Các Biến Đổi Vật Lý Trong Quá Trình Rang Cà Phê

 Mùi thơm và hương vị mong muốn của cà phê được phát triển trong quá trình rang, trong đó hạt cà phê trải qua một loạt các phản ứng hóa học phức tạp dẫn đến sự thay đổi của các tính chất vật lý và hóa học. Trong phần đầu tiên của loạt bài hai phần này, ta sẽ tìm hiểu thêm về những thay đổi vật lý của hạt cà phê bên trong máy rang bắt đầu từ sự thay đổi cấu trúc hạt, quá trình giải phóng hơi nước dẫn đến các tiếng nổ (crack) và sự thay đổi màu sắc hạt…

Bạn đang nghiên cứu về một trong hai quá trình quan trọng nhất của chuỗi các bài viết nói vềquá trình rang cà phê:

Phần 1 – Những vấn đề cơ bản về quá trình rang cà phê
Phần 2 – Các biến đổi vật lý trong quá trình rang
Phần 3 – Các biến đổi hóa học trong quá trình rang

Cơ sở của các biến đổi vật lý khi rang

Hạt cà phê có mật độ và tính đa dạng tế bào cao nhất trong tất cả các loài thực vật cùng họ, chính yếu tố này là điều kiện tiên quyết cho mọi sự biến đổi hương vị của hạt cà phê mà chúng ta mong muốn. Không có cấu trúc vật lý cụ thể, các phản ứng hóa học cần thiết cho hương vị và mùi thơm sẽ không diễn ra.

Trong The Craft and Science of Coffee, Britta Folmer đã chỉ ra rằng bạn không thể rang ‘bột cà phê xanh’ tương tự như cách rang cà phê nguyên hạt (nghe rất hiển nhiên đúng không?). Điều này nhằm nhấn mạnh rằng hạt cà phê nguyên vẹn tương tự như một “lò phản ứng mi-ni” (minireactor) cho phép các phản ứng hóa học thiết yếu xảy ra. Mỗi hạt sẽ kiểm soát môi trường phản ứng theo cách mà các tiền chất sẽ phân hủy, biến đổi kết hợp với nhau… theo đúng trình tự.

Cấu trúc hạt – Physical Structure

Mỗi tế bào thực vật (cả động vật) đều có màng tế bào, trong trường hợp của nhân cà phê, chúng được cấu trúc từ cellulose và một vài loại carbohydrate khác. Các thành tế bào này đóng vai trò như một ‘bộ xương thực vật’, tạo thành một cấu trúc rất chắc chắn. Nếu chúng ta chiết xuất khoảng 20% ​​chất rắn trong mỗi hạt cà phê vào một tách Espresso, thì hầu hết 80% còn lại chính là khung cellulose này.

So với các quy trình rang khác trong các ứng dụng thực phẩm (hạt, ca cao, v.v.) rang cà phê đòi hỏi nhiệt độ cao nhất để phát triển các đặc tính mong muốn. Nói chung, nhiệt độ hạt thường trên 190°C trong một thời gian tối thiểu nhất định để kích hoạt các phản ứng hóa học điển hình của việc rang – The Craft and Science of Coffee

hình ảnh Cấu trúc tế bào động vật (trái) và tế bào thực vật (phải) điển hình

Thứ hai, đa phần tế bào thực vật đều có dạng một ‘túi’ trống rỗng ở giữa được gọi là không bào (permanent vacuole). Khoảng không bào đối với nhân cà phê rất lớn, có thể chiếm hơn một nửa thể tích của tế bào. Nhiệm vụ chính của chúng (khi hạt còn sống) là giữ nước hoặc các chất dinh dưỡng như protein, chất béo và carbohydrate… Sau khi trải qua qua trình rang các thành phần này trở thành các hợp chất hương vị chính.

trích dẫn
So với các quy trình rang khác trong các ứng dụng thực phẩm (hạt, ca cao, v.v.) rang cà phê đòi hỏi nhiệt độ cao nhất để phát triển các đặc tính mong muốn. Nói chung, nhiệt độ hạt thường trên 190°C trong một thời gian tối thiểu nhất định để kích hoạt các phản ứng hóa học điển hình của việc rang – The Craft and Science of Coffee

Sự thay đổi cảm quan

Sự thay đổi rõ ràng nhất xảy ra trong quá trình rang là màu sắc. Trước khi rang, hạt cà phê có màu xanh. Sau đó vài phút nhiệt độ sẽ làm cho chất diệp lục có trong hạt chuyển sang màu vàng, trước khi kích hoạt một chuỗi các phản ứng hóa học tiếp theo để hạt cà phê chuyển sang màu nâu – đến nâu sẫm và cuối cùng là đen. Quá trình này được chịu trách nhiệm bởi hai nhóm phản ứng hóa học chính:

