Thành phần và vai trò của Carbohydrate trong cà phê

Tầm quan trọng của thành phần Carbohydrate trong cà phê được thể hiện rõ ở hàm lượng cao của nó; trên cơ sở trọng lượng khô, nó chiếm khoảng một nửa hạt cà phê xanh. Các thành phần Carbohydrate trọng lượng phân tử thấp và cao đều có trong cà phê nhân; cả hai đều tham gia vào những thay đổi hóa học liên quan đến quá trình rang cà phê. Trong bài viết này, nội dung và tính chất của các loại Carbohydrate trong cà phê nhân xanh & cà phê rang sẽ được làm rõ.

Đối với cà phê Carbohydrate vốn ít được biết đến khi so với Caffeine hay Axit Chlorogenic (CGA), song đây lại là nhóm chất hữu cơ phổ biến và chiếm vai trò quan trọng trong cấu trúc hạt cà phê. Carbohydrate nói chung và đường nói riêng còn đóng vai trò quan trọng trong hàng trăm phản ứng hóa học diển ra xuyên suốt quá trình rang giúp định hình hương vị hoàn chỉnh của cốc cà phê.

Về Carbohydrate

Trước tiên, để dễ dàng tiếp thu bài viết, bạn nên hiểu một số khái niệm cơ bản xoay quanh Carbohydrate như sau; Theo Wikipedia, Carbohydrat (tiếng Anh: Carbohydrate) là một phân tử sinh học gồm carbon (C), hydro (H) và oxy (O) thuật ngữ này phổ biến nhất trong hóa sinh, trong đó từ đồng nghĩa của nó là Saccharide hay Gluxit (tiếng Pháp: Glucide).

Các phân tử saccharide được chia thành bốn nhóm hóa học: Monosaccharide , Disaccharides , Oligosaccharides và Polysaccharides. Monosaccharide và Disaccharide, những carbohydrate nhỏ nhất (trọng lượng phân tử thấp), thường được gọi là đường. Oligosaccharides được hình thành khi có ba đến 10 loại đường đơn liên kết với nhau. Cuối cùng, Polysaccharides là những carbohydrate cao phân tử chuỗi dài bao gồm các đơn vị monosaccharide liên kết với nhau thường có chức năng liên quan đến cấu trúc hoặc lưu trữ.

Carbohydrate còn được gọi chung là “đường” và dễ gây nên một số nhầm lẫn khi ta nói về đường trong cà phê. Thực tế, cà phê có một lượng đường kha khá – không phải ở dạng tinh khiết mà bạn có thể thấy được mà là các hợp chất như Sucrose và Glucose,.. Nhưng nó chiếm tỷ lệ nhỏ và phần lớn bị phá hủy trong quá trình rang. Do đó, cà phê sẽ luôn là một thức uống đắng và sẽ không bao giờ quá ngọt như, ví dụ như sô cô la nóng. Thay vào đó, cà phê có một vị ngọt tinh tế, cảm nhận được dựa trên sự cân bằng của các hợp chất hương vị khác – ngành công nghiệp cà phê gọi cảm giác này là sweetness.

Thành phần Carbohydrate trong cà phê

Carbohydrate là một trong những nhóm chất hữu cơ lớn nhất trong tự nhiên nói chung và cà phê nói riêng. Carbohydrate có nhiều vai trò quan trọng trong các sinh vật như tích trữ và vận chuyển năng lượng (như tinh bột, glycogen) và các thành phần cấu trúc (như Cellulose). Trong cà phê xanh, Carbohydrate đại diện cho một phần đáng kể trong vai trò cấu trúc với khoảng 40 đến 65% khối lượng khô của cà phê xanh (coffeechemistry).

Đường đơn và đường đôi

Monosaccharide là các Carbohydrate đơn giản do đó chúng không thể thuỷ phân thành các phân tử đường nhỏ hơn. Trong cà phê nhóm Monosaccharide (gồm Fructose, Glucose, Galactose, Arabinose) chiếm thành phần không đáng kể trong hạt cà phê xanh.

Mono và Disacarit không chiếm tỷ lệ đáng kể trong cà phê, tuy nhiên, chúng rất cần thiết cho sự hình thành mùi hương sau khi rang thông qua phản ứng caramel hóa và Maillard. Trong nhóm này Sucrose (disacarit bao gồm glucose và fructose) cho đến nay là loại đường phong phú và quan trọng nhất trong cà phê xanh. Cà phê Arabica có gấp đôi lượng Sucrose so với Robusta, điều này giúp chúng có hương vị phong phú hơn, thành phần tỷ lệ Sucrose trong cà phê sẽ thay đổi theo độ chín của quả, quả càng chín nồng độ đường Sucrose càng cao.

• Xem thêm: Ảnh hưởng của quá trình chế biến đến hàm lượng đường trong hạt cà phê

Thông thường, nồng độ Glucose và Fructose sẽ tăng lên trong giai đoạn đầu của quá trình rang do sự thoái hóa liên tục của Sucrose. Hầu như tất cả các loại đường đơn đều bị phân hủy khi rang do phản ứng Maillard và Caramel hóa, quá trình này sẽ tạo ra nước, carbon dioxide, màu sắc, mùi thơm và hương vị đặc trưng của cà phê.

