Cấu trúc hạt – Physical Structure
Mỗi tế bào thực vật, bao gồm cả hạt cà phê, đều có màng tế bào được cấu trúc từ cellulose và các carbohydrate khác, tạo thành một "bộ xương thực vật" vững chắc Khi chiết xuất khoảng 20% chất rắn từ hạt cà phê vào tách Espresso, phần còn lại chủ yếu là khung cellulose, chiếm tới 80%.
Hạt cà phê xanh có cấu trúc tế bào dày khoảng 10 micromet, với kích thước tế bào từ 20 đến 30 micromet, trong đó không bào chiếm khoảng một nửa thể tích của tế bào, theo Dr Monika Fekete, người sáng lập Australian Coffee Science Lab.
Tế bào thực vật thường có một không bào lớn, chiếm hơn một nửa thể tích tế bào, đặc biệt là trong nhân cà phê Không bào có nhiệm vụ chính là lưu trữ nước và các chất dinh dưỡng như protein, chất béo và carbohydrate Sau quá trình rang, những thành phần này sẽ chuyển hóa thành các hợp chất hương vị chính.
Sự thay đổi màu sắc
Quá trình rang cà phê bắt đầu với hạt cà phê màu xanh, sau đó nhiệt độ cao khiến chất diệp lục chuyển sang màu vàng Tiếp theo, một chuỗi phản ứng hóa học diễn ra, làm cho hạt cà phê chuyển từ màu nâu sang nâu sẫm và cuối cùng là màu đen Hai nhóm phản ứng hóa học chính chịu trách nhiệm cho sự thay đổi màu sắc này.
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 1 3 Màu sắc cà phê xuyên suốt quá trình rang
Màu sắc của hạt cà phê trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi từ xanh sang vàng, nâu, nâu sẫm và cuối cùng là đen Quá trình chuyển từ vàng sang nâu xảy ra nhanh chóng vào cuối giai đoạn rang, khiến việc phân loại theo thang đo màu sắc trở nên phức tạp Do đó, chúng ta sẽ tóm gọn thành năm cấp độ chính.
Cinnamon > Light Roasts > Medium Roast > Medium-Dark Roast > Dark Roast
Màu sắc và sự phát triển hương vị
Sự phát triển hương vị bên trong hạt cà phê thường chậm hơn so với sự thay đổi màu sắc bên ngoài Do đó, nghệ nhân cần quản lý quá trình rang để đảm bảo hương vị bên trong phát triển đầy đủ tương ứng với màu sắc của hạt Trong giai đoạn đầu (Light roast), sự khác biệt giữa màu sắc và hương vị không đáng kể, nhưng ở giai đoạn cuối (Dark roast), biên độ chênh lệch này trở nên rõ rệt hơn.
Rang sẫm không đồng nghĩa với việc cà phê phát triển tốt hơn, trong khi rang nhẹ cũng không đảm bảo rằng cà phê đã đạt độ phát triển tối ưu Màu sắc chỉ là một yếu tố thể hiện hương vị của cà phê Do đó, với quá trình phát triển đúng cách, bất kỳ màu sắc nào từ quá trình rang đều có thể mang lại hương vị phong phú và đậm đà.
Cấu trúc, độ ẩm và khối lượng hạt cà phê
Cấu trúc vi mô của hạt cà phê là ma trận tế bào chủ yếu từ cellulose, khiến hạt có tính chất giống gỗ hơn là đậu Khi chịu tác động của nhiệt độ, cellulose sẽ mở rộng, làm cho hạt cà phê trương nở Đồng thời, lớp vỏ trấu (silverskin) sẽ tự bong ra khỏi hạt, và quạt hút sẽ giúp loại bỏ chúng.
Hình 1.4 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 quá trình rang, nước tự do trong hạt cà phê bốc hơi, tạo ra áp suất cao, khiến cấu trúc tế bào chuyển từ cứng nhắc sang mềm dẻo Hạt cà phê dần suy yếu, trở nên mềm và xốp hơn Áp lực hơi nước và các khí khác ép các chất bên trong ra ngoài, tạo ra khoảng trống nội bào Những khoảng trống này tích tụ khí CO2, và khi nước thẩm thấu vào trong quá trình pha chế, các hợp chất hòa tan theo nước vào chiết xuất, mang lại hương vị đặc trưng của cà phê.
Sự thay đổi độ ẩm
Trong quá trình rang, cà phê có thể mất từ 12% đến 24% trọng lượng tùy thuộc vào độ ẩm ban đầu và mức độ rang Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, cà phê đã hao hụt khoảng 11% đến 13% khối lượng.
Khoảng 30 giây sau khi kết thúc vết nứt đầu tiên, hạt cà phê đã mất từ 14% đến 16% khối lượng Khi bắt đầu vết nứt thứ hai, khối lượng cà phê mất khoảng 17% đến 18% Trong ngành công nghiệp cà phê đặc sản, để bảo tồn các chất vị bản địa, các nhà rang xay thường giữ mức “giảm cân” của hạt cà phê ở mức trung bình từ 14% đến 16% trọng lượng ban đầu.
Khi giảm cân, nước chiếm tới 90% trọng lượng mất đi, trong khi phần còn lại bao gồm chất hữu cơ thải ra dưới dạng khí CO2, cùng với một lượng nhỏ carbon monoxide, nitơ, các hợp chất thơm và axit dễ bay hơi Tổn thất chất hữu cơ tăng rõ rệt từ giai đoạn rang vừa, với mức hao hụt từ 5-8%, và có thể lên tới 12% khi chuyển sang giai đoạn rang đậm.
Scott Rao đã tính toán các ước tính dựa trên độ ẩm ban đầu của cà phê xanh từ 10% đến 12% và thời gian rang từ 11 đến 12 phút, tuy nhiên, thực tế có thể thay đổi đáng kể.
Vết nứt đầu tiên & Vết nứt thứ hai
Khi nhiệt độ trong hạt cà phê đạt từ 100 – 160°C, áp lực hơi nước gia tăng dẫn đến hiện tượng "tiếng nổ" gọi là First crack Tại thời điểm này, hạt cà phê có thể tăng gấp đôi thể tích, tùy thuộc vào mức độ rang, trong khi độ ẩm giảm từ 10-12% xuống còn khoảng 3-5%.
