Thành phần hóa học của hạt cà phê

Bài viết này trình bày tổng quan về các các thành phần hóa học của cà phê như carbohydrate, protein, lipid, caffein, axit, chất thơm và khoáng chất.. Các nhóm chất cơ bản trên đây đều có mặt ở tất cả các giống loài cà phê, tuy nhiên tùy theo giống cà phê và phụ thuộc vào điều kiện canh tác mà các thành phần hóa học trong cà phê có thể thay đổi.

Mỗi loại cà phê mà bạn pha chế sẽ có một thành phần hóa học khác nhau và mang lại trải nghiệm cảm giác khác nhau. Tuy nhiên, chúng đều có chung nguồn gốc, đều là quả từ cây Coffea, có cấu tạo giải phẩu tương đồng nhau, và được chế biến theo một số phương pháp như nhau.

Toàn bộ quy trình sản xuất cà phê góp phần vào thành phần hóa học và sự phức tạp về hương vị của sản phẩm cuối cùng, bắt đầu từ chính cây cà phê và thậm chí là đất trồng nó. 

Có rất nhiều cách để tổ chức, phân loại các hợp chất có trong cà phê. Một số nghiên cứu sắp xếp theo các hiệu ứng về hương vị, sinh lý, hiệu ứng trước và sau khi rang, hiệu ứng trồng và chế biến, sự khác biệt về giống thực vật,.. và nhiều thứ khác. Chỉ riêng trong lĩnh vực hương liệu và hương vị, Flament đưa ra danh sách 300 hóa chất góp phần vào hạt cà phê xanh, và hơn 850 chất sau khi rang. Ông liệt kê 16 danh mục chính để bao gồm những hợp chất liên quan đến hương thơm và hương vị – theo wikipedia.

Chính vì vậy, bài viết sơ khai này chỉ có thể nêu lên một số chi tiết các thành phần của cà phê như: như carbohydrate, protein, lipid, axit, các chất thơm và khoáng chất,.. để giúp bạn có cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn.

Nhóm chất hữu cơ có trong cà phê

Về mặt hóa học, cà phê rất phức tạp và thành phần chính xác của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, điều kiện rang, xay và ủ. Sự biến đổi của cà phê được nhấn mạnh bởi một nghiên cứu gần đây đã phân tích thành phần hóa học của hạt cà phê bao gồm: carbohydrate, chất béo, protein, axit hữu cơ, caffeine, và chất đắng (tanin). Nó chứa 2-3% caffein, 3-5% tannin, 13% protein và 10–15% chất béo cố định. Trong hạt, caffein hiện diện dưới dạng muối của axit chlorogenic (CGA). Ngoài ra nó còn chứa nhiều chất thơm và khoáng chất – theo intechopen.com

Cacbohydrate trong cà phê

Trong cà phê xanh, Carbohydrate (các phân tử carbon ngậm nước có cấu trúc phức tạp) chiếm khoảng 40-50% thành phần hóa học của cà phê bao gồm cả phần hòa tan và không hòa tan.

Carbohydrate có trọng lượng phân tử cao hay còn gọi là polysaccharide trong hạt cà phê chủ yếu là ba loại polyme: Arabinogalactan, mannan (hoặc galactomannan) và cellulose.

Cacbohydrate là thành phần chính tạo dựng nên ‘hình hài’ của hạt cà phê

Carbohydrate trọng lượng phân tử thấp (hay gọi đơn giản là đường) chỷ yếu trong cà phê nhân xanh là Sucrose. Hầu hết các giá trị tài liệu ghi nhận sucrose nằm trong khoảng từ 2% đến 5% đối với hạt Robusta và 5% đến 8,5% đối với hạt Arabica (được tổng kết bởi Clifford 1985).

Trong quá trình rang, các Carbohydrate này phản ứng với các axit amin tạo ra các phân tử có cấu trúc phức tạp được gọi là melanoidin. Thành phần chính xác của chúng không được biết đến nhưng các hợp chất cao phân tử này nói chung có màu nâu và góp phần tạo nên màu sẫm của cà phê. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng melanoidin thể hiện các hoạt động sinh học khác nhau, bao gồm kháng khuẩn, chống oxy hóa và khả năng ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột.

Protein trong cà phê

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng đóng vai trò quan trọng giúp hình thành hương vị của cà phê trong quá trình rang qua phản ứng  Maillard với các loại đường có trong cà phê. Bằng các phương pháp định tính người ta nhận thấy trong thành phần protein có những axit amin chính như: cystein, alanie ,phenylalanine, histidine, leucine, lysine, derine..

Các axit amin này ít thấy ở dạng tự do, chúng được giải phóng ra và tác dụng với nhau hoặc tác dụng với những chất tạo mùi và vị cho cà phê rang.Trong các chất axit amin kể trên đáng chú ý nhất là những axit amin có chứa lưu huỳnh như cystein , methionine proline… chúng góp phần tạo hương đặc trưng của cà phê sau khi rang. Đặc biệt , methionine proline có tác dụng làm giảm oxy hóa các chất thơm, làm cho cà phê rang giữ được mùi vị khi bảo quản.

