Vai trò của Vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê

Hai hiện tượng chính xảy ra trong quá trình chế biến sau thu hoạch cà phê (được gọi chung là lên men) đó là hoạt động của vi sinh vật trong môi trường chế biến và sự chuyển hóa các chất bên trong hạt cà phê. Động lực học của quá trình lên men tập trung vào quá trình tiêu thụ các chất dinh dưỡng (của quả cà phê) và tạo ra các sản phẩm chuyển hóa thứ cấp của vi sinh vật, cũng như sự biến đổi liên tục của các tiền chất hương vị trong hạt (nghĩa là sự thay đổi về thành phần, tỷ lệ của nhiều hợp chất khác nhau trong hạt cà phê). Sự phức tạp này xuất phát từ nhiều công đoạn của một quy trình chế biến cũng như sự phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài khác chẳng hạn như nhiệt độ, giống cà phê và thiết bị chế biến,..

Tác động của vi sinh vật đối với quá trình lên men cà phê (2)
Lên men – nó luôn diễn ra, bên trong và bên ngoài quả. Trước, trong và sau bất kỳ quy trình chế biến nào : Photo by Kevin Ellison

Thực ra tên đầy đủ của bài viết này là Vai trò của hệ vi sinh vật và chuyển hóa nội bào trong các quá trình lên men cà phê và tác động đến tiềm năng hương vị – Tuy nhiên phần lớn nội dung của bài viết chú trọng vào tác động của hệ vi khuẩn đối với quá trình chế biến ướt, nên mình đã rút gọn tiêu đề bài viết để đơn giản hơn.

Tác động của vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê

Vi sinh vật có mặt trong hầu hết mọi môi trường và do đó, trong chu trình chế biến cà phê, chúng đóng một vai trò quan trọng như đối với các sản phẩm thực phẩm lên men khác. Các vi sinh vật luôn có mặt trên bề mặt cà phê quả cà phê ngay cả trước khi quá trình chế biến bắt đầu: khi quá trình chế biến diễn ra, các vi sinh vật này (đặc biệt là vi khuẩn axit lactic) phát triển mạnh trên nguồn nguyên liệu thực vật giàu dinh dưỡng, như vỏ quả hoặc chất nhầy, được giải phóng hoàn toàn ra môi trường.

Tác động của vi sinh vật đối với quá trình lên men cà phê (1)
Sự chuyển đổi nồng độ của các tiền chất hương vị & Sự phát triển của hệ vi sinh vật trong quá trình lên men theo thời gian (chế biến ướt) ; Nguồn SCA

Vi sinh vật có mặt khắp nơi trong các giai đoạn khác nhau của chế biến cà phê sau thu hoạch, bao gồm vi khuẩn axit axetic, vi khuẩn axit lactic, trực khuẩn, nấm men và nấm sợi,.. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ vi sinh vật ở mức độ nào là cần thiết để sản xuất cà phê chất lượng cao.

Hiệu ứng lên men; Fermentation effect

Trong quá trình phát triển, các vi sinh vật tạo ra các chất chuyển hóa từ nguồn chất dinh dưỡng thực vật và tích lũy trong môi trường chế biến – Đây được gọi là quá trình lên men bởi hệ vi sinh. Trong quá trình chế biến ướt, quá trình lên men cà phê xảy ra trong bể ngâm, trong khi với quá trình chế biến khô, sự lên men diễn ra ở các lớp ngoài của quả cà phê. Tuy nhiên, một số chất chuyển hóa được tạo ra trong quá trình lên men vẫn còn trên bề mặt của hạt, và thậm chí có thể tồn tại trong toàn bộ quá trình.

Trong quá trình chế biến ướt, nhóm vi khuẩn axit lactic (như Leuconostoc, Lactococcus Lactobacillus) được xác định phổ biến nhất, cùng với nhóm vi khuẩn Enterobacteria và nấm men (Pichia Starmerella). Một số chất chuyển hóa liên quan đến hoạt động của vi khuẩn axit lactic như axit lactic, axit axetic và mannitol được tạo ra trong chất nhầy và cũng được tìm thấy trong hạt cà phê.