Sau vết nứt đầu tiên, cấu trúc hạt cà phê trở nên giòn hơn, tạo điều kiện cho vết nứt thứ hai xuất hiện ở nhiệt độ khoảng 225° – 230°C Khác với tiếng nổ đầu tiên, tiếng nổ thứ hai không xuất phát từ việc giải phóng nước tự do trong hạt, mà do lượng nước còn lại đã tham gia vào các phản ứng phân hủy đường và protein Do đó, vết nứt thứ hai chủ yếu hình thành do sự giải phóng áp suất từ các khí như CO, CO2, NOx và các loại khí khác.
Một ít chất béo
Trong quá trình rang cà phê, không chỉ nước mà còn lipid, chiếm 16% khối lượng khô của cà phê xanh, đóng vai trò quan trọng Lipid chủ yếu là triglyceride, khó bay hơi, nên dưới áp suất cao, chúng di chuyển từ trung tâm tế bào ra bề mặt hạt Sự hiện diện của lớp lipid này là yếu tố chính trong quá trình rang.
Hạt cà phê được bao phủ bởi một lớp mỏng, giữ lại các hợp chất dễ bay hơi bên trong cấu trúc của chúng Những hợp chất này rất quan trọng để tạo ra hương thơm đặc trưng của cà phê; nếu không có dầu, chúng sẽ không thể phân tán trong quá trình chiết xuất.
Hình 1.5 Ở Dark roast – lớp dầu bóng trên bề mặt cà phê nhiều hơn
Khi hạt cà phê trải qua quá trình rang, hàng trăm phản ứng hóa học diễn ra, dẫn đến sự phân hủy và biến tính của một số hợp chất, đồng thời tạo ra nhiều hợp chất mới Tất cả những biến đổi này, kết hợp với sự thay đổi về mặt vật lý, sẽ hình thành nên những hương vị độc đáo trong nhân cà phê.
Hình 1.6 Quá trình rang với các biến đổi hóa học chuyển biến sâu sắc hạt cà phê từ bên trong ra ngoài
Trong quá trình rang cà phê, phản ứng hóa học chủ yếu diễn ra qua nhiệt phân, một quá trình hấp thụ nhiệt Khi hạt cà phê đạt đến nhiệt độ phân hủy, các hợp chất dễ bay hơi được tạo ra, đồng thời để lại tàn dư carbon Để đạt được hương vị tối ưu, cần thiết lập một giới hạn nhiệt độ, tránh làm cho hạt cà phê bị cháy, nhưng vẫn đủ để kích thích các biến đổi hóa học cần thiết.
Bảng 1.1 Thành phần hóa học có trong cà phê rang và cà phê nhân
*Và sau đây là các phản ứng hóa học chính làm nên tách cà phê:
Phản ứng Maillard
Phản ứng Maillard là một nhóm các phản ứng hóa học quan trọng tạo ra hương vị đặc trưng và màu nâu của cà phê rang, cũng như nhiều loại thực phẩm khác như sô cô la và bánh mì Được đặt theo tên của bác sĩ Louis Camille Maillard, người lần đầu tiên mô tả chúng vào năm 1910, quá trình này bắt đầu ở nhiệt độ từ 140°C đến 160°C Khi nhiệt độ vượt quá 170°C, các phản ứng caramel hóa diễn ra và làm cháy hết lượng đường còn lại.
Hình 1.7 Infographic phản ứng Maillard
Phản ứng Maillard là quá trình hóa học xảy ra giữa đường khử và axit amin, trong đó đường khử có nhóm aldehyde hoặc ketone tự do Những nhóm này liên kết với chuỗi carbon qua nguyên tử oxy với liên kết đôi, cho phép chúng dễ dàng phản ứng với axit amin và nhiều hợp chất khác.
Phản ứng Maillard trong hạt cà phê tạo ra vô số hợp chất hương vị khác nhau nhờ vào sự kết hợp của axit amin và đường, dẫn đến sự hình thành các hương vị quen thuộc như rang và bánh mì nướng Điều đặc biệt là các sản phẩm từ phản ứng này có thể tiếp tục phản ứng với axit amin tự do để tạo ra Melanoidin, một hợp chất màu nâu sẫm với hương vị rang, mạch nha, đắng và khét Melanoidin đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và ổn định crema trong Espresso, mang lại cảm nhận đậm đà cho cốc cà phê.
Hình 1 8 Cơ chế phản ứng Maillard
-Sự phân hủy của các acid amin: đặc biệt là các sulfur acid amin, hydroxy amino acid và proline
-Sự phân hủy của trigonelline:
-Sự phân hủy của đường:
- Sự phân hủy của phenolic acid, đặc biệt là phân hủy một nửa quinic acid
- Sự phân hủy các lipid
- Sự tương tác giữa các sản phẩm trung gian do phân hủy
Phản ứng Caramel hóa
Caramel hóa, khác với phản ứng Maillard, là một quá trình nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ khoảng 170°C (338°F), nơi các mạch carbohydrate phức tạp bị phân hủy thành hàng trăm hợp chất nhỏ hơn Quá trình này tạo ra vị đắng, chua và hương thơm đặc trưng, diễn ra liên tục cho đến khi hoàn tất quá trình rang Caramel hóa đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những hương vị ngọt ngào trong cà phê, như caramel, bánh mì nướng và hạnh nhân.
Hình 1.9 Phản ứng Caramel hóa đóng vai trò quan trọng tạo nên hương vị & màu sắc cho cà phê
Hàm lượng đường sucrose không chỉ mang lại vị ngọt và độ đậm đà cho cà phê sau khi rang, mà còn ảnh hưởng đến tính axit của nó Phản ứng caramel hóa của sucrose tạo ra axit axetic, do đó, việc thu hoạch cà phê đúng độ chín với hàm lượng đường cao là rất quan trọng Điều này giúp cung cấp nguyên liệu phong phú cho các phản ứng Maillard và Caramel, nâng cao chất lượng cà phê.
Sự phân hủy của acid
Acidity là đặc tính quan trọng mang lại cho cà phê sự sống động, tinh tế và phức tạp Mặc dù nhiều người cho rằng axit làm cà phê trở nên đắng hoặc khó chịu, nhưng thực tế, cà phê thiếu axit lại trở nên "rỗng tuếch" và nhàm chán Để giảm thiểu hàm lượng axit, người uống có thể thử Cold brew coffee, tuy nhiên, điều này có thể làm mất đi sự cân bằng tinh tế trong quá trình rang.
