ĐIỀU GÌ SẼ XẢY RA KHI CHÚNG TA RANG CÀ PHÊ: NHỮNG BIẾN ĐỔI HÓA HỌC (P2) | PHƯƠNG NAM COFFEE


Điều gì đã xảy ra để biến hạt cà phê xanh (green beans) trong quá trình rang thành thứ mà hàng triệu người không chỉ Việt Nam, trên thế giới này phải ngất ngây, đắm chìm. Trong loạt bài 2 phần này, phần đầu tiên Phương Nam Coffee đã đưa các bạn đến với hình thái bên ngoài, sự biến đổi màu sắc, hay những tiếng nổ nhỏ và những quá trình vật lý xảy ra. Bây giờ, chúng ta sẽ xem những biến đổi hóa học kỳ diệu đã xảy ra với sự phát triển hương vị & mùi hương như thế nào !


Sự biến đổi màu sắc khi ta Rang cà phê - Công ty Cà phê Phương NamSự biến đổi mạnh mẽ đầy thú vị của hạt cà khi rang.

Khi hạt cà phê chuyển mình trong sức nóng của máy rang, hàng trăm phản ứng hóa học sẽ liên tục diễn ra một số hợp chất sẽ phân hủy, một số bị biến tính thành các hợp chất khác và vô số các hợp chất mới được hình thành, tất cả các điều này cộng với một loạt các biến đổi về mặt vật lý sẽ hình thành trong nhân cà phê những hương vị độc nhất. 

Trong ngôn ngữ hóa học, mọi phản ứng liên quan đến cà phê trong máy rang đều quy về một quá trình tên gọi là nhiệt phân (endothermically). Đây là các biến đổi xảy ra khi vật liệu hữu cơ đạt đến nhiệt độ phân hủy, nó tạo ra các hợp chất dễ bay hơi và để lại tàn dư của cacbon (hay còn gọi là than). Trong quá trình rang cà phê, chúng ta đặt ra một giới hạn để tránh làm cho hạt cà phê hóa than, nhưng đủ để chúng trải qua những thay đổi hóa học do nhiệt phân nhằm hình thành các hợp chất hương vị…

Và sau đây là các phản ứng hóa học chính làm nên tách cà phê hàng ngày của bạn:

SỰ PHÂN HỦY ACID

Acid đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hương vịcực kỳ nhạy cảm với nhiệt. Rang có thể làm giảm một số acid này và tạo ra một số các acid khác. Ví dụ, các acid citric (C6H8O7) và tartaric (C4H6O6) tạo ra vị trái cây và các mức độ “ngọt” này sẽ bị phá vỡ trong quá trình rang, vì vậy nếu cà phê được rang lâu hoặc quá nóng có thể làm giảm độ ngọt của sản phẩm cuối cùng.

Tuy nhiên, trong tất cả acid chlorogen là yếu tố ảnh hưởng hơn cả. Chúng là gì, và ảnh hưởng như thế nào?

Cà phê chứa một lượng lớn acid chlorogen (CQA), mà khi rang sẽ phân hủy thành caffeicacid quinic (Shibamoto, 2009). Cả acid chlorogen và axit quinic thu được được cho là cung cấp vị đắng cho cà phê. Nhiều loại thực vật ngoài cà phê có chứa acid chlorogen. Các acid trong nhóm chlorogen có cấu trúc rất giống nhau và tạo thành một họ este thường bao gồm acid caffeic và acid quinic làm thành phần (Michael N. Clifford, 1999). Tất cả các acid chlorogen rơi vào loại acid phenolic lớn hơn (Flament, 2002). Trong tự nhiên, acid phenolic thường được sử dụng làm hợp chất bảo vệ bởi thực vật hoặc cơ chế truyền tín hiệu giữa thực vật và vi khuẩn đất (Mandal, Chakraborty, & Dey, 2010). Chúng chiếm 4 – 9% cà phê arabica xanh (trên cơ sở trọng lượng khô) và điều này làm cho chúng là acid nhiều nhất trong cà phê (Belitz, Grosch & Schieberle, 2004; Jansen, 2006). Thông thường, bạn thấy chúng được gọi bằng các đồng phân của chúng (cấu trúc hóa học riêng lẻ) ở dạng viết tắt, chẳng hạn như 3-CQA thay vì axit 3-caffeoylquninic. Acid chlorogen phổ biến nhất là acid  5-0-caffeoylquinic (5-CQA). Tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian, quá trình rang sẽ liên tục phá vỡ CGA, khi rang nhạt – light roast (230 – 250°C trong vòng 12 phút) 50% CGA sẽ mất đi và chỉ để lại 20% (mất 80 – 100%) trong độ rang đậm (dark roast). Tất nhiên CGA không bốc hơi, chúng chỉ phân hủy thành axit quinic và caffeic, hai hợp chất thuộc nhóm phenolic này đóng góp vào vị đắng và độ đạm đà  (body) cho cà phê.

