6 BIẾN ĐỔI HÓA HỌC TRONG QUÁ TRÌNH RANG CAFE

Khi cà phê được rang, hạt cà phê sẽ trải qua hàng trăm biến đổi hóa học trong quá trình rang cafe dưới sức nóng của máy rang. Các phản ứng này bao gồm phân hủy một số hợp chất, biến tính một số hợp chất thành các hợp chất khác, và hình thành vô số các hợp chất mới. Những thay đổi về mặt vật lý cũng sẽ xảy ra, tất cả những điều này góp phần tạo nên những hương vị độc đáo trong cà phê.
Trong ngôn ngữ hóa học, quá trình này được gọi là nhiệt phân (endothermic). Nó xảy ra khi vật liệu hữu cơ đạt đến nhiệt độ phân hủy và tạo ra các hợp chất dễ bay hơi, còn lại là tàn dư cacbon (hay còn gọi là than). Trong quá trình rang cà phê, giới hạn nhiệt độ được đặt ra để tránh việc làm cho hạt cà phê hóa than, nhưng đủ để chúng trải qua những thay đổi hóa học do nhiệt phân nhằm tạo ra các hợp chất hương vị.
Điều đặc biệt là các phản ứng hóa học trong quá trình rang cà phê là rất phức tạp, vì có nhiều loại hợp chất khác nhau trong hạt cà phê và chúng phản ứng với nhau theo nhiều cách khác nhau. Các phản ứng hóa học chính bao gồm quá trình Maillard, quá trình caramelization và quá trình pyrolysis. Các phản ứng này làm cho cà phê có màu nâu và tạo ra các hương vị phức tạp, từ đắng đến ngọt, từ chua đến hơi đắng, từ hương thơm của trái cây đến mùi vị của chocolate đen.

Dưới đây là các phản ứng hóa học làm nên tách cà phê mà bạn uống hàng ngày cùng Cavalry tìm hiểu nhé:

1. Phản ứng Maillard là một trong những biến đổi hóa học trong quá trình rang cafe

Maillard không chỉ là biến đổi hóa học trong quá trình rang cafe, mà là một nhóm các phản ứng quan trọng được áp dụng trong quá trình rang cà phê để tạo ra hương vị và màu nâu đặc trưng. Các phản ứng này cũng được sử dụng trong nhiều loại thực phẩm khác như sô cô la, bánh mì và nhiều loại thực phẩm chín khác. Các phản ứng Maillard được đặt tên theo Louis Camille Maillard, một bác sĩ người Pháp đã mô tả chúng lần đầu vào năm 1910. Quá trình Maillard trong lò rang cà phê bắt đầu từ nhiệt độ khoảng 140°C đến 160°C. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng 170°C, các phản ứng caramen hóa bắt đầu xảy ra và đường bắt đầu đốt cháy, gây ảnh hưởng đến hương vị và chất lượng của cà phê. Việc điều chỉnh nhiệt độ là rất quan trọng để tạo ra hương vị và màu sắc tốt nhất cho cà phê rang.

Phản ứng Maillard không chỉ xảy ra giữa một đường khử và axit amin như mọi người vẫn nghĩ, mà nó còn bao gồm nhiều loại hợp chất hữu cơ khác. Một đường khử được định nghĩa là bất kỳ loại đường nào có nhóm aldehyd hoặc ketone tự do, các nhóm này gắn với chuỗi carbon qua một nguyên tử oxy với liên kết đôi. Chính vì vậy, đường dễ dàng phản ứng với các axit amin và nhiều hợp chất hữu cơ khác để tạo ra các hợp chất mới đặc trưng cho màu sắc và hương vị của thực phẩm. Các hợp chất này có thể là một hoặc nhiều sản phẩm phản ứng, phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, như nhiệt độ, độ ẩm, pH và thời gian. Do đó, phản ứng Maillard là một quá trình rất phức tạp và đa dạng, đóng góp vào sự đa dạng của hương vị và mùi hương của thực phẩm.

Phản ứng Maillard trong hạt cà phê có thể xảy ra thông qua nhiều con đường khác nhau, với sự tương tác giữa (n) loại axit amin và (n) loại đường, chúng ta sẽ thu được n2 các hợp chất hương vị đa dạng. Tuy nhiên, những sản phẩm phổ biến nhất của phản ứng Maillard là hương vị rang, bánh mì nướng… Điều đặc biệt và thú vị ở phản ứng Maillard chính là tất cả các sản phẩm của nó đều có thể tương tác và phản ứng tiếp với các axit amin tự do khác, tạo thành hợp chất Melanoidin – một hợp chất màu nâu sẫm, có vị rang, mạch nha, đắng, khét… Melanoidin đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và ổn định crema trong Espresso, mang đến hương vị đậm đà cho cốc cà phê của bạn.