*Một số loại acid phổ biến trong cà phê:
Axit Chlorogenic (CGA) – Chống oxi hóa
Axit Chlorogenic (CGA), được phát hiện vào năm 1932, là một hợp chất quan trọng trong cà phê xanh và cà phê rang, chiếm từ 5,5-8% trong cà phê Arabica và 7-10% trong Robusta CGA, cùng với caffeine, giúp cà phê chống lại sâu bệnh, cho phép cây cà phê Robusta phát triển mạnh mẽ hơn nhờ hàm lượng CGA và caffeine cao gấp đôi so với Arabica.
CGA, một hợp chất phổ biến trong cà phê với hơn 10 đồng phân cấu tạo khác nhau, được biết đến như một chất chống oxy hóa tự nhiên với hàm lượng cao hơn nhiều so với trà xanh, lên tới 200-550mg trong 175ml (6 oz) Đặc biệt, CGA nhạy cảm với nhiệt độ; trong quá trình rang cà phê, CGA phân hủy chậm, mất khoảng 50% và tạo ra axit caffeic và axit quinic, góp phần gây ra vị đắng đáng kể trong cà phê.
Axit Citric, một axit hữu cơ phổ biến thứ hai trong cà phê, được sản xuất bởi cây cà phê chứ không phải từ quá trình rang, mặc dù quá trình này có thể làm suy giảm nồng độ của nó Axit citric trong cà phê mang hương vị tương tự như trong trái cây có múi, tạo ra cảm giác vị chua như cam và bưởi Khi cà phê được rang, nồng độ axit citric đạt mức tối đa ở mức rang nhạt và nhanh chóng giảm khi độ rang tăng lên Một hạt cà phê rang vừa sẽ mất khoảng 50% nồng độ axit citric ban đầu.
Axit Axetic, hay còn gọi là giấm, là một axit hữu cơ quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng cà phê Nồng độ của axit này có thể thay đổi tùy thuộc vào phương pháp chế biến ướt hoặc khô, cho thấy rằng axit Axetic chủ yếu được hình thành trong quá trình chế biến hơn là từ chính quả cà phê.
Trong quá trình chế biến ướt, vi khuẩn trong chất nhầy của vỏ quả tiêu thụ đường, dẫn đến sản xuất axit axetic và các hợp chất khác Quá trình này phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ.
Trong quá trình lên men ở nhiệt độ 16 độ, nồng độ axit axetic sẽ khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố môi trường và bản chất của hạt cà phê.
Trong quá trình rang cà phê, nồng độ axit axetic tăng lên đáng kể, đặc biệt khi các carbohydrate như sucrose bắt đầu phân hủy, dẫn đến sự hình thành các axit béo như axit acetic và formic Nồng độ axit axetic có thể tăng lên đến 25 lần so với hàm lượng ban đầu trong cà phê xanh, đạt tối đa ở mức rang nhạt đến vừa (Light – Medium roasts) trước khi nhanh chóng phân hủy khi rang đậm do tính chất dễ bay hơi của nó.
Axit thứ cấp trong cà phê xanh có hàm lượng rất thấp và thường chỉ hình thành qua các biến đổi hóa học trong quá trình rang Mặc dù không đóng góp nhiều vào độ chua tổng thể, các axit này lại tạo ra sự cân bằng hương vị, mang đến sự đa dạng và phong phú cho trải nghiệm cảm quan.
Axit quinic được hình thành khi axit Chlorogenic phân hủy trong quá trình rang cà phê Do đó, cà phê rang đậm có nồng độ axit quinic cao hơn, góp phần tạo ra vị đắng và cảm giác hanh khô trong vòm miệng Axit này bền vững trong môi trường, vì vậy khi cà phê nguội sau nhiều giờ, vị đắng vẫn còn dù các hương vị khác đã giảm Ngoài ra, trong quá trình rang, một phần axit quinic tiếp tục phân hủy thành các hợp chất thứ cấp như phenol, catechol, hydroquinone, pyrogallol và một số diphenols, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên hương thơm của cà phê.
Axit caffeic và quinic là hai sản phẩm chính được hình thành từ quá trình phân hủy axit chlorogenic (CGA) trong cà phê Mặc dù có tên gọi liên quan đến caffeine, nhưng axit này không chứa caffeine Quá trình rang cà phê dẫn đến sự phân hủy CGA, tạo ra axit caffeic và quinic với tỷ lệ tương đối cân bằng, phụ thuộc vào nhiệt độ.
Sự hình thành của các hợp chất thứ cấp diễn ra tại hoặc xung quanh vết nứt đầu tiên khi hạt cà phê bắt đầu trải qua những thay đổi vật lý quan trọng.
Axit caffeic và quinic là hai loại axit phenolic, nổi bật với tính chất làm se, gây cảm giác khô miệng Chúng thường xuất hiện trong nhiều loại đồ uống, bao gồm trà và chocolate.
Axit Malic là một axit hữu cơ được hình thành trong quá trình sinh dưỡng của cây cà phê, góp phần tạo nên hương vị thơm ngon của các loại trái cây như đào, mận, lê và táo Đặc biệt, axit này có nồng độ cao nhất trong táo, cho thấy vai trò quan trọng của nó trong ngành thực phẩm.
Axit Photphoric trong cà phê chiếm dưới 1% chất khô, nhưng có cường độ mạnh hơn 100 lần so với các axit khác Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng axit này ảnh hưởng đáng kể đến hương vị cà phê, và hiện tại, các nghiên cứu về vai trò của axit Photphoric vẫn đang tiếp tục.
Vai trò của các hợp chất thơm tạo thành
Hợp chất furan được xem là nhóm chất mạnh nhất trong các chất thơm, nổi bật với hương vị giống như caramel Điều này là do chúng hình thành từ quá trình phân hủy đường.
Các hợp chất chứa lưu huỳnh, đặc biệt là pyrazine, tạo ra mùi hương đặc trưng giống như mùi nướng của bỏng ngô, bánh mì nướng và cây óc chó Với ngưỡng cảm nhận mùi thấp nhất trong tất cả các hợp chất, pyrazine đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên hương vị phong phú của cà phê.
-Đứng thứ ba là các hợp chất pyrrole Pyrrole tạo mùi giống mùi caramel và mùi nấm trong cà phê.
Các hợp chất thiophen thường có mùi giống như thịt, sản phẩm này được hình thành từ phản ứng Maillard giữa các amino acid chứa lưu huỳnh và đường Trong khi đó, thiazole là sản phẩm của phản ứng phân hủy đường và chiếm tỷ lệ nhỏ hơn trong tổng hợp.