Thứ nhất: Sự hình thành melanoidin – sản phẩm của phản ứng Maillard (phản ứng hóa học giữa các axit amin và đường khử)
Thứ hai: Phản ứng caramel hóa các loại đường (sự phân hủy carbohydrates) tự nhiên trong hạt

hình ảnh Màu sắc cà phê xuyên suốt quá trình rang

Mặc dù màu sắc của hạt cà phê sẽ liên tục chuyển đổi từ xanh sang vàng, nâu, nâu sẫm đến đen. Nhưng do tiến trình chuyển từ vàng sang nâu diễn ra vào cuối quá trình rang với thời gian rất ngắn, mà việc phân loại theo thang đo màu sắc lại khá phức tạp, nên ta sẽ tóm gọn năm cấp độ chính như sau:

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

Màu sắc và sự phát triển hương vị

Vấn đề đầu tiên cần quan tâm tại đây, đó là sự phát triển hương vị bên trong hạt cà phê luôn tiến triển trễ hơn so với hiểu hiện màu sắc bên ngoài hat. Vì vây, một nghệ nhân khéo léo phải quản lý quá trình này và đảm bảo rằng chất vị bên trong được phát triển đầy đủ như màu sắc đạt đến của hạt của nó. Và cần lưu ý rằng, trong nửa đầu quá trình (Light roast) sự khác biệt giữu biểu thị màu sắc và sự phát triển bên trong hạt không đáng kể càng về cuối (Darkroast) biên độ chênh lệch này càng lớn

Thứ hai, ta cũng cần lưu ý rằng rang sẫm (dark roast) hơn không làm cho cà phê phát triển nhiều hơn. Mặt khác, rang nhẹ (light roast) không có nghĩa cà phê đã phát triển đầy đủ. Màu sắc, chỉ là một phần biểu hiện cho hương vị. Do vậy, với sự phát triển đúng đắn, bất kỳ màu sắc nào của quá trình rang cũng có thể cho hương vị phong phú và đậm đà.

trích dẫn
Trong cửa hàng tiện lợi, bạn có thể tìm thấy cà phê được rang Light hoặc Medium tùy ý, nhưng bạn sẽ khó sử dụng các ngôn từ này để mô tả cà phê tại một cửa hàng cà phê đặc sản chính thống. Họ làm việc với những hiểu biết về nguồn gốc của mỗi hạt cà phê để từ đó tìm ra Roast Profile (hồ sơ rang) thể hiện được hết tiềm năng chất lượng của loại hạt đó.

Cấu trúc, độ ẩm và khối lượng hạt cà phê

Như đã nhắc ở phần trên, cấu trúc vi mô của một hạt cà phê là ma trận của các tế bào được cấu tạo thành từ cellulose. Quá trình rang phá hủy cấu trúc tế bào cà phê, mặc dù khung của các thành tế bào vẫn còn nguyên vẹn, tế bào chất bị giảm dần được đẩy về phía thành tế bào, nhường chỗ cho một khoảng trống chứa đầy khí ở vùng trung tâm. Lớp thành tế bào này trở nên mỏng hơn khi tiếp tục rang, các khí và hơi nước sẽ tăng sức ép làm kích thước tế bào tăng lên. Do đó, Song song với việc tăng thể tích, độ xốp đo được cũng tăng dần trong quá trình rang.

hình ảnh Mô phỏng các khoang rỗng bên trong hạt cà phê sau khi rang, với sự tích tụ vô số các hợp chất hòa tan & không tan

Trong suốt quá trình rang, lượng nước tự do trong hạt sẽ bốc hơi và tạo ra áp suất cao trong hạt. Sức trương nở này sẽ thay đổi cấu trúc của các thành tế bào từ cứng nhắc sang mềm dẻo hơn, hạt sẽ dần suy yếu, mềm hơn và xốp hơn, đồng thời do áp lực hơi nước nội bào (và các khí khác) các vật chất bên trong sẽ bị ép ra thành tế bào để lại một khoảng trống nội bào. Phần lớn các khoảng trống này sẽ được tích tụ đầy khí CO2 – khi nước thẩm thấu vào các khoang này trong quá trình pha chế, các hợp chất hòa tan sẽ theo nước đi vào chiết xuất và cho ta cảm nhận hương vị cà phê.