Các acid quiniccaffeic thường được hình thành như các sản phẩm phụ của các CQA khác nhau, được chứng minh là tiếp tục phân hủy thành phenolcatechol, trong số gần 30 hợp chất hóa học khác (Moon & Shibamoto, 2010) . Trên thực tế, những chất này có thể biến thành một loạt các phenol bị thoái hóa, tham gia vào các phản ứng chưa được kiểm chứng khác (Michael N. Clifford, 2000; Perrone, Farah, & Donangelo, 2012). Một số trong số chúng chắc chắn sẽ được chuyển thành các hợp chất dễ bay hơi và bị mất

PHẢN ỨNG MAILLARD

Maillard không chỉ là một, mà là một nhóm hàng loạt các phản ứng hóa học rất quan trọng để tạo ra hương vị đặc trưngmàu nâu của cà phê rang (và nhiều loại thực phẩm khác – bao gồm sô cô la, bánh mì…) Các phản ứng được đặt theo tên của Louis Camille Maillard, một bác sĩ người Pháp lần đầu tiên mô tả chúng vào năm 1910. Trong lò rang, quá trình này bắt đầu từ khoảng 140°C đến 160°C, khi nhiệt độ vượt ngưỡng 170°C, các phản ứng carameL hóa (phân hủy đường) sẽ bắt đầu xảy ra và đốt cháy hết lượng đường còn lại.

Phản ứng Maillard là quá trình quan trọng để hình thành hương & vị
Tổng quan phản ứng Maillard (Nguồn: compoundchem)

Phản ứng Maillard xảy ra giữa một đường khửacid amin. Một đường khử là bất kỳ loại đường nào có nhóm aldehyde hoặc ketone tự do. Các nhóm này gắn với chuỗi carbon qua một nguyên tử oxy với liên kết đôi nên nó có thể dễ dàng phản ứng với các acid amin và nhiều hợp chất khác.

Có vô số con đường để phản ứng Maillard xảy ra trong hạt cà phê, với (n) loại axit amin và (n) loại đường thì chúng ta sẽ có n2 các hợp chất hương vị khác nhau. Những sản phẩm quen thuộc nhất trong số này là hương vị rang, bánh mì nướng… Điều thú vị đối với phản ứng Maillard là tất cả các sản phẩn của nó lại có thể phản ứng lại với các acid amin tự do khác để tạo thành Melanoidin – một hợp chất màu nâu sẫm, có vị rang, mạch nha, đắng, khét.. Melanoidin còn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và ổn định lớp crema trong Espresso, giúp mang đến cảm nhận đậm đà đầu tiên cho cốc cà phê của bạn.

PHẢN ỨNG CARAMEL HÓA

Không giống như các phản ứng Maillard, Caramel hóa là một hình thức nhiệt phân xảy ra ở khoảng 170°C (338°F). Nhiệt độ cao sẽ làm các mạch carbohydrate dài, phức tạp vỡ ra thành hàng trăm hợp chất mới, nhỏ hơn bổ sung một lượng đáng kể vị đắng, chua, mùi hương…  Phản ứng này sẽ diễn ra liên hoàn cho đến khi kết thúc quá trình rang và nó cũng góp phần tạo nên những mùi hương ngọt ngào trong cà phê, như caramel, bánh mì nướng, hạnh nhân,..

Caramel hóa đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành màu sắchương vị cà phê

Ngoài ra, ta cũng cần lưu ý rằng hàm lượng đường sucrose không chỉ cho vị ngọt, độ đậm đà của cà phê sau khi rang, mà còn tác động đến tính acid (độ chua), vì phản ứng caramel hóa của đường Sucrose sẽ tạo ra acid acetic. Do vậy, chúng ta luôn khuyến khích người trồng cà phê thu hoạch quả đúng độ chín, với hàm lượng đường cao nhất có thể nhằm cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào cho nhóm phản ứng Maillard & Caramel.

Những biến đổi hóa học trong quá trình Rang cà phê để tạo thành Hương & Vị

SỰ HÌNH THÀNH “MÙI HƯƠNG” CÀ PHÊ

Có bao nhiêu % chất hòa tan trong một hạt cà phê?

Theo Scott Rao, khoảng 1/3 khối lượng cà phê sau khi rang là có thể hòa tan trong nước. Trong khi đó tỷ lệ chiết xuất tối ưu vào khoảng 19% – 22% , tương đương với khoảng 55% -60% tổng lượng chất hòa tan có trong cà phê (vì chúng ta hạn chế hòa tan các hương vị không mong muốn trong cốc) cộng với một một lượng nhỏ lipid và các mảnh cellulose vỡ vụn (còn được gọi là fines). Toàn bộ các chất hòa tan này, cộng với hương thơm phong phú, đến từ một trong các biến đổi sau đây.