2. Phản ứng Caramel hóa

Caramel hóa là một phương pháp nhiệt phân, khác hoàn toàn với phản ứng Maillard và xảy ra ở nhiệt độ khoảng 170°C (338°F). Trong quá trình này, các mạch carbohydrate phức tạp và dài sẽ bị phá vỡ thành hàng trăm hợp chất nhỏ hơn, tạo ra vị đắng, chua, mùi hương và các tác nhân khác. Những biến đổi hóa học trong quá trình rang cà phê cũng đóng góp quan trọng vào việc tạo ra những hương vị đặc trưng của cà phê như caramel, bánh mì nướng, hạnh nhân và nhiều hương vị khác. Các hợp chất này là kết quả của sự phân hủy các carbohydrate và amino acid, cũng như các quá trình khác trong quá trình rang cà phê.

Trong quá trình rang cà phê, hàm lượng đường sucrose trong hạt cà phê sẽ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố trong việc tạo ra hương vị và độ chua của cà phê. Không chỉ ảnh hưởng đến vị ngọt và độ đậm đà của cà phê sau khi rang, hàm lượng đường sucrose còn tác động đến độ chua của cà phê, bởi vì khi phản ứng caramel hóa của đường sucrose xảy ra, axit acetic sẽ được tạo ra, tác động đến độ chua của sản phẩm. Vì vậy, để đảm bảo cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào cho các phản ứng Maillard và Caramel, chúng ta luôn khuyến khích người trồng cà phê thu hoạch quả đúng độ chín với hàm lượng đường cao nhất có thể. Ngoài ra, cần lưu ý rằng độ chín của quả cà phê sẽ ảnh hưởng đến hương vị và độ chua của cà phê, do đó người rang cà phê nên sử dụng các kỹ thuật rang phù hợp để tối ưu hóa quá trình phản ứng của hạt cà phê.

Theo nhận định của chuyên gia rang cà phê Scott Rao, khi cà phê được rang đến mức độ dark roast, sucrose nội tại trong hạt cà phê sẽ bị phân huỷ với tỷ lệ lên đến gần 99%. Tuy nhiên, ở mức độ rang light roast, tỷ lệ phân huỷ này sẽ giảm xuống khoảng 87%. Điều này cho thấy rằng độ rang của cà phê ảnh hưởng đến việc phân huỷ sucrose, một trong những thành phần quan trọng ảnh hưởng đến hương vị và độ ngọt của cà phê. Tuy nhiên, việc lựa chọn độ rang cà phê cũng phụ thuộc vào sở thích và khẩu vị của từng người, tuy nhiên độ rang light roast sẽ giữ được nhiều đặc tính hương vị và độ ngọt tự nhiên của cà phê hơn.

3. Sự phân hủy của acid

Đặc tính axit của cà phê tạo ra sự sống động, tinh tế và phức tạp, và một chút hương vị tươi sáng. Mặc dù nhiều người uống cà phê có thể nghĩ rằng axit làm cho cà phê đắng hoặc khó uống hơn, nhưng thực tế là cà phê thiếu axit sẽ trở nên nhạt nhẽo và nhàm chán. Một số người thích cà phê lạnh (Cold brew coffee) để giảm thiểu hàm lượng axit trong cốc, tuy nhiên, việc cân bằng tính axit là một quá trình rất khó khăn trong quá trình rang.

Nói đến axit thì không thể không nhắc đến Chlorogenic acid (CGA) – axit phổ biến nhất trong hạt cà phê thô. Hàm lượng CGA trong hạt cà phê là 6% -8%, cao hơn bất kỳ loại thực vật nào khác. Trong quá trình rang, CGA liên tục bị phá vỡ tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian. 50% CGA sẽ mất đi khi rang nhạt (light roast) và chỉ còn lại 20% trong độ rang đậm (dark roast). Tuy nhiên, CGA không bị bay hơi, chúng chỉ phân hủy thành hai hợp chất phenolic, axit quinic và caffeic, đóng góp vào vị đắng và độ đậm đà (body) cho cà phê (The Coffee Roaster’s Companion, Scott Rao, 2014).

4. Sự hình thành các hợp chất hương vị

Theo Scott Rao, khoảng 33% trọng lượng của hạt cà phê sau khi rang có thể hòa tan trong nước. Tuy nhiên, để đạt được tỷ lệ chiết xuất tối ưu, chỉ khoảng 19% -22% chất hòa tan được sử dụng trong cà phê, tương đương với khoảng 55% -60% tổng lượng chất hòa tan có trong hạt cà phê. Điều này đảm bảo rằng các hương vị không mong muốn được hạn chế trong cốc. Ngoài ra, một lượng nhỏ lipit và các mảnh cellulose vỡ vụn (còn được gọi là fines) cũng được hòa tan. Toàn bộ các chất hòa tan này cùng với hương thơm phong phú đến từ một trong các yếu tố sau đây.

