Trong nhiều năm, “lên men” trong chế biến ướt thường được xem như một bước phụ để làm sạch lớp nhầy. Nhưng khi ngành cà phê chuyển mình sang hướng kiểm soát chất lượng và điều biến hương vị, câu hỏi quan trọng bắt đầu xuất hiện: rốt cuộc, hạt cà phê hấp thụ hương vị trong quá trình lên men bằng cách nào? Và tại sao cùng một công thức lên men lại cho ra những kết quả khác nhau?
Những câu hỏi này dẫn đến một phát hiện then chốt: hạt cà phê không phải vật thể thụ động nằm yên trong bể lên men. Nó là một hệ sinh học còn sống, được bảo vệ bởi nhiều lớp cấu trúc vi mô phức tạp – từ lớp nhầy giàu pectin, vỏ trấu dạng “ván ép”, đến nội nhũ dày đặc polysaccharide và lipid. Đồng thời, hệ vi sinh vật bên ngoài lại sản sinh hàng trăm hợp chất hương dễ bay hơi, nhưng chỉ một phần rất nhỏ trong số đó thực sự xâm nhập được vào nhân hạt.
Vì vậy, để hiểu tại sao quá trình lên men có thể làm thay đổi hương vị cà phê, cần nhìn vào cả hai phía: những gì diễn ra trong môi trường lên men và cách hạt cà phê phản ứng với môi trường đó. Từ sự thay đổi của chính hạt, hoạt động của vi sinh vật cho đến khả năng các hợp chất di chuyển và được giữ lại trong hạt, tất cả cùng quyết định phần nào hương vị cuối cùng của cà phê.
Các lớp cấu trúc và rào cản khuếch tán của hạt cà phê
Để hiểu được cách thức các hợp chất hương vị di chuyển từ môi trường lên men vào bên trong hạt, trước tiên cần phải giải mã cấu trúc giải phẫu của quả cà phê (Coffea arabica và Coffea canephora). Hạt cà phê sẽ không tiếp xúc trực tiếp với môi trường lên men mà được bao bọc bởi nhiều lớp mô, mỗi lớp có cấu trúc và tính chất khác nhau. Chính những lớp này tạo ra các mức độ cản trở khác nhau đối với sự di chuyển của nước, khí và các hợp chất từ bên ngoài vào hạt.
Ngoại bì (Exocarp) và trung bì (Mesocarp)
Lớp nhầy bao bọc bên ngoài hạt cà phê (mucilage) thực chất được hình thành từ lớp nhu mô bên trong của vỏ quả (mesocarp). Đây là một lớp mô mềm gồm các tế bào có hình dạng kéo dài và vách tế bào rất mỏng. Dù mỏng, những vách tế bào này có tính chất hóa nhầy (mucilaginous), có khả năng giữ và hấp thụ một lượng nước rất lớn, tạo nên lớp gel đặc trưng bao quanh hạt cà phê[1].
Trong quá trình lên men, khi pH giảm và cấu trúc pectin trong lớp nhầy thay đổi, mô này trở nên trương nở và nhớt hơn. Điều đó làm giảm khả năng di chuyển của các phân tử trong lớp nhầy, tạo thành một rào cản đối với sự khuếch tán của các hợp chất từ môi trường lên men vào hạt. Nói cách khác, lớp nhầy không chỉ là nơi diễn ra quá trình lên men mà còn làm tăng độ nhớt và làm chậm tốc độ khuếch tán của các phân tử hương vị từ dịch lên men vào bề mặt hạt.
Hãy tưởng tượng việc bơi trong hồ nước (độ nhớt thấp) so với bơi trong hồ chứa đầy hồ dán (độ nhớt cao). Khi lớp nhầy biến thành dạng Gel/Thạch, các phân tử hương vị (Ester, Alcohol…) gặp lực cản ma sát rất lớn.