Bảng 1.2 OAV – Odor Activity Value: tỉ lệ thành phần của các phân tử ở ngưỡng cảm nhận mùi
CÁC PHÂN ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH
GIAI ĐOẠN 1: LÀM KHÔ (DRYING)
Hình 2.1 Giai đoạn làm khô
Từ 7 đến 11% trọng lượng của 1 hạt cà phê nhân là nước, chia đều trong cấu trúc hạt Hạt cà phê không thể chuyển sang màu nâu nếu trong hạt còn chứa nước, điều này tương tự như việc nấu chín các loại thực phẩm khác
Khi hạt cà phê được cho vào máy rang, chúng cần một thời gian nhất định để hấp thụ nhiệt, giúp nước trong hạt cà phê bốc hơi Quá trình làm khô này đòi hỏi một lượng nhiệt và thời gian đáng kể, trong khi hạt cà phê vẫn giữ nguyên màu sắc và mùi vị trong vài phút đầu của giai đoạn rang.
GIAI ĐOẠN 2: CHUYỂN VÀNG (YELLOWING)
Hình 2.2 Giai đoạn chuyển vàng
Khi nước bốc hơi khỏi hạt cà phê, phản ứng chuyển nâu bắt đầu diễn ra Ở giai đoạn này, hạt cà phê vẫn cứng và đặc, mang hương vị của gạo basmati và một chút hương bánh mì Tiếp theo, hạt cà phê nở ra và lớp vỏ lụa sẽ bong ra.
Lớp vỏ lụa của hạt cà phê được tách ra nhờ luồng gió thổi vào lồng rang, sau đó được thu gom một cách an toàn để tránh nguy cơ cháy.
Giai đoạn đầu tiên trong quá trình rang cà phê là rất quan trọng; nếu hạt cà phê không được làm khô đúng cách, chúng sẽ không được rang đều và có thể dẫn đến việc lớp bên ngoài được rang tốt nhưng phần bên trong vẫn chưa chín Những hạt cà phê này sẽ không mang lại hương vị ngon, vì chúng sẽ có vị đắng từ lớp ngoài kết hợp với vị chua và vị cỏ từ phần chưa chín bên trong Việc làm chậm quá trình rang cũng không cải thiện chất lượng mẻ rang, do các phần khác nhau của hạt cà phê tương tác với nhiệt theo cách khác nhau.
GIAI ĐOẠN 3: NỔ LẦN ĐẦU ( FIRST CRACK)
Hình 2.3 Giai đoạn nổ lần đầu
Khi quá trình chuyển nâu của hạt cà phê tăng tốc, khí CO2 và hơi nước hình thành bên trong hạt, dẫn đến áp lực gia tăng Khi áp lực đủ lớn, hạt cà phê sẽ nổ ra, tăng kích thước gần gấp đôi Từ giai đoạn này, hương vị đặc trưng của cà phê bắt đầu hình thành, cho phép người rang có thể dừng quá trình rang theo ý muốn.
Người rang cà phê cần phải chú ý đến thời điểm khi tốc độ tăng nhiệt của hạt cà phê bắt đầu giảm, dù lượng nhiệt cung cấp vẫn giữ nguyên Nếu không bổ sung đủ nhiệt, quá trình rang sẽ bị chậm lại, dẫn đến việc hạt cà phê bị cháy và chất lượng giảm sút.
GIAI ĐOẠN 4: PHÁT TRIỂN HƯƠNG VỊ ( ROAST DEVELOPMENT )
Hình 2.4 Giai đoạn phát triển hương vị
Sau khi trải qua lần nổ đầu tiên (first crack), bề mặt hạt cà phê sẽ trở nên trơn láng hơn nhưng vẫn chưa hoàn thiện Giai đoạn này đóng vai trò quyết định đến màu sắc và độ rang của hạt cà phê Tại thời điểm này, người rang cần cân nhắc giữa vị chua và vị đắng, vì vị chua sẽ giảm nhanh chóng trong khi vị đắng sẽ gia tăng khi quá trình rang tiếp tục.
GIAI ĐOẠN 5: NỔ LẦN HAI (SECOND CRACK)
Hình 2.5 Giai đoạn nổ lần 2
Trong giai đoạn này, hạt cà phê trải qua lần nổ thứ hai với âm thanh nhỏ hơn, khi lượng dầu bắt đầu tràn ra bề mặt Hầu hết vị chua đã biến mất và hương vị đặc trưng “thông thường” của cà phê hình thành, không phụ thuộc vào giống cà phê Hương vị này là kết quả của quá trình đốt cháy, khiến hạt cà phê không còn giữ được hương vị tự nhiên ban đầu.
Tiếp tục quá trình rang cà phê sau khi nổ lần hai có thể gây ra cháy nổ, đặc biệt nguy hiểm đối với các máy rang thương mại lớn.
MỨC ĐỘ RANG & THỜI GIAN
Các mức độ rang của cà phê
Các mức độ rang cà phê và hương vị đặc trưng của từng cấp độ
Ở Việt Nam, nhiều người ưa chuộng cà phê Đen – Đặc – Đắng, thường yêu cầu quá trình rang cà phê ở nhiệt độ cao để đạt được hương vị này Tuy nhiên, ít ai biết rằng cà phê rang ở nhiệt độ thấp hơn cũng mang lại nhiều hương vị đặc trưng phong phú, với hạt cà phê không quá đen và giữ được nét tinh tế của vùng trồng.
Các mức độ rang cà phê ảnh hưởng quyết định đến hương vị của hạt cà phê Đối với cùng một loại cà phê, mỗi mức độ rang sẽ mang lại những hương vị khác nhau, tạo nên sự đa dạng trong trải nghiệm thưởng thức Nguyên lý này cho thấy tầm quan trọng của việc chọn mức độ rang phù hợp để tối ưu hóa hương vị cà phê.
Hạt cà phê chứa nhiều hợp chất quan trọng, trong đó có đường, lipid, protein và các hợp chất alkaloids, góp phần tạo nên hương vị đặc trưng trong quá trình rang cà phê.
Cà phê chứa 23 hợp chất quan trọng, bao gồm caffeine, trigonelline, các a-xít hữu cơ và khí, cùng với các hợp chất hương đặc trưng Bên cạnh đó, hạt cà phê cũng chứa nước, góp phần tạo nên độ ẩm cần thiết cho hương vị của cà phê.
Hình 3.2 Công thức hóa học của caffeine
Trong hạt cà phê có rất nhiều hợp chất
Các hợp chất tự nhiên trong cà phê không mang lại hương vị khi chưa được rang Khi bạn xay cà phê nhân và pha với nước nóng, chỉ có mùi cỏ, hạt sống và vị chua, chát khó chịu Tuy nhiên, điều kỳ diệu xảy ra khi bạn tiến hành rang cà phê.