Đường đa – Polysaccharides

Đây là nhóm Carbohydrate không hòa tan, có khối lượng phân tử lớn HMW (high molecular weight) chiếm khoảng 45% khối lượng khô của cà phê

Các thành phần polysacarit này được phân bố trong các tổ chức của thành tế bào cà phê, khá dày đặc, bao gồm ba polyme chính: Arabinogalactan, Mannan (hoặc galactomannan) và Cellulose. Trong đó Galactomannans (gồm một xương sống mannose với các nhánh galactose bên cạnh) là đáng chú ý nhất. Với khoảng 19% khối lượng khô, Galactomannans là nhóm polysacarit có nhiều nhất trong hạt cà phê xanh. Chúng hoạt động như một nguồn dự trữ năng lượng của hạt trưởng thành, tương tự như vai trò của tinh bột trong nội nhũ của hạt ngũ cốc.

Khoảng 12-24% các polysacarit bị biến chất trong cà phê rang nhẹ, 35-40% khi rang đậm (dark roast). Điều này được giải thích bằng sự xuống cấp của chuỗi bên Arabinogalactan thành Arabinose, trong khi Mannans và Cellulose vẫn gần như nguyên vẹn. Hơn nữa các Polysacarit dường như không góp phần đặc biệt vào sự hình thành mùi thơm trong quá trình rang, nhưng đóng góp vào các đặc tính cảm quan khác (chẳng hạn như độ nhớt). Nhìn chung, vai trò của các chất không tan trong sự hình thành các thành phần cà phê rang được chưa được hiểu rõ bằng các thành phần có thể hòa tan trong nước.

Xenlulo là một trong những polysaccharid ổn định nhất trong tự nhiên và điều này được phản ánh trong việc giảm lượng đường liên kết tối thiểu khi rang – Coffee Recent Developments

Vai trò của Carbohydrate trong quá trình rang cà phê

Mặc dù chiếm phần lớn trong tổng số chất khô, đại bộ phận Carbohydrate trong cà phê không tham gia vào thành phần của một cốc cà phê mà chỉ cho màu Caramen, hương và vị đặc trưng (phần còn lại trong bã cà phê). Carbohydrate còn đóng vai trò quan trọng các phản ứng hóa học diễn ra xuyên suốt quá trình rang cà phê giúp đình hình hương vị. Có vô số phản ứng hóa học xảy ra giữa các phân tử Carbohydrate trong cà phê với nhau và với các phân tử hữu cơ khác. Tuy nhiên, có hai nhóm phản ứng quan trọng là: Caramen hóa và Maillard (phản ứng giữa đường và Protein).

Nhìn chung. nhóm Monosacarit và Disaccharid rất dễ phản ứng với nhiệt độ. Chúng bị suy giảm đáng kể trong vòng vài phút sau khi rang. Mặt khác quá trình khử polyme của các polysacarit và sự tham gia của chúng vào sự hình thành hương vị lại phụ thuộc vào cấu trúc của chúng. Cấu trúc Arabinose phân nhánh trong Arabinogalactans dễ phân hủy trong khi cấu trúc Galactans ít biến đổi hơn và các cấu trúc cao phân tử như Cellulose và Mannan vẫn không thay đổi.

Phản ứng Maillard của Carbohydrate trong cà phê

“Maillard, cho đến nay là phản ứng hóa học ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới” Jean-Marie Lehn, Nhà hóa học đạt giải Nobel

Thực vậy Maillard là một phản ứng chủ chốt trong hầu hết các lĩnh vực thực phẩm chứ không riêng gì cà phê. Nói tóm gọn, phản ứng Maillard là một loạt nhiều phản ứng giữa đường (Carbohydrate) và Protein được xúc tác bởi nhiệt  độ. Phản ứng Maillard góp phần tạo cho cà phê rang những hương vị phức tạp, mà chính xác hơn là cực kỳ phức tạp – từ rất nhiều những loại đường có mặt trong cà phê và nhiều hơn nữa những loại protein, thật khó có thể kể tên hết các chất phản ứng, và kết quả của các phản ứng Maillard trong cà phê.

Phản ứng Caramen

Khi cà phê trải qua lần crack đầu tiên (tiếng nổ thứ 1), ở khoảng 171°C (340°F)  các phản ứng caramel hóa bắt đầu xảy ra. Trong khi phản ứng Maillard là giữa đường và axit amin, thì caramel hóa là phản ứng riêng đường khi bị khử nước.

Những phân tử Carbohydrate lớn nhỏ sẽ bị phân hủy thành hàng trăm hợp chất nhỏ hơn, có những hợp chất cấu thành hương thơm, vị đắng, chua, ngọt. Điển hình là Sucrose với màu nâu đặc trưng và vị đắng, nếu rang tiếp tục, rang lâu hơn nữa mức độ Maillard cũng tăng lên kéo theo một số Oligosaccharides trong cà phê sẽ tham gia phản ứng. Chẳng hạn như sự phân hủy của Cellulose tạo thành Carbon Dioxide, hương thơm, màu nâu,..

Trong toàn bộ quá trình rang, nhiều loại đường – Carbohydrate trong cà phê sẽ bị phân hủy, đồng thời nhiều loại đường khác cũng được sinh ra, nên không hẵn là một ly cà phê hoàn toàn chát đắng mà vẫn có vị ngọt (Sweetness) mặc dù rất khó nắm bắt. Các đường đơn này dễ phân hủy hoặc kết hợp với hợp chất hữu cơ khác nên quá trình làm nguội sau khi rang cần phải làm nhanh để giữ lại độ ngọt đặc trưng của cà phê.

Nguồn tham khảo:

• COFFEE Recent Developments; Book by R.J. Clarke and O.G. Vitzthu
• Coffeechemistry.com – by Joseph A. Rivera served as the former Director of Science & Technology for the Specialty Coffee Association of America