Thất thoát của độ ẩm trong quá trình rang

Xuyên suốt quá trình rang, cà phê sẽ đánh mất 12% -24% trọng lượng trong riêng của chúng – tùy thuộc vào độ ẩm ban đầu (và mức độ trình rang khi kết thúc). Kể từ khi vết nứt đầu tiên xuất hiên, nó đánh dấu cho việc cà phê đã hao hụt 11% -13% khối lượng. Khoảng 30 giây sau khi vết nứt đầu tiên kết thúc, là khoảng 14% -16%. Và khi bắt đầu vết nứt thứ hai, cà phê đã mất 17% -18% khối lượng (*). Trong ngành công nghiệp cà phê đặc sản, với sự ưu tiên bảo tồn các chất vị bản địa của hạt cà phê, 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 hao hụt cân nặng trên – nước chiếm tới 90% trọng lượng đã mất. Phần còn lại là chất hữu cơ bị thải ra ở dạng khí CO2, cũng như một lượng nhỏ carbon monoxide, nitơ, các hợp chất thơm và axit dễ bay hơi. Tổn thất về mặt chất hữu cơ tăng đáng kể hơn từ giai đoạn medium roasts, với lượng chất hữu cơ hao mòn từ 5 – 8%, và lên tới tới 12% từ giai đoạn dark roasts trở đi.

trích dẫn * Các ước tính này được Scott Rao tính toán từ độ ẩm ban đầu của cà phê xanh là 10% -12% và thời gian rang là 11 đến 12 phút, trong thực tế có thể thay đổi đáng kể.

Vết nứt đầu tiên & vết nứt thứ hai

Khi áp lực hơi nước trong hạt cà phê không ngừng gia tăng trong khoảng từ 100 – 160°C, áp lực hơi nước sẽ phá vỡ cấu trúc hạt để tạo ra “tiếng nổ” mà ta gọi là First crack. Tại thời điểm này, hạt cà phê có thể tăng gấp đôi về thể tích, tùy thuộc vào mức độ rang, độ ẩm trong hạt sẽ giảm từ 10-12% ban đầu xuống còn khoảng 3-5%.

Sau vết nứt đầu tiên, cấu trúc hạt cà phê trở nên giòn hơn sẽ tạo tiền đề cho vết nứt thứ hai (khoảng 225 – 230°C). Song ‘tiếng nổ thứ hai” không bắt nguồn từ việc giải phóng lượng nước tự do có trong hạt như đối với frist crack. Đó là vì lượng nước còn lại trong hạt đã tham gia phản ứng phân hủy đường, protein,.. Do vậy vết nứt thứ hai chủ yếu được tạo ra do sự giải phóng áp suất được gây ra bởi CO, CO2, NOx và các loại khí khác.

Chất béo trong quá trình rang

Sẽ rất thiếu sót nếu chỉ nhắc đến sự tham gia của nước trong quá trình rang mà quên rằng, 16% khối lượng khô của cà phê xanh là lipid (chủ yếu là triglyceride). Và vì chúng khó mà bay hơi nên trong quá trình rang, nên dưới áp suất cao trong hạt các hợp chất này di chuyển từ trung tâm tế bào về phía bề mặt của hạt. Sự trùng hợp là chính nhờ lớp lipit mỏng bao phủ hạt mà các hợp chất dễ bay hơi được giữ lại bên trong cấu trúc hạt, phần lớn trong đó rất cần thiết để tạo ra mùi hương của cà phê, không có dầu chúng không thể phân tán trong chiết xuất.

Trong một số trường hợp, hạt cà phê có thể chứa tới 18% lipid. Lipid có mặt trong tế bào chất của nhân cà phê, chúng được bảo vệ bởi lớp màng riêng biệt nằm dọc theo thành tế bào. Sự thay đổi cấu trúc mô hạt cà phê trong quá trình rang sẽ phá hủy tổ chức sinh học của tế bào hạt và giải phóng lipid. Cùng với sự 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 ra bề mặt hạt, nhiều giọt dầu nhỏ 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.

trích dẫn những biến đổi vật lý về cấu trúc hạt cà phê đi theo một phương diện để giải thích cho sự thay đổi từ cà phê xanh – đến cà phê rang xay, nhưng ở một phương diện (hay chính xác hơn là mặt trận khác) những biến đổi hóa học xảy ra trong quá trình rang mới là “cơ sở phân tử” hình thành nên các hương vị, thúc đẩy cho sự chuyển biến về mặt vật lý, đây cũng là một trong những lĩnh vực còn thiếu vắng sự am hiểu nhất của ngành cà phê.