Các Axit hữu cơ

Thành phần axit trong cà phê bao gồm một tập hơp khoảng hơn 30 loại axit hữu khác nhau, với một số loại axit quan trọng như: Axit Acetic, axit Citric, axit Chlorogenic, axit Phosphoric.. Các axit hữu cơ này góp phần tạo nên đặc tính Acidity (độ chua) của cà phê. Thành phần, và hàm lượng axit trong cà phê phụ thuộc vào giống cà phê đồng thời thay đổi liên tục trong quá trình chế biến, mà phần lớn là trong quá trình lên men, và rang cà phê. một số loại axit sẽ mất đi đáng kể, một số loại khác lại được sinh ra.

Coffee acidity
Axit trong cà phê không nổi bật để có thể cảm nhận rõ như các loại quả, thay vào đó xét về tính phức tạp, độ chua của cà phê được tạo nên bởi một tập hợp rất đa dạng các loại axit hữu cơ

Các sản phẩm của axit bị phân hủy trong quá trình rang thường tham gia vào phản ứng Maillard và tạo ra một loạt các hợp chất bao gồm các melanoidin có vị rất đắng và có màu nâu. Vì vậy, rang càng đậm, nói chung, đậu sẽ càng đắng.

Lipid – dầu trong cà phê

Lipid hay gọi đơn giản chất béo, đóng một vai trò quan trọng trong chất lượng tách cà phê bạn, chủ yếu bao gồm triacylglycerol, steroltocopherols (vitamin E). Hàm lượng lipid trong cà phê khác nhau tùy thuộc vào giống loài. Thông thường Arabica chứa nhiều lipit hơn so với người anh em Robusta, trung bình lần lượt là 15-17% và 10-11,5%. Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ nhỏ dầu thực sự tồn tại ở dạng sáp bao phủ hạt cà phê (7-8%), trong khi phần lớn được phân phối trong nội nhũ (chiếm khoảng 90% ) – Các bạn có thể xem chi tiết các loại chất béo trong cà phê.

Arabica chứa lipit nhiều hơn gần 60% so với Robusta – Có thể đóng vai trò quan trọng trong việc lưu giữ mùi hương. Một nghiên cứu về cà phê Trung Mỹ, đã cho thấy mối tương quan trực tiếp giữa hàm lượng lipid và chất lượng hương vị nói chung – Coffeechemistry.com

Lớp crema nổi trên bề mặt của cà phê espresso do hàm lượng lipid cao

Cần lưu ý, tùy theo phương pháp pha chế được sử dụng mà hàm lượng lipid thu được trong cốc sẽ khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phương pháp pha cà phê lọc (drip coffee với giấy lọc) chỉ giữ lại 7 miligam lipit, trong khi các quá trình đun sôi hoặc Espresso có thể giữ lại từ 60 đến 160 miligam lipid trong mỗi cốc (150 ml). Vì phần lớn hương vị cà phê được hòa tan bởi các axit béo nên cà phê được pha drip có “cảm giác sạch” hơn so vơi cà phê không lọc – How to Make Coffee, Lani kingston

Các Alcaloit (Caffein và Trigonelline)

Hạt cà phê có chứa một số loại alkaloids (một hợp chất hữu cơ có chứa ít nhất một nguyên tử nitơ) bao gồm, Caffeine, Putrescine, Theophylline, Trigonelline. Trong số này, Caffeine có trong cả cà phê và trà, nhưng Trigonelline chỉ có trong cà phê là hai alkaloids chính được biết đến như một chất kích thích ở người và làm nên sự yêu thích đối với cà phê của chúng ta.

Caffeine (còn được gọi là trimethylxanthine), một alkaloid có thể là lý do khiến bạn thích uống cà phê. Ancaloit có tác dụng kích thích thần kinh trung ương làm tăng sự tỉnh táo, chúng có hương vị đắng ở dạng tinh khiết. Caffeine góp phần tạo nên sức mạnh tổng thể và vị đắng là đặc trưng của cà phê. Tùy thuộc vào loài và giống, caffeine chiếm từ 0,6 đến 4% khối lượng hạt. Đồng thời, trái với niềm tin chung, quá trình rang không làm giảm hàm lượng caffeine trong hạt.

Trong quả cà phê Caffein chỉ đóng góp khoảng 10% vào vị đắng (bitterness) của cà phê, phần nhiều còn lại là do Trigonelline gây ra (The Coffee Roaster –  Scott Rao – 2014)

Ảnh hiển vi điện tử của Caffeine - Photo by Annie Cavanagh
Ảnh hiển vi điện tử của Caffeine – Photo by Annie Cavanagh

Trong quả cà phê, Caffeine có vai trò là một chất chống côn trùng, Hàm lượng Caffeine trung bình trong Cà phê Robusta cao hơn so với cà phê Arabcia nên khả năng chống chịu sâu bệnh cũng tốt hơn. Mặc dù được nhiều nghiên cứu công nhận là lành tính, và không tác động xấu đến sức khỏe, Song  liều lượng sử dụng Caffeine cũng khác nhau với mỗi người tùy thuộc vào cơ địa, mức độ mẫn cảm..

