CÁC BIẾN ĐỔI VẬT LÝ TRONG QUÁ TRÌNH RANG CAFE

Trong quá trình rang cà phê, hạt cà phê trải qua một loạt các phản ứng hóa học phức tạp dẫn đến sự biến đổi vật lý trong quá trình rang cafe cũng như về mặt hóa học, góp phần tạo nên những hương vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê. Cụ thể, khi được đưa vào máy rang, hạt cà phê bắt đầu trải qua quá trình thay đổi cấu trúc bên trong. Đầu tiên là quá trình giãn nở, khi các chất béo và protein bên trong hạt bắt đầu tan chảy và lan tỏa ra bên ngoài. Sau đó là quá trình giải phóng hơi nước, khi nhiệt độ trong máy rang tăng cao và hơi nước trong hạt bắt đầu bay hơi. Đây cũng là giai đoạn khi các tiếng nổ (crack) xảy ra, do sự nóng chảy và nở của các chất béo và protein trong hạt. Tại giai đoạn này, màu sắc của hạt cafe cũng bắt đầu thay đổi. Ban đầu, hạt có màu xanh lá cây và chuyển dần sang màu nâu đỏ. Điều này xảy ra do quá trình Maillard, khi các đường và protein trong hạt tương tác với nhau, tạo ra các chất mới và thay đổi màu sắc của hạt. Những thay đổi vật lý và hóa học này tạo nên những hương vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê, và làm cho cà phê trở thành một loại thức uống phổ biến trên khắp thế giới. Cùng Cavalry tìm hiểu nhé.

1. Cơ sở của các biến đổi vật lý trong quá trình rang cafe

Hạt cà phê là loại thực vật có mật độ và tính đa dạng tế bào cao nhất trong cùng họ, điều này rất quan trọng để tạo ra những biến đổi hương vị mong muốn của cà phê. Cấu trúc vật lý của hạt cà phê đóng vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học xảy ra và tạo nên hương vị và mùi thơm đặc trưng.
Theo Britta Folmer trong cuốn sách The Craft and Science of Coffee, rang “bột cà phê xanh” không thể được thực hiện giống như cách rang cà phê nguyên hạt bởi vì hạt cà phê nguyên vẹn tạo thành một loại “lò phản ứng mi-ni” (minireactor) nhỏ gọn để các phản ứng hóa học cần thiết xảy ra. Mỗi hạt cà phê sẽ kiểm soát môi trường phản ứng trong đó các tiền chất sẽ phân hủy, biến đổi và kết hợp với nhau theo một trình tự nhất định để tạo nên hương vị và mùi thơm đặc trưng cho cà phê.
Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của cấu trúc vật lý của hạt cà phê trong quá trình rang, vì nếu không có cấu trúc này, các phản ứng hóa học cần thiết cho hương vị và mùi thơm sẽ không thể diễn ra. Vì vậy, quá trình rang cà phê là một quá trình rất tinh tế, cần sự kiểm soát kỹ lưỡng để tạo ra những hạt cà phê có hương vị và mùi thơm độc đáo và hấp dẫn.

2. Cấu trúc hạt – Physical Structure

Mỗi tế bào của thực vật (bao gồm cả động vật) đều có màng tế bào, và trong trường hợp của hạt cà phê, chúng được cấu tạo bởi cellulose và một số loại carbohydrate khác. Những thành phần tế bào này giống như một “khung xương thực vật”, tạo nên một cấu trúc vô cùng chắc chắn. Khi chiết xuất khoảng 20% chất rắn từ mỗi hạt cà phê để pha một tách Espresso, thì hầu hết 80% còn lại chính là khung xương cellulose này.

Theo Dr. Monika Fekete – Nhà sáng lập của Australian Coffee Science Lab, thành tế bào trong hạt cà phê xanh dày khoảng 10 micromet và kích thước tế bào chủ yếu dao động từ 20 đến 30 micromet. Bên cạnh đó, không bào chiếm khoảng một nửa thể tích của tế bào. Việc này cho thấy tính đa dạng và mật độ cao của tế bào trong hạt cà phê, đóng vai trò quan trọng trong quá trình rang và tạo ra hương vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê.