Trong nghiên cứu của Avallone và cộng sự (1999), cho thấy sau 20 giờ lên men, các tế bào lớp nhầy vẫn còn nguyên và chứa pectin (pectin không bị phân hủy đáng kể bởi enzyme). Sự tách lớp nhầy chủ yếu xảy ra khi vi sinh vật tiêu thụ đường, làm thay đổi áp suất thẩm thấu và pH, từ đó gây nứt gãy các tế bào nhầy tại điểm liên kết với vỏ thóc.
Vỏ trấu (Endocarp)
Nếu lớp nhầy là môi trường diễn ra quá trình lên men, thì vỏ trấu (parchment) là lớp bảo vệ tiếp theo bao quanh hạt. Các phân tích định lượng chỉ ra rằng vỏ trấu bao gồm cellulose (40–49%), hemicellulose (25–32%) và lignin (33–35%. Đặc điểm nổi bật của các tế bào này là sự lignin hóa cao độ của thành tế bào thứ cấp[2]. Cấu trúc này hoạt động như một rào cản vật lý, hạn chế sự trao đổi nước và khí tự do, bảo vệ phôi hạt khỏi các tác động bất lợi từ môi trường bên ngoài.
Đặc biệt, các sợi trong vỏ trấu không xếp cùng một hướng mà đan xen giữa nhiều lớp (Dedecca, 1957) , tạo thành một cấu trúc tương tự gỗ dán (plywood). Vì vậy, các chất từ bên ngoài muốn đi vào hạt không thể di chuyển theo một đường thẳng mà phải đi qua một mạng lưới cấu trúc khá phức tạp. Điều này làm tăng trở lực đối với quá trình khuếch tán.
Lớp vỏ trấu có vai trò chính là bảo vệ hạt cà phê (De Castro & Marraccini, 2006). Cấu trúc cứng và hóa gỗ (lignified) giúp hạn chế sự xâm nhập của vi sinh vật, nấm mốc, sâu bệnh và bảo vệ hạt trước các tác động cơ học từ môi trường bên ngoài. Đồng thời, lớp vỏ này cũng góp phần bảo vệ hạt khỏi các enzym tiêu hóa khi quả cà phê được động vật ăn.
Cấu trúc này khiến vỏ trấu trở thành một rào cản đáng kể đối với sự di chuyển của các chất từ môi trường bên ngoài vào hạt. Các hợp chất không đi qua lớp vỏ này với cùng tốc độ hay mức độ; khả năng khuếch tán phụ thuộc vào đặc tính của từng phân tử và điều kiện của môi trường. Vì vậy, những hợp chất được tạo ra trong quá trình lên men không đơn giản là “đi vào” hạt cà phê, mà phải trải qua một quá trình khuếch tán bị giới hạn bởi nhiều lớp cấu trúc của quả.
Nội Nhũ (Endosperm)
Nghiên cứu của Osorio và cộng sự (2023), sử dụng cả phương pháp truy dấu đồng vị carbon, xác nhận có sự khuếch tán chất từ bên ngoài vào bên trong hạt, nhưng quá trình này không xảy ra tức thời và không diễn ra theo cùng quy luật với những biến đổi trong lớp nhầy. Điều đó cho thấy sự di chuyển của các hợp chất vào nội nhũ là một quá trình có giới hạn, phụ thuộc vào từng hợp chất và thời gian tiếp xúc.
Vượt qua lớp vỏ trấu, đích đến cuối cùng của các phân tử hương là nội nhũ – phần nhân hạt cà phê. Đây không phải một khối xốp trơ lỳ, mà là mô sống tích trữ năng lượng nuôi dưỡng mầm cây (Li et al., 2021). Các nghiên cứu theo dõi đồng thời thành phần hóa học của lớp nhầy và nội nhũ cho thấy mức độ biến đổi trong nội nhũ thường thấp hơn đáng kể so với môi trường bên ngoài (Osorio et al., 2023). Thậm chí, một số hợp chất tăng lên rõ rệt trong lớp nhầy nhưng không tạo ra sự thay đổi tương ứng trong nội nhũ.