Trigonelline

Trigonelline là một alkaloid khác được tìm thấy trong hạt cà phê ở nồng độ thấp hơn một chút so với caffeine. Nó bắt đầu bị phân hủy ở 160°C nên trong quá trình rang (nóng hơn 200°C), hơn một nửa lượng trigonelline bị biến chất và tạo ra một số hợp chất, bao gồm cả axit nicotinic, hay được gọi là vitamin B3, phần còn lại của trigonelline khi đi vào chiết xuất tạo ra mùi thơm ngọt, caramel và mùi đất.

Hàm lượng trigonelline trong một tách cà phê dao động từ 40 đến 110 mg. Hợp chất này đã được chứng minh là thể hiện các hoạt động sinh học khác nhau, bao gồm các hoạt động hạ đường huyết, bảo vệ thần kinh và kháng khuẩn – edwinvanbloois

Chất thơm trong cà phê

Các thành phần của phần này không có chung một đặc tính hóa học, nhưng đặc tính vật lý là dễ bay hơi. Đây là nguyên nhân tạo ra phần lớn hương thơm của cà phê và thường đến từ các phản ứng trong quá trình rang, nhưng việc bảo quản cũng có thể ảnh hưởng đến chúng. Việc nghiên cứu tất cả các hợp chất này là một công việc phức tạp và vẫn đang được tiến hành, vì có hơn 1000 hợp chất dễ bay hơi được tìm thấy trong một tách cà phê điển hình. Chúng dễ bay hơi theo tên gọi và bản chất – chúng có xu hướng bay đi trước khi có thời gian để đo lường chúng!

Ngày nay chúng ta đã tìm thấy hơn 800 hợp chất mùi có trong cà phê, 150 chất trong số đó làm nên tổ hợp chính mà chúng ta gọi là “mùi hương cà phê” – theo coffeeresearch

Coffee Aroma
Quá trình rang là không thể thiếu để thay đổi cấu trúc hóa học của hạt cà phê và tạo ra hương vị và mùi thơm quan trọng.

Trong cà phê hàm lượng chất thơm rất nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong hạt. Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố như đất đai, khí hậu và nhất là chủng loại cà phê. Sự tích lũy chất thơm trong hạt nói riêng và cấu trúc hương vị cà phê chịu ảnh hưởng rất lớn bởi độ cao, vì vậy các loại cà phê được trồng càng cao, thì phẩm chất hạt càng tốt hơn (xem thêm ảnh hưởng của độ cao đến hương vị cà phê)

Mặt khác, phần lớn mùi hương cà phê mà ta nhận thấy được hình thành trong quá trình chế biến cà phê, đặc biệt trong quá trình rang. Các chất thơm phức tạp bao gồm nhiều phân tử cấu thành như: acid, aldehid, ceton, rượu , phynol, este… Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi, biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm nên cần đựng trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh.

Chất khoáng

Không thể không kể đến một lượng rất nhỏ các chất khoáng có trong cà phê, gồm khoảng 3-5% chủ yếu là Kali, Nito , Magie , Photpho, Clo. Ngoài ra còn có các chất nhôm, sắt, đồng, lưu huỳnh, chỉ tồn tại dạng vêt. Những chất này ảnh hưởng không tốt đến mùi hương cà phê. Chất lượng cà phê càng cao thì khoáng chất càng thấp và ngược lại.

Cuối cùng, hóa học của cà phê rất phức tạp vì nó chứa hàng trăm hợp chất khác nhau. Hơn nữa, thành phần hóa học phụ thuộc vào nhiều yếu tố và công thức chính xác của một tách cà phê do đó sẽ khó thiết lập. Mặc dù rõ ràng rằng cà phê có chứa các hợp chất hoạt tính sinh học khác nhau, nhưng hóa học phức tạp của nó làm phức tạp việc đánh giá đầy đủ các đặc tính sinh lý của nó. Bài viết này chỉ mang tính cơ sở, để giúp bạn có nền tảng tốt hơn cho những nghiên cứu chuyên sâu.


Nguồn tham khảo:

  • COFFEE Recent Developments; Book by R.J. Clarke and O.G. Vitzthum
  • www.science.org.au/ Brew up some coffee chemistry
  • www.edwinvanbloois.com/ Biochemistry of coffee
  • www.coffeechemistry.com/ Joseph A. Rivera served as the former Director of Science & Technology for the Specialty Coffee Association of America.

NgTg.HaiVan

"Không có con người cà phê chỉ là một cấu trúc mang tính lý thuyết - Thiếu đi cà phê con người cũng mất đi phần nào tính vẹn toàn" | Pour Your Heart Into It.

Trả lời