Thứ hai, đa phần tế bào thực vật đều có một khoảng không trống rỗng nằm ở giữa, được gọi là không bào (permanent vacuole). Đối với nhân cà phê, khoảng không bào rất lớn, có thể chiếm hơn một nửa thể tích của tế bào. Nhiệm vụ chính của chúng là giữ nước hoặc các chất dinh dưỡng như protein, chất béo và carbohydrate trong quá trình hạt cà phê còn sống. Sau khi trải qua quá trình rang, các thành phần này sẽ biến đổi thành các hợp chất hương vị chính tạo nên hương vị và mùi thơm đặc trưng cho cà phê.

So với các phương pháp rang khác trong lĩnh vực thực phẩm (như rang hạt, ca cao, và những loại thực phẩm khác), việc rang cà phê yêu cầu nhiệt độ cao nhất để phát triển những đặc tính mong muốn. Thông thường, nhiệt độ của hạt cà phê khi rang nằm trên mức 190°C trong thời gian tối thiểu nhất định để kích hoạt các phản ứng hóa học điển hình của quá trình rang – như được nêu trong cuốn sách “The Craft and Science of Coffee”.

3. Sự biến đổi vật lý trong quá trình rang cafe về cảm quan

Trong quá trình rang cà phê, sự thay đổi rõ ràng nhất là màu sắc của hạt. Ban đầu, hạt cà phê có màu xanh lá cây. Sau vài phút rang, nhiệt độ sẽ làm cho chất diệp lục có trong hạt chuyển sang màu vàng, trước khi kích hoạt chuỗi các phản ứng hóa học tiếp theo để hạt cà phê chuyển sang màu nâu – từ nâu sáng đến nâu sẫm và cuối cùng là màu đen. Quá trình này phụ thuộc vào hai nhóm phản ứng hóa học chính:

• Thứ nhất, là sự hình thành melanoidin, sản phẩm của phản ứng Maillard – một phản ứng hóa học giữa axit amin và đường khử.
• Thứ hai, là phản ứng caramel hóa các loại đường tự nhiên trong hạt, dẫn đến sự phân hủy carbohydrates.

Mặc dù quá trình rang cà phê làm cho màu sắc của hạt liên tục chuyển đổi từ xanh sang vàng, nâu, nâu sẫm đến đen, tuy nhiên quá trình chuyển từ màu vàng sang màu nâu thường diễn ra ở giai đoạn cuối cùng của quá trình rang, và thời gian rất ngắn. Việc phân loại theo thang đo màu sắc của cà phê trở nên khá phức tạp. Do đó, để đơn giản hóa việc phân loại, có thể sử dụng năm cấp độ chính sau:

Cinnamon > Light Roasts > Medium Roast > Medium-Dark Roast > Dark Roast.

4. Màu sắc và sự phát triển hương vị

Một vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong quá trình biến đổi vật lý trong quá trình rang cafe là sự phát triển hương vị bên trong hạt luôn diễn ra chậm hơn so với sự phát triển màu sắc bên ngoài. Do đó, một người thợ rang giỏi phải kiểm soát quá trình này để đảm bảo rằng hương vị bên trong hạt được phát triển đầy đủ như màu sắc bên ngoài của nó. Đáng lưu ý, trong nửa đầu quá trình rang (light roast), sự khác biệt giữa màu sắc và sự phát triển bên trong hạt không đáng kể. Tuy nhiên, đến cuối quá trình rang (dark roast), sự chênh lệch này càng lớn.
Vấn đề thứ hai cần quan tâm đó là quá trình rang sẫm hơn (dark roast) không đồng nghĩa với việc cà phê phát triển nhiều hơn. Ngược lại, việc rang nhẹ hơn (light roast) cũng không có nghĩa là cà phê đã phát triển đầy đủ. Màu sắc chỉ là một phần biểu hiện của hương vị. Vì vậy, với quá trình rang phù hợp, bất kỳ màu sắc nào cũng có thể tạo ra hương vị phong phú và đậm đà cho cà phê.