Một nghiên cứu giải phẫu so sánh hạt Arabica và Robusta cho thấy vách tế bào chiếm khoảng 43% diện tích tế bào ở Robusta, trong khi ở Arabica là khoảng 29% (Abdallah et al., 2021). Đáng chú ý, sự khác biệt này không đến từ việc vách tế bào Robusta dày hơn, mà chủ yếu liên quan đến cấu trúc tế bào nhỏ hơn và tỷ lệ diện tích vách tế bào lớn hơn. Điều này cho thấy nội nhũ Robusta có cấu trúc tế bào đặc hơn Arabica. Đặc điểm này có thể tạo thêm trở lực đối với sự di chuyển của các chất bên trong hạt trong quá trình lên men.
Một trong những khía cạnh thường bị bỏ qua nhất trong chế biến cà phê là trạng thái sinh lý của hạt. Do thuộc nhóm hạt “không chịu mất nước” (recalcitrant), hạt không trải qua giai đoạn ngủ nghỉ khô như các loại hạt thông thường (như lúa mì hay đậu) mà sẵn sàng nảy mầm ngay khi tách khỏi phần thịt quả. Do đó, sự khác biệt sâu sắc về phẩm chất hương vị giữa cà phê chế biến ướt (washed) và chế biến khô (natural) không đơn thuần đến từ việc rửa sạch hay giữ lại lớp vỏ ngoài, mà bắt nguồn từ chính các phản ứng chuyển hóa nội sinh xảy ra bên trong hạt sống khi nó phản ứng với môi trường chế biến xung quanh.
Chuyển hóa nội sinh và hoạt động của vi sinh vật
Ngay khi tiếp xúc với nước trong quá trình ngâm rửa hoặc lên men, hạt cà phê bắt đầu quá trình nảy mầm (Da Silva et al., 2008). Môi trường lên men – đặc biệt khi hạt bị ngập hoàn toàn – nhanh chóng tạo ra tình trạng thiếu oxy hoặc kỵ khí. Vì hạt vẫn duy trì hoạt động hô hấp, sự thiếu hụt oxy buộc chúng chuyển sang các con đường trao đổi chất thay thế để duy trì sự sống. Trong điều kiện oxy thấp, chu trình Krebs bị hạn chế. Hạt cà phê tăng cường đường phân (glycolysis) để tạo ATP, kéo theo sự tích lũy ethanol và axit lactic nội sinh.
Quan trọng hơn, trạng thái stress này kích hoạt con đường GABA shunt, chuyển hóa glutamic acid thành gamma-aminobutyric acid (GABA)[4]. Đây là một chuỗi các cơ chế này giúp bảo vệ tế bào hạt trong các điều kiện bất lợi, do đó, các hợp chất từ môi trường lên men khó xâm nhập vào bên trong hạt. Sự tích lũy GABA, cùng với các axit amin tự do khác như alanine và các axit hữu cơ như succinic acid, tạo ra một hồ sơ tiền chất hương vị độc đáo. Những hợp chất này là nguyên liệu thiết yếu cho phản ứng Maillard khi rang, đóng góp vào vị ngọt, độ đậm (body) và hương vị phức tạp của cà phê (Selmar et al., 2006).
Sự kết hợp giữa lượng axit amin tự do cao và hàm lượng đường đơn thấp hơn tạo nên đặc tính hương vị riêng của cà phê chế biến ướt: vị chua thanh, vị đắng mượt (clean taste), ít vị ngọt đằm và độ ngậy hơn so với chế biến khô.
(Selmar et al., 2006)
Song song với các quá trình chuyển hóa nội sinh của hạt, hệ vi sinh vật trong bể lên men cũng làm thay đổi đáng kể thành phần hóa học của cà phê, qua đó bổ sung và làm phong phú thêm nguồn tiền chất hương vị.