# Các hợp chất dễ bay hơi 

Vài phút sau khi quá trình rang bắt đầu, “mùi hương cà phê” mới chính thức hình thành – Sự gia tăng nhanh chóng của các hợp chất thơm dễ bay hơi xảy ra khi độ ẩm của cà phê giảm dưới 5%. Khi đó, các phản ứng Caramel hóa và Maillard, cũng như sự suy thoái và chuyển hóa của acid amin, đường, axit phenolic và lipid, sẽ cùng nhau góp phần vào sự phát triển của các hợp chất thơm, bao gồm:

  • Aldehydes: mùi hương của những loại trái cây có màu xanh
  • Furans: góp phần mùi caramel
  • Pyrazines: có mùi hương đất
  • Guaiacol: có mùi khói, hăng cay
  • Các hợp chất chứa lưu huỳnh như 2-furfurylthiol tạo nên mùi thơm đặc trưng mà ta gọi là “mùi cà phê rang cà phê”, nhưng một số loại khác không có mùi hấp dẫn – Ví dụ, methanethiol có mùi như bắp cải thối.
    Điểm lưu ý: Mặc dù CO2 là một hợp chất dễ bay hơi & không góp phần vào mùi hương, nhưng nó đóng vai trò quan trọng đến độ đậm đà (body coffee) của cà phê nói chung, và tạo nên lớp crema trong cà phê Espresso nói riêng Cần lưu ý rằng, hàm lượng hương liệu sẽ đạt cực đại ở mức rang nhạt đến trung bình (light – medium roast). Tiếp tục rang đậm hơn, nhiệt độ sẽ phá hủy các hương thơm được sáng tạo bởi nó, để lại mùi khói và cay nồng. Đồng thời, từ độ rang đậm (dark roast) trở đi, các cấu trúc cellulose yếu hơn và xốp hơn, khả năng giữ chất thơm sẽ kém hơn so với loại rang nhẹ nhạt hơn.

    # Các hợp chất không bay hơi

    Đơn giản là các chất ổn định ở nhiệt độ phòng. Một số trong các hợp chất này được hình thành, thay đổi trong quá trình rang, trong khi số khác vẫn ổn định trong suốt quá trình. Hầu hết các hợp chất không bay hơi góp phần vào hương vị (flavor) cà phê. Ví dụ như caffeine, chịu trách nhiệm cho một phần vị đắng, sucrose cho vị ngọt, và lipid cho cảm giác về sự đậm đà (body), các loại acid hoặc hợp chất melanoidin hình thành trong phản ứng Maillard cũng thuộc nhóm chất không bay hơi…

    Nói về Caffeine, bất chấp quan niệm chung, việc rang đậm hơn chỉ làm giảm khối lượng hạt cà phê do mất nước chứ không làm giảm hàm lượng caffeine trong hạt (vì caffeine ổn định ở mức nhiệt cao hơn nhiệt độ rang). Do vậy, càng rang đậm tỷ lệ caffeine / trọng lượng sẽ tăng dần, nên với cùng một lượng cà phê, thì loại nào rang càng đậm hàm lượng caffeine càng cao.

    Tóm lại, hiểu những gì xảy ra trong quá trình rang và biết tại sao những thay đổi này xảy ra có thể giúp bạn đưa ra những lựa chọn sáng suốt hơn. Nếu bạn có cái nhìn tổng quan về cách các hợp chất hóa học được tạo ra và thay đổi trong quá trình, bạn có thể hiểu rõ hơn những gì đã sai, hoặc đúng, với lô cà phê mới ra lò của bạn và sử dụng thông tin để những lần tiếp theo của bạn tốt hơn.

    Hy vọng bài viết này của Phương Nam Coffee sẽ giúp ích chút gì đó cho bạn !


    Xem thêm: Phần 1 – Những biến đổi vật lý khi ta rang cà phê 


    Nguồn tham khảo:

    • The Coffee Roaster’s Companion (Scott Rao, 2014)
    • www.perfectdailygrind.com What Happens During Coffee Roasting: The Chemical Changes
    • www.baristahustle.com/ What is the Maillard Reaction and Why is it Important?
    • https://primecoffe.com/cac-bien-doi-hoa-hoc-trong-qua-trinh-rang-ca-phe
    • Moon, J.-K., & Shibamoto, T. (2010). Formation of Volatile Chemicals from Thermal Degradation of Less Volatile Coffee Components: Quinic Acid, Caffeic Acid, and Chlorogenic Acid. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58(9), 5465-5470.
    • Farah, A., de Paulis, T., Trugo, L. C., & Martin, P. R. (2005). Effect of Roasting on the Formation of Chlorogenic Acid Lactones in Coffee. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(5), 1505-1513.

blog cà phê phương nam - điều gì xảy ra bên trong hạt cà phê

 

One thought on “ĐIỀU GÌ SẼ XẢY RA KHI CHÚNG TA RANG CÀ PHÊ: NHỮNG BIẾN ĐỔI HÓA HỌC (P2) | PHƯƠNG NAM COFFEE

  1. Pingback: PHƯƠNG NAM COFFEE

Trả lời

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