Tại các cửa hàng tiện lợi, bạn có thể dễ dàng tìm thấy cà phê với quá trình rang Light hoặc Medium, tuy nhiên, khi đến với một cửa hàng cà phê đặc sản chính thống, bạn sẽ khó lòng sử dụng các thuật ngữ này để miêu tả cà phê một cách chính xác. Ở đây, những chuyên gia cà phê sẽ tận dụng kiến thức về nguồn gốc của từng hạt cà phê để tìm ra hồ sơ rang phù hợp nhất, đem lại tối đa tiềm năng chất lượng và hương vị đặc trưng cho từng loại hạt cà phê.

5. Cấu trúc, độ ẩm và khối lượng hạt cà phê

Như đã đề cập ở phần trước, cấu trúc vi mô của hạt cà phê được hình thành từ một ma trận các tế bào cellulose. Quá trình rang sẽ phá huỷ cấu trúc tế bào, tuy nhiên khung của các thành tế bào vẫn giữ nguyên. Các tế bào chất sẽ dần bị giảm và bị đẩy về phía thành tế bào, tạo ra một khoảng trống chứa khí ở vùng trung tâm. Lớp thành tế bào này trở nên mỏng hơn theo thời gian rang, khiến các khí và hơi nước tăng áp suất và làm cho kích thước của các tế bào tăng lên. Đồng thời, độ xốp cũng tăng dần theo quá trình rang.

Trong quá trình rang cà phê, lượng nước tự do bên trong hạt sẽ bốc hơi, gây ra áp suất trong hạt tăng lên đáng kể. Áp lực này sẽ tác động lên cấu trúc của các tế bào cellulose trong hạt, làm cho chúng mềm dẻo hơn, suy yếu dần và tạo nên sức trương nở cho hạt cà phê. Theo thời gian, các thành tế bào bên trong hạt sẽ bị ép ra, tạo ra khoảng trống bên trong hạt cà phê. Các khoảng trống này sẽ được tích tụ với khí CO2 và các khí khác trong quá trình rang. Trong khi pha chế cà phê, các khoảng trống này sẽ được thẩm thấu nước và hòa tan các hợp chất cà phê, tạo nên hương vị đặc trưng và tạo nên sự đa dạng cho thị trường cà phê ngày nay.

6. Thất thoát của độ ẩm trong quá trình rang

Trong suốt quá trình rang, hạt cà phê sẽ mất khoảng 12% -24% trọng lượng ban đầu của chúng, tùy thuộc vào độ ẩm và mức độ rang. Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, cà phê đã mất từ 11% -13% khối lượng, sau khoảng 30 giây, khoảng 14% -16%, và khi vết nứt thứ hai bắt đầu, mất tới 17% -18% khối lượng (*). Tuy nhiên, trong ngành công nghiệp cà phê đặc sản, việc bảo tồn các chất vị bản địa của hạt cà phê được ưu tiên hàng đầu, do đó, hầu hết các nhà rang xay giữ cho hạt cà phê “giảm cân” ở mức trung bình 14% -16% trọng lượng ban đầu của chúng.
Với sự mất cân nặng trên, khoảng 90% là nước và phần còn lại là chất hữu cơ bị thải ra dưới dạng khí CO2, cũng như một số carbon monoxide, nitơ, các hợp chất thơm và axit bay hơi. Tổn thất về mặt chất hữu cơ tăng đáng kể hơn khi giai đoạn rang ở mức medium, với lượng chất hữu cơ bị mất từ 5 – 8%, và tăng lên tới 12% từ giai đoạn rang dark trở đi.