Quá trình này chủ yếu liên quan đến sự hoạt động kế tiếp và tương tác giữa vi khuẩn axit lactic (LAB) và nấm men. LAB, với các chi như Leuconostoc, Lactobacillus và Lactococcus, sử dụng đường trong lớp nhầy và tạo ra axit lactic, axit axetic, mannitol cùng nhiều chất chuyển hóa khác. Trong khi đó, các chi nấm men như Pichia, Saccharomyces và Hanseniaspora tạo ra ethanol, rượu bậc cao và nhiều hợp chất dễ bay hơi, đặc biệt là các ester như ethyl acetate và ethyl hexanoate (Zhang et al., 2019). Những chất này có thể trở thành tiền chất quan trọng cho sự hình thành hương trong quá trình rang.
Đáng chú ý, quá trình lên men không chỉ làm thay đổi hệ vi sinh vật bên ngoài mà còn tạo ra những biến đổi đáng kể trong hồ sơ chuyển hóa của chính hạt cà phê.
Cơ chế khuếch tán
Sự di chuyển của các chất chuyển hóa từ dịch lên men vào hạt tuân theo định luật Fick – tức là chất tan sẽ di chuyển từ vùng có nồng độ cao (dịch lên men) đến vùng có nồng độ thấp (bên trong hạt). Tuy nhiên, tốc độ và mức độ khuếch tán bị biến đổi mạnh mẽ bởi các rào cản vật lý và sinh học do chính cấu trúc của quả cà phê tạo ra.
Bởi cấu trúc nhiều lớp của vỏ trấu và lớp nhầy, các hợp chất từ môi trường lên men không thể đi vào hạt với cùng tốc độ. Nước và một số phân tử nhỏ có thể khuếch tán tương đối dễ dàng, trong khi các hợp chất như ester cần thời gian lâu hơn để xuất hiện trong hạt. Chẳng hạn, (Vale et al., 2022) ghi nhận ethyl acetate có mặt trong dịch lên men nhưng không phát hiện được trong hạt xanh sau 24 và 48 giờ; đến 72 giờ mới xuất hiện. Điều này cho thấy sự khuếch tán của ethyl acetate từ môi trường vào hạt diễn ra khá chậm. Nghiên cứu cũng ghi nhận một số alcohol và ketone xuất hiện trong hạt có thể liên quan đến chính hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật, bên cạnh con đường khuếch tán từ bên ngoài vào.
Nhìn chung lớp vỏ thóc là rào cản chính làm giảm hiệu suất khuếch tán các hợp chất hương vị vào hạt từ 30% đến 60%.
Anja Rahn, Ph.D, curiousaboutcoffeescience.com
Ngoài ra, trở lực khuếch tán không cố định mà có thể thay đổi theo thời gian lên men khi cấu trúc lớp nhầy và vỏ trấu thay đổi. Đáng chú ý, sự khuếch tán cũng không giống nhau giữa các hợp chất. Trong khi một số chất dễ bay hơi như isoamyl acetate có thể xuất hiện trong hạt tương đối sớm, trong khi 2-phenylethanol lại bị hạn chế đáng kể. Điều này cho thấy đặc tính hóa học của từng hợp chất quyết định đáng kể khả năng di chuyển từ môi trường lên men vào hạt, chứ không phải mọi hợp chất đều khuếch tán theo cùng một cách.
Trong vòng 48 giờ, nồng độ hợp chất giữa dung dịch và nhân hạt đạt cân bằng, với ~50% phân tử đã khuếch tán. Tuy nhiên, trong điều kiện lên men thực tế như khi hạt vẫn còn lớp parchment bao bọc, hiệu suất khuếch tán này chỉ còn từ 15–30%.