Trong quá trình gia nhiệt, các hợp chất trong cà phê phản ứng và biến đổi theo nhiệt độ, tạo ra hương vị phong phú Chẳng hạn, đường khi được gia nhiệt vừa phải sẽ chuyển thành caramel với hương thơm ngọt ngào, trong khi nếu bị gia nhiệt quá mức, nó sẽ khét, tạo ra mùi khói khó chịu và vị đắng.
Trên các gói cà phê thường có ghi “Level roast” (mức độ rang) như Light roast, Dark roast, và Medium roast Vậy tại sao lại có nhiều mức độ rang cà phê như vậy, và sự khác biệt giữa chúng là gì?
Hình 3.3 Các cấp độ rang cà phê: Nhân xanh – rang nhạt – trung bình – trung bình đậm
Trong quá trình rang cà phê, nhiều biến đổi diễn ra, bao gồm thay đổi màu sắc, cấu trúc, khối lượng và hương vị Sự biến đổi màu sắc của hạt cà phê là cách phổ biến nhất để mô tả quá trình này, khi hạt hấp thụ nhiệt và chuyển từ màu xanh sang vàng, nâu, nâu sẫm và cuối cùng là màu đen Ngoài ra, các loại dầu tự nhiên cũng xuất hiện trên bề mặt hạt ở nhiệt độ cao, tạo nên dấu hiệu dễ nhận biết.
Mỗi giống cà phê có những điểm khác biệt tự nhiên, vì vậy việc chỉ dựa vào "màu sắc" để phân loại là không đủ chính xác Cần phải kết hợp với khung nhiệt độ rang đặc trưng và các biến đổi vật lý như tiếng nổ (crack) trong quá trình rang để xác định giai đoạn của cà phê Tùy thuộc vào đặc tính biến đổi, mỗi khu vực trên thế giới có cách gọi khác nhau cho từng giai đoạn khi cà phê được lấy ra khỏi máy rang Các thuật ngữ liên quan thường mang tính tham khảo và có thể có nhiều cách gọi đồng nghĩa khác nhau.
III.1.1.1 Light Roast – Rang nhạt
Light roast là giai đoạn rang cà phê diễn ra ngay sau khi tiếng nổ đầu tiên xuất hiện, với nhiệt độ từ 195oC đến 205oC Cà phê rang nhẹ có lượng hao hụt thấp nhất do hơi nước chưa bốc hơi nhiều, mang lại lợi ích cho các nhà rang và sản xuất Độ rang này thường được sử dụng cho Cupping vì hạt vẫn giữ được bản chất và hương vị tự nhiên, với các ghi chú về hoa quả, đậu, vị chua, ngọt và ít đắng Hạt cà phê nhẹ được làm mát ngay sau khi nứt đầu tiên, với dầu vẫn còn bên trong do chưa được rang đủ lâu Cà phê rang nhẹ có nồng độ axit cao, và khi rang lâu hơn, lượng axit sẽ giảm Hương vị của cà phê rang nhẹ phát triển hơn so với rang đậm, mang đến sự phong phú và đa dạng trong trải nghiệm vị giác.
Vị ngon, giống như hạt
Light roast còn phổ biến với tên gọi City roast là mức độ rang phổ biến ở các nước khu vực Bắc Âu, và ngày càng được ưa chuộng
Cà phê Arabica rang nhạt, thường được các nhà rang theo làn sóng cà phê thứ 3 ưa chuộng, thường đạt mức độ rang ở khoảng kết thúc nổ 1 Mức độ này, phổ biến tại các nước Bắc Âu, giúp hạt cà phê giữ được tính a-xít cao và có thể chất mỏng, đồng thời phản ánh sự phát triển của hạt cà phê.
III.1.1.2 Medium Roast – Rang trung bình
Medium roast (hay Full City) là giai đoạn giữa hai lần nổ của cà phê, theo Scott Rao, Full City là giai đoạn cà phê được lấy ra trước khi xuất hiện tiếng nổ thứ hai Lúc này, hạt cà phê đã giải phóng một lượng dầu bóng đáng kể trên bề mặt, mang lại hương vị dễ chịu và cân bằng Medium roast rất thích hợp cho việc pha chế Espresso nhờ vào sự hài hòa giữa độ chua, ngọt, đắng và body cân bằng.
Nhiều người ưa chuộng cà phê rang vừa vì nó mang lại sự cân bằng hoàn hảo, với độ a-xít vừa phải và hương vị dễ chịu Cà phê rang vừa thường có hương vị caramel nhẹ nhàng, mùi hoa quả chín và thể chất trung bình, tạo cảm giác dễ dàng thưởng thức cho người dùng.
Hình 3.5 Cà phê hạt Arabica rang vừa
Một số thuật ngữ rang vừa: American Roast, Breakfast Roast, Brown Roast, City Roast, Medium-Brown Roast, Medium High Roast, Regular Roast, Standard American Roast
III.1.1.3 Medium-Dark Roast – Rang trung bình đậm – Rang nâu
Giai đoạn Viennese trong quy trình rang cà phê diễn ra khi hạt cà phê xuất hiện tiếng nổ thứ hai, với nhiệt độ từ 205oC đến 232oC Ở giai đoạn này, các đặc tính hạt chiếm ưu thế và độ đồng nhất cao, tuy nhiên, hương vị đặc trưng của cà phê gần như không còn.
Nếu bạn tìm kiếm một tách Espresso với vị đắng mạnh mẽ, body dày, độ chua thấp, ít ngọt và hương vị cay, caramel nổi bật, thì đây chính là độ rang lý tưởng cho bạn.
Trình tự biến đổi các mức độ rang
Hạt cà phê có những đặc tính thay đổi theo cấp độ rang, trong đó tính axit (acidity) giảm dần, trong khi đó độ đắng (bitterness) tăng lên Mùi hương (aroma) và thể chất (body) của cà phê cũng tăng lên ở những mức rang thấp rồi giảm xuống khi rang ở cấp độ cao hơn.