5. Các hợp chất dễ bay hơi

• Sau khi cà phê được rang trong vài phút, các hợp chất thơm dễ bay hơi sẽ bắt đầu hình thành và giúp tạo ra “mùi hương cà phê” đặc trưng. Việc tăng nhanh chóng của các hợp chất thơm này xảy ra khi độ ẩm trong cà phê giảm dưới 5%. Khi đó, các phản ứng Caramel hóa và Maillard, cùng với sự chuyển hóa và suy thoái của axit amin, đường, axit phenolic và lipid, sẽ đóng góp vào sự phát triển của các hợp chất thơm.
• Các hợp chất thơm này bao gồm aldehydes, mang mùi hương của những loại trái cây có màu xanh; furans, góp phần vào mùi caramel; pyrazines, mang mùi hương của đất; guaiacol, mang mùi khói hăng cay. Ngoài ra, các hợp chất chứa lưu huỳnh như 2-furfurylthiol cũng tạo ra mùi thơm đặc trưng của cà phê rang, được gọi là “mùi cà phê rang cà phê”. Tuy nhiên, cũng có một số loại hợp chất khác không có mùi hấp dẫn, ví dụ như methanethiol mang mùi như bắp cải thối.
• Nắm vững các hợp chất thơm trong cà phê không chỉ giúp chúng ta đánh giá và tận hưởng hương vị đặc trưng của cà phê một cách tốt nhất, mà còn hỗ trợ chúng ta điều chỉnh quá trình rang cà phê sao cho tối ưu, tạo ra những tách cà phê ngon nhất có thể. Việc hiểu sâu hơn về các quá trình hoá học diễn ra trong cà phê cũng giúp chúng ta có thể tạo ra những hương vị độc đáo và đặc biệt trong quá trình rang cà phê.

Mặc dù CO2 không góp phần vào mùi hương của cà phê và là một trong những hợp chất dễ bay hơi, tuy nhiên nó đóng vai trò quan trọng trong độ đầm đà của cà phê. Độ đầm đà được hiểu là cảm giác đậm đà và đặc trưng của cà phê khi uống. CO2 tạo ra hiệu ứng carbonation và tạo nên các bong bóng khí trong cà phê. Khi chúng ta uống cà phê, CO2 thoát khí và tạo ra cảm giác lạnh và sủi bọt trên lưỡi, đó là lý do tại sao cà phê đánh bọt (Espresso) được yêu thích. Ngoài ra, CO2 còn tạo nên lớp Crema đặc trưng trên Espresso, là lớp kem màu nâu sánh trên bề mặt cà phê. Lớp Crema này đóng vai trò bảo vệ hương vị và mùi thơm của cà phê khỏi sự bay hơi quá nhanh.

Cần chú ý rằng, quá trình rang cà phê có ảnh hưởng lớn đến hương vị và mùi thơm của sản phẩm. Thông thường, để đạt được hàm lượng hương liệu cực đại, ta nên rang cà phê ở mức nhạt đến trung bình (light – medium roast). Tuy nhiên, nếu rang quá đậm, nhiệt độ cao sẽ làm phá hủy các hương thơm đã được tạo ra trong quá trình rang, dẫn đến mùi khói và cay nồng. Đồng thời, với độ rang càng đậm (dark roast), cấu trúc cellulose của hạt cà phê sẽ trở nên yếu và xốp hơn, gây khó khăn trong việc giữ chất thơm. Vì vậy, để giữ được hương vị và mùi thơm tốt nhất, ta nên lựa chọn rang cà phê ở mức nhạt đến trung bình, giúp các biến đổi hóa học trong quá trình rang cà phê không ảnh hưởng quá nhiều đến hương vị và mùi thơm của cà phê.

5. Các hợp chất không bay hơi

Trong quá trình rang cà phê, các hợp chất ổn định ở nhiệt độ phòng thường được sử dụng như một phần quan trọng của quá trình này. Một số trong số chúng được hình thành và thay đổi trong quá trình rang, trong khi số khác lại không bị ảnh hưởng và vẫn ổn định. Tuy nhiên, hầu hết các hợp chất không bay hơi không đóng góp vào hương vị của cà phê. Ví dụ, caffeine chịu trách nhiệm cho phần vị đắng, sucrose cho vị ngọt, và lipid tạo nên cảm giác đầm đà của cà phê. Ngoài ra, các loại axit hoặc hợp chất melanoidin hình thành trong quá trình phản ứng Maillard cũng thuộc nhóm hợp chất không bay hơi và đóng góp vào hương vị của cà phê.

Caffeine là một chất có nồng độ cao trong cà phê, và không giống như quan niệm thông thường, rang cà phê đậm không làm giảm hàm lượng caffeine trong hạt. Thực tế, caffeine ổn định ở mức nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ rang cà phê. Do đó, khi rang càng đậm, tỷ lệ caffeine/trọng lượng sẽ tăng dần. Vì vậy, với cùng một lượng cà phê, loại cà phê rang càng đậm thì hàm lượng caffeine càng cao. Chất hữu cơ khác, chịu trách nhiệm cho hương vị của cà phê, đa phần không bay hơi và ổn định ở nhiệt độ phòng. Ví dụ như axit, lipid và hợp chất melanoidin được hình thành trong quá trình phản ứng Maillard, cũng góp phần vào hương vị của cà phê. Tuy nhiên, có một số hợp chất có thể thay đổi hoặc hình thành trong quá trình biến đổi hóa học trong quá trình rang cafe, góp phần tạo ra hương vị đặc trưng của cà phê.