Anja Rahn, Ph.D, curiousaboutcoffeescience.com
Cơ chế lưu giữ hương vị
Các hợp chất hương vị sau khi đi vào hạt chưa chắc đã được giữ lại. Khả năng lưu giữ phụ thuộc vào cách chúng tương tác với cấu trúc bên trong của hạt, đặc biệt là lipid và thành tế bào của nội nhũ.
Hạt cà phê xanh chứa một lượng lipid đáng kể, tập trung chủ yếu trong nội nhũ. Arabica thường chứa khoảng 15–17% lipid, trong khi Robusta khoảng 7–10% (Zhu et al., 2022). Các hợp chất có tính ưa dầu có xu hướng phân bố vào pha lipid, nhờ đó có thể được giữ lại trong cấu trúc của hạt thay vì tồn tại hoàn toàn ở pha nước. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa lipid đơn giản là một “chiếc bẫy” giữ tất cả các hợp chất hương; khả năng lưu giữ còn phụ thuộc vào đặc tính của từng hợp chất và trạng thái của hạt.
Bên cạnh lipid, thành tế bào của nội nhũ cũng có thể giữ lại một phần các hợp chất thông qua quá trình hấp phụ. Các phân tử có thể tương tác với cellulose, mannan và những thành phần khác của thành tế bào. Vì vậy, khi một hợp chất đã đi vào hạt, nó có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau: hòa tan trong nước, phân bố vào lipid hoặc liên kết với cấu trúc rắn của tế bào.
Quá trình làm khô sau đó làm thay đổi mạnh khả năng di chuyển của các phân tử. Khi nước tiếp tục mất đi, ma trận bên trong hạt trở nên ngày càng cứng và kém linh động. Ở trạng thái này, các hợp chất bị giữ trong cấu trúc tế bào sẽ khó di chuyển hơn và ít có khả năng thoát ra ngoài. Đây có thể xem là bước cuối cùng giúp ổn định những thay đổi hóa học đã hình thành trong quá trình lên men.
Ngược lại, khi hạt còn nhiều nước hoặc gặp nhiệt độ cao, cấu trúc bên trong linh động hơn, tạo điều kiện cho các hợp chất tiếp tục di chuyển và thất thoát. Vì vậy, lên men quyết định những hợp chất nào được tạo ra hoặc tích lũy, còn quá trình sấy quyết định một phần đáng kể chúng được giữ lại trong hạt đến mức nào.
Kết luận
Đây là phần tổng hợp từ một số nghiên cứu hiện có, cho thấy cơ chế thẩm thấu hương vị trong quá trình lên men cà phê phức tạp hơn nhiều so với cách hiểu đơn giản rằng các hợp chất từ môi trường bên ngoài chỉ cần khuếch tán vào trong hạt. Hạt cà phê vẫn tiếp tục hoạt động và tự thay đổi thành phần hóa học trong quá trình chế biến, đồng thời chịu tác động từ nhiều chất chuyển hóa do vi sinh vật tạo ra bên ngoài. Một phần các hợp chất này có thể khuếch tán vào hạt, nhưng khả năng và tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào đặc tính của từng chất cũng như cấu trúc của hạt.
Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có một nghiên cứu khoa học tổng quát nào chỉ ra đầy đủ con đường cụ thể mà các hợp chất tạo hương từ môi trường lên men đi vào, di chuyển và được lưu giữ trong hạt cà phê. Vì vậy, hiểu biết của chúng ta về cơ chế này vẫn còn rất hạn chế, và nhiều kết luận hiện nay mới chỉ phản ánh những khả năng được suy ra từ các quan sát riêng lẻ thay vì một cơ chế đã được chứng minh hoàn chỉnh.