Bảng 3.1 Bảng hương vị của cà phê ở từng mức độ rang khác nhau
Bảng 3.2 Biểu đồ Hương Vị của Cà Phê bị biến đổi theo nhiệt độ
Các cấp bậc rang thích hợp với kiểu pha chế tương ứng
Rang Nhạt: Thích hợp pha drip, chemex, pour over
Rang Vừa: Thích hợp pha syphon, french press, drip, aeropress
Rang Nâu: Thích hợp pha Phin Việt Nam, espresso, moka pot, ibrik (kiểu Thổ
Rang Đậm: Thích hợp pha Phin Việt Nam, espresso, moka pot, ibrik (kiểu Thổ
III.1.3 Nghiên cứu phân biệt mức độ rang trong hạt cà phê Arabica và Robusta bằng xác định các chất sinh ra
Các thông số hóa học có thể được sử dụng để phân biệt cà phê Arabica và Robusta bao gồm pH, chất rắn hòa tan, caffeine, trigonelline, và các axit caffeoylquinic như tổng số axit caffeoylquinic, axit 3-O-caffeoylquinic, axit 4-O-caffeoylquinic, axit 5-O-caffeoylquinic, cùng với tổng số axit dicaffeoylquinic và các dạng cụ thể của nó Ngoài ra, tổng số axit feruloylquinic và các axit 3-O-feruloylquinic, 5-O-feruloylquinic cũng được đo trong cà phê Arabica và Robusta ở ba mức độ rang khác nhau.
Bảng 3.3 trình bày mức độ pH, chất rắn hòa tan, caffein và trigonelline (được tính theo % khối lượng khô) của cà phê Arabica và Robusta ở ba mức rang khác nhau (T1, T2 và T3).
Bảng 3.4 Các cấp độ 3-CQA, 4-CQA, 5-CQA và CQA Tổng (tính theo% khối lượng khô), của cà phê Arabica và Robusta được trình bày ở ba cấp độ rang (T 1 , T 2 và T 3 )
Bảng 3.5 Các mức 3,4-diCQA, 3,5-diCQA, 4,5-diCQA và diCQA Tổng (tính theo% khối lượng khô) của cà phê Arabica và Robusta theo ba cấp độ rang (T 1 , T 2 và T 3 )
Bảng 3.6 Mức độ 3-FQA, 5-FQA và FQA Tổng (tính theo% khối lượng khô) của cà phê
Arabica và Robusta được trình bày ở ba cấp độ rang (T 1 , T 2 và T 3 )
Người ta thấy rằng tỷ lệ chất rắn hòa tan tăng lên theo mức độ rang, cao hơn một chút trong cà phê rang Robusta
Hàm lượng caffein trong các mẫu Arabica và Robusta không thay đổi nhiều giữa các mức độ rang, cho thấy sự ổn định đáng kể trong quá trình rang nâu.
Hàm lượng trigonelline trong cà phê Arabica và cà phê Robusta giảm đáng kể khi tăng quá trình rang nâu
Nhìn chung, hàm lượng axit chlorogenic vẫn cao hơn trong hạt cà phê rang Robusta nhưng giảm mạnh khi quá trình rang tăng lên
Việc tăng cường rang đã làm thay đổi rõ rệt tỷ lệ tổng số axit caffeoylquinic, tổng số axit dicaffeoylquinic và tổng số axit feruloylquinic ở cả hai loài Cụ thể, tỷ lệ tổng số axit caffeoylquinic và tổng số axit feruloylquinic tăng đáng kể, trong khi tỷ lệ axit dicaffeoylquinic lại giảm.
Thông qua phân tích đa biến, có thể kết luận rằng các hóa chất trong cà phê tạo thành bốn cụm, bao gồm caffeine, trigonelline, tổng số axit dicaffeoylquinic và tổng số axit feruloylquinic Những cụm hóa chất này giúp phân biệt mức độ rang T3 ở cả hai loài cà phê.
Cường độ rang trong cà phê Arabica và Robusta có sự khác biệt đáng chú ý Cà phê Arabica chủ yếu chứa caffeine, trigonelline, axit 3-O-caffeoylquinic và axit 4-O-caffeoylquinic Trong khi đó, cà phê Robusta lại phong phú hơn với các hợp chất như trigonelline, axit 3-O-caffeoylquinic, axit 4-O-caffeoylquinic, axit 5-O-caffeoylquinic, axit 3,4-O-dicaffeoylquinic, axit 3,5-O-dicaffeoylquinic, axit 4,5-O-dicaffeoylquinic, axit 3-O-feruloylquinic và axit 5-O-feruloylquinic.
Mức độ rang ảnh hưởng đến chất lượng cà phê
III.1.4.1 Mức độ rang ảnh hưởng đến khả năng tạo bọt, độ ổn định bọt và tính nhất quán của bọt
Mẫu EC được chuẩn bị từ 6,0 g cà phê rang xay mịn cho thể tích 40 mL bằng máy pha cà phê La Cimbali M30 Classic, Ý Ngăn chứa bộ lọc được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa quá trình pha chế.
35 lạnh 10 phút trong nước ở nhiệt độ phòng trước mỗi thí nghiệm Nhiệt độ EC là 63,5 (1,1 ° C (n)=5)
The degree of roast (DR)
Khả năng tạo bọt (FA), Độ ổn định bọt (FS) và Tính nhất quán của bọt (FC) của
FA, FS và FC bị ảnh hưởng bởi DR, với bảng 1 thể hiện các giá trị thu được cho FA, FS và FC liên quan đến DR trong cà phê Brazil Đặc biệt, FA của EC tăng tuyến tính với hệ số tương quan (r) = 0,970.
Bảng 3.7 trình bày FA, FS và FC của cà phê Espresso Brazil như một chức năng của DRa, cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các cột Cụ thể, a có sự khác biệt đáng kể (theo kiểm tra t của sinh viên) với tất cả các a khác, nhưng các điểm cuối cùng không nhất thiết phải khác biệt đáng kể với nhau Các số 1, 2 và 3 biểu thị xác suất tương ứng là 1 (p < 0,01), 2 (p < 0,02) và 3 (p < 0,05).
Bảng 3.8 Phần trăm hàm lượng nước của cà phê Brazil rang xay bị ảnh hưởng bởi DR
Hàm lượng nước trong cà phê rang nằm trong khoảng từ 1,70% đến 2,71% Theo nghiên cứu của Rosa et al (1986), thông số này có thể ảnh hưởng đến FA và FS Tuy nhiên, không có mối tương quan có ý nghĩa (p > 0,05) giữa hàm lượng nước và FA, FS, cho thấy ảnh hưởng của DR lên FA và FS của EC lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của hàm lượng nước trong cà phê rang.