Cấu tạo Quả Cà Phê
Chất nhầy (Mucilage) hay thịt quả, là nguồn “thức ăn” chính cho vi khuẩn trong quá trình lên men ướt

Đối với quá trình chế biến khô sự xuất hiện của các loại vi nấm đa dạng hơn so với chế biến ướt, điển hình là nhóm nấm men (Saccharomycopsis). Trong khi đó, nhóm vi khuẩn thể hiện sự đa dạng của vi khuẩn axit axetic và vi khuẩn axit lactic (ví dụ, L. mesenteroides, Acetobacter Gluconobacter). Sự tham gia của các vi sinh vật này cho phép tích lũy các chất chuyển hóa liên quan như axit gluconic và rượu đường trong lớp vỏ thịt của quả cà phê khô. Do đó, cả hai phương pháp chế biến ướt và khô đều có sự tham gia đáng kể của cấu trúc cộng đồng vi sinh vật và do đó thành phần của hạt cà phê xanh cuối cùng.

Như vậy, luôn có một hệ vi sinh vật nán lại trên hạt cà phê xanh và thậm chí có thể tồn tại trong toàn bộ quá trình, các chuyên gia từ SCA gọi hiện tượng này tác dụng lên men (fermentation effect) và nó là động lực chính của toàn bộ tiến trình lên men.

Quá trình trao đổi chất trong cà phê

Mặt khác, hạt cà phê cũng là một thực thể sống, liên tục tương tác và phản ứng với môi trường của nó. Như bất kỳ sinh vật sống nào khác, hoạt động trao đổi chất của hạt cà phê sẽ diễn ra trong suốt quá trình chế biến. Vị trí trung tâm của nội nhũ (hạt cà phê luôn nằm ở giữa quả và giữ nội nhũ bên trong) cho phép chúng thích ứng với các yếu tố căng thẳng môi trường bên ngoài. Với những thay đổi điển hình như độ ẩm, và nồng độ oxi, hạt sẽ thay đổi thành phần chuyển hóa xao cho phù hợp để sinh tồn (bao gồm việc tích lũy hoặc sử dụng carbohydrate, axit amin và axit hữu cơ bên trong hạt) hoặc để nẩy mầm.

Đây cũng là những yếu tố góp phần tạo nên sự khác biệt giữa cà phê được chế biến ướt và phơi khô tự nhiên. Do đó, khi chúng ta nói về tác động của quá trình chế biến cà phê đối với hương vị, chúng ta không chỉ nói về việc những hương vị được tạo ra do quá trình lên men cà phê mà chúng ta cũng đang nói về những thay đổi cơ bản do hoạt động trao đổi chất của chính hạt cà phê.

Cà phê Bourbon vàng - Brazil được chế biến khô 3
Quả cà phê – tự thân nó là một thực thể sống luôn ứng phó với các biến đổi môi trường

Nói chung, tiềm năng hương vị thu được từ quá trình lên men của hạt cà phê xanh có liên quan chặt chẽ với chất lượng cốc cà phê cuối cùng. Ví dụ, Caffeine, CGA và trigonelline chịu trách nhiệm cho vị đắng và làm se của cà phê. Vì hạt cà phê xanh được chế biến khô có chứa nhiều hợp chất như vậy, nên vị đắng của chiết xuất sẽ cao hơn so với cà phê tương tự trong phương pháp chế biến ướt.

Các quá trình lên men khác nhau tích lũy tiềm năng hương vị khác nhau

Trong các điều kiện chế biến khác nhau, cả vi sinh và quá trình chuyển hóa nội hạt đều ảnh hưởng đến tiềm năng hương vị của hạt cà phê và do đó quyết định chất lượng hương vị cuối cùng.

Độ dài của quá trình lên men thể hiện một tác động đáng kể đến tiềm năng chất lượng cà phê. Trong khi quá trình lên men dài thường được cho là làm giảm chất lượng cà phê, dẫn đến mùi hăng, hôi hoặc vị chua, nó cũng có thể mang đến tác dụng tích cực nếu được cung cấp các biện pháp kiểm soát phù hợp. Trong điều kiện xử lý đảm bảo vệ sinh (đặc biệt đối với bể lên men và kênh rửa), quá trình lên men lâu hơn cho phép các vi sinh hữu ích có nhiều thời gian hơn để triển khai và dẫn đến hiệu quả lên men lớn hơn đối với cà phê . 