Các số liệu này được tính toán dựa trên giả định về độ ẩm ban đầu của cà phê xanh là khoảng 10% – 12% và thời gian rang từ 11 đến 12 phút. Tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

7. Vết nứt đầu tiên & vết nứt thứ hai

Khi cà phê được rang, áp suất hơi nước trong hạt cà phê sẽ tăng dần từ khoảng 100-160°C, dần phá vỡ cấu trúc hạt cà phê và tạo ra tiếng nổ đầu tiên, được gọi là vết nứt đầu tiên (First crack). Lúc này, hạt cà phê có thể tăng gấp đôi về thể tích, tùy thuộc vào mức độ rang. Trong khi đó, độ ẩm trong hạt cà phê sẽ giảm từ 10-12% ban đầu xuống còn khoảng 3-5%. Sau khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, cấu trúc hạt cà phê trở nên giòn hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh vết nứt thứ hai (khoảng 225-230°C). Tuy nhiên, “tiếng nổ thứ hai” không phát sinh do giải phóng lượng nước tự do như ở vết nứt đầu tiên. Thực tế, lượng nước còn lại trong hạt đã tham gia phản ứng phân hủy đường và protein. Vì vậy, vết nứt thứ hai chủ yếu được tạo ra bởi sự giải phóng áp suất bởi CO, CO2, NOx và các khí khác. Cần lưu ý rằng các thông số về thời gian rang và độ ẩm ban đầu của hạt cà phê có thể khác nhau và ước tính được tính bởi Scott Rao chỉ mang tính chất tham khảo.

8. Chất béo trong quá trình rang

Không thể bỏ qua vai trò của lipid trong biến đổi vật lý trong quá trình rang cafe, chiếm 16% khối lượng khô của cà phê xanh, trong quá trình rang. Triglyceride là thành phần chính của lipid này và chúng khó bay hơi trong quá trình rang. Vì vậy, dưới áp suất cao trong hạt, các hợp chất này di chuyển từ trung tâm tế bào về phía bề mặt của hạt. Các hợp chất này hình thành lớp màng mỏng bao phủ hạt, giúp các hợp chất dễ bay hơi được giữ lại bên trong cấu trúc hạt. Đây là yếu tố rất quan trọng để tạo ra hương vị và mùi hương đặc trưng của cà phê. Nếu thiếu dầu, các hợp chất này sẽ không thể phân tán trong chiết xuất cà phê. Do đó, nếu chỉ nhắc đến vai trò của nước trong quá trình rang mà bỏ qua lipid, sẽ là một sự thiếu sót lớn trong quá trình chế biến cà phê.

Trong một số trường hợp, hạt cà phê có thể chứa đến 18% lipid. Lipid là một phần không thể thiếu trong tế bào hạt cà phê, chúng được bảo vệ bởi lớp màng riêng biệt nằm dọc theo thành tế bào. Quá trình rang cà phê sẽ phá hủy cấu trúc tế bào hạt và giải phóng lipid. Cùng với sự gia tăng áp suất khí bên trong hạt, dầu cà phê được đẩy qua các vi mạch nhỏ trong thành tế bào đi lên bề mặt hạt. Trong quá trình di chuyển đến bề mặt hạt, nhiều giọt dầu nhỏ sẽ xuất hiện, chúng sẽ dần kết lại và trở nên dày hơn, cuối cùng bao phủ toàn bộ hạt bằng một màng dầu sáng bóng. Sự thay đổi này của cấu trúc mô hạt cà phê không chỉ tạo ra mùi hương thơm ngon của cà phê, mà còn tạo ra vị đậm đà và độ mượt của cà phê rang xay.

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rang cà phê và sự biến đổi của cấu trúc hạt trong quá trình này. Tuy nhiên, để giải thích cho sự chuyển biến từ cà phê xanh đến cà phê rang xay, ta cần tập trung vào những biến đổi vật lý của hạt cà phê. Khi rang cà phê, các biến đổi vật lý này diễn ra để tạo ra các hương vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê rang. Tuy nhiên, không chỉ có những biến đổi vật lý mà còn những biến đổi hóa học xảy ra trong quá trình rang cũng rất quan trọng trong việc tạo ra các hương vị độc đáo. Những biến đổi hóa học này cũng là cơ sở phân tử để hình thành các hương vị và thúc đẩy sự chuyển biến về mặt vật lý của hạt cà phê. Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn nhiều điều cần khám phá và thiếu vắng sự hiểu biết của ngành cà phê.