Bảng 3.9 FA, FS và FC của cà phê Espresso Uganda như một chức năng của DR
FS của EC tăng ban đầu cùng với sự gia tăng của DR Sau khi đạt tối đa (DR) 9,7%),
FS giảm khi DR tiếp tục tăng
Sự thay đổi của FC với DR tương tự như sự thay đổi của FS, với mối tương quan cao giữa FC và FS (r = 0,979, p < 0,01) Điều này cho thấy 96% sự biến đổi của FS của EC có thể được giải thích bởi sự biến đổi của FC Các kết quả này cũng chỉ ra mối quan hệ trực tiếp giữa độ đặc của bọt và độ nhớt của bọt, như đã được Cheftel và cộng sự (1985) xác nhận, cho phép suy ra mối liên hệ giữa FS và độ nhớt của bọt EC.
Khi áp dụng quy trình cho cà phê Uganda, hành vi quan sát được đối với FA, FS và FC theo DR tương tự như cà phê Brazil Tuy nhiên, DR tối đa cho FS và FC ở cà phê Uganda là 7,6%, thấp hơn so với 9,7% của cà phê Brazil Ở DR gần 7%, FS của cà phê Brazil thấp hơn đáng kể so với cà phê Uganda (p = 0,01), trong khi ở DR gần 10%, cà phê Uganda lại cho thấy FS thấp hơn cà phê Brazil (p = 0,01) Đặc biệt, mối tương quan giữa FC và FS ở cà phê Uganda rất cao (r = 0,947, p = 0,02), cho thấy 90% sự thay đổi của FS có thể được giải thích bởi sự biến đổi của FC.
III.1.4.2 Mức độ rang ảnh hưởng đến thành phần hóa học
Bảng 3.10 Thành phần hóa học của cà phê Espresso Brazil như một chức năng của DR
Thành phần hóa học của chất chiết xuất từ Brazil EC bị ảnh hưởng bởi DR, với tổng chất rắn của Brazil EC tăng khi DR tăng Hành vi này cũng được ghi nhận ở các phương pháp tiêm truyền khác Tổng lượng chất rắn có mối tương quan cao với Ln DR (r = 0,995) Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào lôgarit không được thấy khi dữ liệu được tính toán lại cho khối lượng khô của cà phê nhân, nơi mà sản lượng tổng chất rắn ban đầu tăng và sau đó đạt đến mức tối đa.
Tổng số chất rắn chiết xuất giảm nhẹ, với mức tối đa quan sát được cho DR là 12,1% Khi DR thấp hơn, quá trình rang cà phê nhân làm tăng khả năng hòa tan của các vật liệu trong nước Ngược lại, với DR cao hơn, một phần sản phẩm hòa tan có thể trở nên không hòa tan, dẫn đến việc ít nguyên liệu được chiết xuất so với trọng lượng khô của cà phê nhân.
Chất không tan trong nước có trong EC (WIppt) chiếm 3,0-4,3% tổng chất rắn Brazil
EC (Bảng 4) Những con số này cho thấy hầu hết các vật chất có trong tổng chất rắn đều có thể hòa tan trong nước
Nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ tuyến tính giữa độ pH của EC và DR với hệ số tương quan 0,956 (p < 0,01) (Bảng 4) Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng độ chua của dịch truyền cà phê cao hơn ở cà phê rang vừa so với cà phê rang đậm (Clifford).
Nghiên cứu năm 1985 cho thấy rằng pha cà phê Santos có độ pH tối thiểu khi so với cà phê rang đậm và nhạt Sự gia tăng độ pH liên quan đến mức độ rang (DR) được cho là do sự phân hủy các axit chlorogenic, đặc trưng cho các loại cà phê có màu sậm, cùng với sự liên kết của các axit bởi chất nền đậu.
Hàm lượng protein trong EC tăng lên theo tỷ lệ DR, với mối tương quan tuyến tính mạnh (r = 0,989) Mặc dù có sự mất mát tổng số protein trong quá trình rang (Macrae, 1985), tỷ lệ phần trăm protein chiết xuất so với khối lượng khô của cà phê nhân vẫn cho thấy mối tương quan cao (r = 0,976) Ngược lại, khi DR tăng, lượng chất béo chiết xuất giảm, với mối tương quan tuyến tính rõ ràng giữa phần trăm chất béo chiết xuất và khối lượng khô cà phê nhân (r = -0,992).
Hàm lượng carbohydrate (CH) của EC ban đầu tăng khi tăng DR, đạt mức tối đa ở DR 9,7% trước khi giảm khi DR tiếp tục tăng Lượng vật liệu hòa tan trong nước được kết tủa với 55% etanol (Et55) và 75% etanol (Et75) cũng tăng theo DR, đạt đỉnh rồi giảm khi DR tiếp tục tăng Những phần nhỏ này có màu nâu, gia tăng khi DR tăng do phản ứng Maillard xảy ra ở nhiệt độ cao trong quá trình rang.
Hầu hết nguyên liệu cacbohydrat cao phân tử có trong các phân đoạn kết tủa etanol (Coimbra và cộng sự, 1996b)
Bảng 3.11 Thành phần các phần kết tủa của cà phê Espresso Uganda (Miligam) khi bị ảnh hưởng bởi DR
Thành phần hóa học của các chất chiết xuất từ Uganda EC khi bị ảnh hưởng bởi
Dữ liệu hóa học từ Uganda EC cho thấy sự tương đồng với Brazil EC, với các yếu tố như tổng chất rắn, WIppt, pH, chất béo và protein đều biến đổi theo cùng một cách Tổng CH và Et55 + Et75 cho thấy lượng vật liệu tối đa cho DR là 7,6% Các loại đường chính trong phần Et55 và Et75 của Uganda EC bao gồm mannose, galactose và arabinose Phần Et55 chủ yếu là galactomannan, có sự gia tăng ban đầu khi DR tăng và đạt mức tối đa ở 7,6%, sau đó giảm khi DR tiếp tục tăng Tỷ lệ Man / Gal tăng tuyến tính với DR, cho thấy mức độ phân nhánh của galactomannan giảm Thành phần đường của phần Et75 là sự kết hợp giữa galactomannan và arabinogalactan, với mannose chiếm khoảng 26% tổng số mannose trong Et55 + Et75.
III.1.4.3 Mức độ rang ảnh hưởng đến thành phần kết tủa
Bảng 3.12 Thành phần của các phần kết tủa của cà phê Espresso Brazil (Miligam) do bị ảnh hưởng bởi DR
Bảng 5 trình bày thành phần đường trong các phân đoạn Et55 và Et75 của Brazil EC, với mannose, galactose và arabinose là các loại đường chính Ngoài ra, một lượng nhỏ glucose, xylose và rhamnose cũng đã được phát hiện, mặc dù dữ liệu chi tiết không được hiển thị.