Quá trình chế biến ướt - Cà phê được rữa ra khỏi bồn lên men
Quá trình lên men yếm khí trong bể ngâm càng lâu, chuyển biến hương vị càng trở nên phức tạp và tác động của vi khuẩn càng khó đo lường

Hiệu ứng lên men kéo dài trên hạt cà phê xanh có thể được phản ánh trong nồng độ cao hơn của các chất chuyển hóa vi sinh vật (ví dụ, axit lactic và mannitol) cùng với hàm lượng cao hơn của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như hương hoa hoặc trái cây. Sự điều chỉnh sự phong phú của các tiền chất hương vị này trên cà phê xanh, cho thấy quá trình lên men lâu hơn dẫn đến sự tăng cường của các nốt hương trái cây trong cốc

Tác động của hệ vi sinh vật

Đới với chất nhầy (lên men ướt) sucrose được tiêu thụ hoàn toàn vào cuối quá trình lên men, bất kể thời gian kéo dài bao lâu. Nồng độ fructose và glucose suy giảm tỷ lệ thuận với thời gian lên men. Đổi lại, lên men ướt kéo theo một sự tích lũy đáng kể các chất chuyển hóa liên quan đến hoạt động của vi sinh vật bao gồm axit axetic, ethanol, glycerol, axit lactic và mannitol. Các hợp chất này được tích lũy với nồng độ tăng dần theo thời gian lên men.

So với chất nhầy, sự thay đổi lớn hơn về nồng độ chất chuyển hóa xảy ra trong nội nhũ (hay còn gọi là phôi hạt) của cà phê. Sau khi lên men, nồng độ fructose, glucose, sucrose và caffeine trong hạt suy giảm đáng kể. Thời gian lên men kéo dài dẫn đến giảm nồng độ sucrose và tăng nồng độ axit axetic, ethanol, glycerol, axit glucuronic, axit lactic, mannitol và axit succinic. Sự tích lũy của các hợp chất này tỷ lệ thuận với thời gian lên men.

Nhìn chung, hạt cà phê xanh chế biến ướt chứa nồng độ axit citric và erythritol cao hơn trong khi nồng độ fructose, glucose, axit caffeic, caffeine, trigonelline và một số đồng phân CQA nhất định có biểu hiện suy giảm

Lưu ý đối với chế biến khô

Đối với quy trình chế biến khô, các thay đổi rõ ràng về nồng độ chất chuyển hóa diễn ra ở lớp vỏ, trong khi đó có ít thay đổi hơn được tìm thấy trong nội nhũ. Nhìn chung đường sucrose sẽ cạn kiệt ở lớp vỏ ngoài của quả trong chế biến khô, ngoài ra, nồng độ glucose và fructose giảm, ngược lại nồng độ glycerol và mannitol tăng mạnh. Nồng độ axit hữu cơ, bao gồm axit lactic, axit gluconic và axit glucuronic tăng gần như gấp đôi so với quá trình chế biến ướt.

Cà phê chế biến khô ở Costarica 2
Nếu không đảm bảo khô thoáng khi phơi khô, quả sẽ dễ bị nấm mốc tấn công, và tích tụ các hương vị khiếm khuyết trong nhân

Trong quá trình phơi sấy, nếu khối hạt không được dàn trải (mà chất đống) sự thoát khí bị đình trệ sẽ thúc đẩy thoái hóa axit chlorogenic (CGA) và tạo ra axit caffeic bởi các enzyme nội sinh cũng như nồng độ chất bay hơi cao hơn trong nội nhũ so với hạt cà phê được chế biến ướt. Độ ẩm cao sẽ cho phép các loại nấm men như phát triển và làm tăng nồng độ các chất chuyển hóa axit axetic, axit gluconic, ethanol và glycerol ở lớp vỏ ngoài của quả cà phê và nội nhũ. Toàn bộ các diễn biến này dẫn đến cà phê chất lượng kém có vị mốc và đất.

Chuyển hóa nội nhũ

Tuy nhiên, mặt trái của của quá trình lên men kéo dài, là làm trầm trọng thêm sự thiếu oxy trong các chuyển hóa nội sinh của hạt, ảnh hưởng đến nồng độ của các carbohydrate đơn giản (ví dụ glucose và fructose), axit amin (ví dụ, axit aspartic và alanine) và axit hữu cơ (ví dụ, axit succinic). Các hợp chất được liệt kê này có thể đóng vai trò là tiền chất chính trong một loạt các phản ứng hóa học trong quá trình rang, đặc biệt là phản ứng Maillard và tạo ra hương vị cà phê đặc trưng.

