nó cuối cùng sẽ trở nên mềm và dễ uốn. Nhiệt độ mà tại đó điều này xảy ra được gọi là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh.
Nhiều polyme (bao gồm cellulose tạo nên cấu trúc của thành tế bào trong hạt cà phê) hơi đàn hồi dưới nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của chúng. Điều này có nghĩa là chúng sẽ thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực, chẳng hạn như lực tạo ra bởi áp suất hơi nước tích tụ bên trong hạt cà phê. Tuy nhiên, nếu bạn loại bỏ lực đó, cấu trúc đàn hồi sẽ trở lại hình dạng ban đầu. Nhưng nếu bạn tác động lực quá mạnh, chúng sẽ gãy.
Khi nhiệt độ của nó vượt quá nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, cấu trúc trở nên mềm hơn, vì vậy dưới cùng một lực, nó sẽ giãn ra nhiều hơn và có thể thay đổi hình dạng vĩnh viễn. Đây là lý do tại sao một túi polyethene lại co giãn (nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của LDPE là khoảng -100°C) vì vậy nó mềm dẻo ở nhiệt độ phòng (Greene, 2021).
Quá trình chuyển pha thủy tinh ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và hương vị của hạt cà phê. Khi hạt cà phê chuyển sang trạng thái dẻo, áp suất hơi nước bên trong hạt có thể làm nở phồng hạt, tạo ra các kênh dẫn giúp nước dễ dàng thẩm thấu trong quá trình chiết xuất. Điều này cải thiện khả năng chiết xuất các hợp chất hòa tan trong cà phê, từ đó ảnh hưởng đến hương vị cuối cùng.
Ngoài ra, quá trình chuyển pha thủy tinh cũng ảnh hưởng đến độ giòn của hạt cà phê. Hạt cà phê ở trạng thái giòn dễ bị vỡ vụn trong quá trình xay, trong khi hạt ở trạng thái dẻo ít bị vỡ hơn, giúp bảo toàn hương vị và cấu trúc của cà phê.
Độ ẩm trong hạt cà phê đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nhiệt độ chuyển pha thủy tinh. Nước là chất làm mềm hiệu quả cho cellulose và các polymer khác trong hạt cà phê. Sự hiện diện của nước làm giảm nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, khiến hạt cà phê dễ dàng chuyển từ trạng thái giòn sang dẻo hơn. Điều này giải thích tại sao hạt cà phê ướt hoặc có độ ẩm cao có thể nở phồng và thay đổi hình dạng dễ dàng hơn so với hạt khô.
Ứng dụng trong quy trình rang cà phê
Trong quá trình rang, hạt cà phê đồng thời giảm độ ẩm và tăng nhiệt độ. Nhiệt độ chính xác mà tại đó hạt trải qua quá trình chuyển pha thủy tinh phụ thuộc vào tốc độ chúng mất độ ẩm. Nếu hạt khô đi, chúng sẽ cần đạt đến nhiệt độ cao hơn trước khi đạt đến ngưỡng chuyển pha thủy tinh. Mặt khác, nếu chúng giữ được độ ẩm, chúng sẽ trải qua quá trình chuyển pha thủy tinh ở nhiệt độ thấp hơn.
Về cuối quá trình rang, khi hạt trở nên hoàn toàn khô, chúng có thể trở lại trạng thái thủy tinh (Schenker và cộng sự năm 2008). Khi không có nước, nhiệt độ chuyển pha thủy tinh tăng lên; trong một số điều kiện rang nhất định, nó có thể tăng lên vượt quá nhiệt độ của hạt.
Trong quá trình rang ở nhiệt độ thấp, thời gian dài (Low temperature, Long Time – HTLT), hạt mất độ ẩm khi chúng nóng lên, do đó làm tăng nhiệt độ chuyển pha thủy tinh. Về cuối quá trình rang, nếu chúng tiếp tục mất độ ẩm mà không tăng thêm nhiệt độ, chúng có thể trở lại trạng thái thủy tinh nếu nhiệt độ chuyển pha thủy tinh bắt kịp nhiệt độ của hạt.
Trong quá trình rang ở nhiệt độ cao, thời gian ngắn (High temperature, Sshort Time – HTST), hạt nóng lên nhanh chóng, trước khi chúng có đủ thời gian để mất nhiều độ ẩm. Do đó, hạt trải qua quá trình chuyển pha thủy tinh ở nhiệt độ thấp hơn, điều này có thể giải thích tại sao hạt rang HTST nở ra với kích thước lớn hơn trong quá trình rang so với hạt rang theo phương pháp thông thường.
Mặt khác, khi được rang trong các điều kiện giống hệt nhau, hạt khô hơn nở ra nhiều hơn so với hạt có độ ẩm cao hơn (Schenker 2000). Điều này có thể là do các yếu tố khác, chẳng hạn như sự truyền nhiệt hiệu quả hơn ở hạt khô dẫn đến sự gia tăng tốc độ của các phản ứng giải phóng CO2 (Small và Horrell năm 1993).
Ngoài việc xác định cách hạt nở ra trong quá trình rang, quá trình chuyển pha thủy tinh cũng có thể tác động đến các thay đổi vật lý quan trọng khác mà hạt trải qua trong quá trình rang: tiếng nổ đầu tiên và tiếng nổ thứ hai.