Tựu chung, có hai khía cạnh cần đặc biệt chú ý và tiếp tục được nghiên cứu trong tương lai. Thứ nhất, những thay đổi về hương vị có thể bắt đầu ngay từ bên trong hạt, thông qua sự biến đổi của amino acid, đường, acid hữu cơ và các chất chuyển hóa như GABA. Thứ hai, hoạt động của vi sinh vật trong quá trình lên men tiếp tục bổ sung thêm một nguồn hợp chất mới từ môi trường lên men. Hai quá trình này diễn ra đồng thời và có thể tác động qua lại, tạo nên một hệ tiền chất phức tạp hơn so với cách hiểu đơn giản rằng “hương từ bên ngoài thấm vào hạt”.
Vì vậy, để hiểu đúng vai trò của lên men, cần nhìn hạt cà phê như một hệ thống vẫn còn hoạt động sau khi được tách khỏi cây. Chất lượng cuối cùng không chỉ phụ thuộc vào những gì vi sinh vật tạo ra bên ngoài, mà còn phụ thuộc vào cách chính hạt cà phê phản ứng, chuyển hóa và lưu giữ những thay đổi đó trong suốt quá trình chế biến.
Ghi chú:
[1] Tế bào cấu thành lớp nhầy không “tròn” mà rất “dài”. Các nghiên cứu soi kính hiển vi (đặc biệt là nghiên cứu kinh điển của Avallone et al., 2000) chỉ ra rằng lớp nhầy không được cấu tạo từ các tế bào tròn xếp chồng lên nhau như viên gạch. Thay vào đó, chúng là các tế bào nhu mô hình trụ dài (palisade-like cells). Mặc dù chỉ có 2-3 lớp, nhưng mỗi tế bào lại kéo dài bất thường theo phương vuông góc với bề mặt hạt. Chiều dài của chúng có thể đạt tới 100 – 160 µm, trong khi chiều rộng chỉ khoảng 15-50 µm
[2] Tỷ lệ lignin cao (lên tới 35%) là yếu tố then chốt giải thích tính kháng thấm của vỏ trấu. Lignin là một polymer phenolic kỵ nước (hydrophobic), đóng vai trò như chất kết dính “xi măng” giữa các sợi cellulose và hemicellulose. Sự hiện diện dày đặc của lignin tạo ra một rào cản vật lý đối với nước và các chất tan trong nước. Do bản chất lignocellulose này, vỏ trấu có tính hút ẩm (hygroscopic) thấp, tạo ra một sức cản tự nhiên đối với sự chuyển dịch của nước và các dung dịch lên men.
[3] Trong nghiên cứu “Cytology, biochemistry and molecular changes during coffee fruit development“, các tác giả chỉ ra rằng lớp vỏ trấu cứng và giàu lignin đóng vai trò như một “lá chắn” bảo vệ hạt cà phê khỏi sự phân giải của các enzyme tiêu hóa ở động vật ăn quả. Thực tế dễ nhận thấy nhất là trường hợp cà phê chồn: khi cầy vòi hương ăn quả cà phê, enzyme tiêu hóa của anó chỉ có thể phân hủy phần thịt quả và lớp nhầy, trong khi lớp vỏ trấu vẫn giữ nguyên, bảo vệ nhân hạt bên trong.
[4] GABA shunt (còn gọi là con đường chuyển hóa GABA) là một con đường chuyển hóa vòng, rẽ nhánh từ chu trình Krebs (chu trình acid citric – TCA). Các cơ chế này giúp bảo vệ tế bào hạt trong các điều kiện bất lợi. Chúng làm giảm quá trình oxy hóa lipid và duy trì tính toàn vẹn của màng, nhờ đó hạn chế việc tế bào bị vỡ hoặc rò rỉ các chất nội bào. Đồng thời, tế bào còn có khả năng điều chỉnh pH nội bào thông qua con đường GABA shunt, trong đó glutamate được chuyển hóa thành GABA. Quá trình này giúp tiêu thụ proton (H⁺), làm giảm độ axit bên trong tế bào và đóng vai trò như một “bộ đệm” khi môi trường ngoài trở nên chua trong quá trình lên men.