Khi hạt cà phê chìm trong nước, nồng độ oxy thấp sẽ kích hoạt cơ chế nảy mầm của hạt cà phê, dẫn đến phản ứng tiêu thụ carbohydrate kỵ khí, thậm chí còn dữ dội hơn trong quá trình lên men kéo dài. Các hạt cà phê sẽ tiêu thụ tài nguyên carbohydrate liên tục thông qua việc phân giải đường. Ngoài ra, trong quá trình ngâm, áp suất thẩm thấu tạo điều kiện cho việc khếch tán monosacarit ra ngoài và đưa các chất chuyển hóa của vi sinh vật tích lũy khi lên men vào trong hạt. Do đó, quá trình ngâm hạt cà phê khi lên men ướt không chỉ tạo điều kiện cho việc làm sạch các hợp chất này mà còn ảnh hưởng đến chất lượng hương vị của cà phê.

Ca phe Nguyen ban che bien uot (1)
Sau khi lên men, trong thời gian sấy khô các biến đổi tinh vi vẫn diên ra bên trong hạt và ảnh hưởng đáng kể đến hương vị

Ngoài ra, quá trình sấy khô sau khi lên men còn gây ra phản ứng căng thẳng do mất nước và kích hoạt cơ chế trao đổi chất hiếu khí ở nội nhũ. Nhìn chung quá trình này làm chậm tốc độ tiêu thụ glucose và fructose trong hạt, đồng thời góp phần vào sự khác biệt về nồng độ của các hợp chất tiền hương vị có trong cà phê (do sự hao hụt khối lượng). 

Tóm lại, tất cả các bước chế biến đều góp phần vào sự khác biệt về nồng độ của các hợp chất tiền hương vị trong cà phê. Do đó, dựa trên khía cạnh công nghệ (đặc biệt là thời gian lên men, ngâm và sấy khô) ta có thể quyết định hương vị của hạt, vì sự tích lũy các chất chuyển hóa của vi sinh vật và huy động nội sinh của tế bào nhân cà phê có thể làm thay đổi thành phần tổng thể của hạt cà phê.

Vai trò của giống cà phê trong quá trình lên men

Các giống cà phê khác nhau sẽ cho thấy sự thay đổi khác nhau về thành phần dinh dưỡng của chất nhầy (và nhiều bộ phận khác) trong quả cà phê tươi. Đây là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng chính yếu cho các vi sinh vật, do đó sự khác biệt về thành phần trong chất nhầy giữa các giống cà phê khác nhau cũng ảnh hưởng đến mức độ của hiệu ứng lên men.

Ví dụ, những quả cà phê Typica ở khu vực châu Mỹ Latinh có lớp mesocarp (một cách gọi khác của thịt quả) ngon ngọt, giàu chất dinh dưỡng hơn so với quả cà phê từ giống Catimor ở khu vực châu Á. Kết hợp với các yếu tố bên ngoài, như nhiệt độ môi trường xung quanh, các nghiên cứu từ SCA cho thấy rằng điều này ảnh hưởng đến cấu hình pH, ​​động lực học của hệ vi khuẩn lên men và các thành phần chuyển hóa trong quá trình lên men. Do đó, điều quan trọng là phải tính đến giống cà phê khi đánh giá tác động tiềm năng của thực tiễn chế biến.

Sự đa dạng giống loài là thế mạnh của cà phê, điều này có nghĩa là còn rất nhiều hoán vị của các yếu tố trên chưa được khám phá và sự đa dạng này trong chuỗi giá trị cà phê đan xen giữa thủ công và khoa học. Chúng ta có thể tin tưởng rằng luôn có một cách thức chắc chắn sẽ dẫn đến một tách cà phê hảo hạng.


Dẫn nguồn:

  • The Fermentation Effect – 25 Magazine, Issue 10 | www.scanews.coffee
  • Relevant research papers have been published in: De Bruyn, F., Zhang, S.J., Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L. (2017). Exploring the impacts of post-harvest processing on the microbiota and metabolite profiles during green coffee bean production.

NgTg.HaiVan

View posts by 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

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Scroll to top