The primary polysaccharides extracted from coffee are galactomannan and arabinogalactan, as noted by Leloup and Liardon (1993) It can be inferred that all mannose and some galactose are derived from galactomannan, while the remaining galactose and some arabinose originate from arabinogalactan.
Rút ra nhận xét về mức độ rang
Cà phê rang càng đậm thời gian bảo quản càng ngắn
Cà phê hạt rang đậm dễ bị oxi hóa hơn so với cà phê hạt rang nhạt, dẫn đến thời gian bảo quản ngắn hơn Điều này xảy ra vì mức độ rang cao làm cho cấu trúc hạt cà phê nở ra, khiến hạt trở nên to và rỗng hơn, tiếp xúc nhiều với không khí Hơn nữa, cà phê rang đậm thường tươm dầu, làm tăng độ ẩm của hạt cà phê.
Các yếu tố ảnh hưởng
Với 3 yếu tố của Kỹ thuật rang: Thời Gian, Nhiệt Độ và Khí Lưu bị ảnh hưởng tiếp bởi 3 yếu tố khác
Thời gian đủ lâu để các chất tham gia phản ứng
Thời gian đủ nhanh để hạt cà phê nở mà không bị chai cứng
Bước nhiệt: có liên quan chặt chẽ với nhiệt độ trong ba giai đoạn rang (giai đoạn khô, tham gia phản ứng và giai đoạn kết thúc)
Cà phê có ba chủng loại chính: arabica, robusta và excelsa, với sự phân biệt giữa hạt cứng và hạt mềm Vùng địa lý gieo trồng và độ cao nơi rang cà phê cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm; ví dụ, ở đồng bằng, nước sôi đạt 100oC, trong khi ở vùng núi, nhiệt độ chỉ đạt 96 – 98oC.
Bước nhiệt: có liên quan chặt chẽ với thời gian trong 3 giai đoạn rang (giai đoạn khô, tham gia phản ứng và giai đoạn kết thúc)
III.2.1.3 3 Khí lưu Điều chỉnh các bước nhiệt
Trao đổi khí Oxi và Carbondioxit
Hút bụi, mày, vỏ lụa, tạp chất
Thời gian rang cà phê ứng trong từng giai đoạn
Quá trình rang cà phê bao gồm ba giai đoạn chính: sấy khô, nâu hóa và phát triển Trong giai đoạn sấy khô, thời gian rang trung bình từ 4-8 phút với nhiệt độ khoảng 160 độ C, phụ thuộc vào lượng cà phê rang Giai đoạn nâu hóa là thời điểm hạt cà phê đạt đủ nhiệt độ sau sấy khô, cần thực hiện chậm và kiểm tra thường xuyên để tránh hạt bị cháy xém.
Giai đoạn nâu hóa của cà phê kết thúc khi hạt cà phê bắt đầu nổ, được gọi là nổ một, đánh dấu sự khởi đầu của giai đoạn rang Đây là giai đoạn cuối cùng trong quá trình rang, nơi các phản ứng tỏa nhiệt diễn ra, khiến hạt cà phê nở ra và phát ra tiếng crack Thời gian rang trong giai đoạn này chiếm khoảng 15%-25% tổng thời gian rang, giúp đạt được mức độ rang mong muốn như rang đậm hay rang nhạt cùng với hương vị đặc trưng Các nghệ nhân thường thực hiện quá trình này một cách chậm rãi để tránh làm hạt cà phê bị khét.
Giới hạn rang cà phê
Thời gian rang cà phê thường dao động từ 12 đến 20 phút, tùy thuộc vào loại máy rang, chất lượng hạt cà phê và mục đích rang.
Hình 1.10 Biểu đồ rang cà phê
Sự biến đổi của cà phê theo thời gian
Hình 1.11 Các giai đoạn biến đổi khi rang cà phê
Sau khi rang xong, hạt cà phê cần được làm nguội nhanh chóng để ngăn chặn quá trình tự rang tiếp tục, tránh việc hạt đạt đến điểm rang không mong muốn Thời gian làm nguội lâu có thể làm mất hương vị đặc trưng của cà phê.
III.2.4.1 Sự thay đổi nồng độ các chất hóa học theo thời gian rang cà phê
Sau khi hạt cà phê xanh được rang, chúng sẽ được xay và chiết xuất Hồ sơ PTR-MS HS của huyền phù cà phê cho thấy các đỉnh khối lượng nổi bật, với các chất chính như 37 [(H3O +) ã (H2O)] và 45 (acetaldehyde).
59 (axeton), 69 (furan), 73 (butanal, isobutanal, pentan, butanone), 83 (methylfuran), 87 (2 -metylbutanal, 3-metylbutanal, 2,3-butanedione), 97 (furfural), 101 (2,3-pentanedione) và
Việc sử dụng thang cường độ logarit để vẽ dữ liệu cho phép hiển thị nồng độ hợp chất hữu cơ bay hơi (HS) trong cà phê rang một cách rõ ràng hơn Một ấn phẩm sắp tới sẽ thảo luận về HS trong cà phê thông qua phân tích bằng PTR-MS Chúng tôi tập trung vào sự thay đổi nồng độ HS trong các mẫu cà phê theo mức độ rang Hình 12 minh họa cường độ HS của bảy khối lượng cà phê rang khác nhau, trong đó sáu khối lượng có thể được chỉ định cho một hợp chất VOC duy nhất, cho phép xác định nồng độ HS tuyệt đối từ dữ liệu PTR-MS Đặc biệt, 2-metylbutanal, 3-metybutanal và 2,3-butanedione đóng góp đáng kể vào khối lượng 87, do đó nồng độ HS được thể hiện cho khối lượng này phản ánh tổng nồng độ của cả ba hợp chất.
Trong quá trình rang cà phê, việc theo dõi khí HS cho thấy cực đại nồng độ thời gian thường xuất hiện ở mức rang trung bình Các hợp chất như acetaldehyde, butanedione, furfural và pentanedione đều có mức tối đa khác biệt ở cà phê rang vừa Ngược lại, cường độ HS trong metanol giảm khi mức độ rang tăng, trong khi hàm lượng pyrrol trong HS lại tăng liên tục Phân tích định lượng các hợp chất dễ bay hơi trong HS của cà phê được thực hiện qua các giai đoạn từ hạt cà phê đến tách cà phê, sử dụng công nghệ PTR-MS.
Nồng độ hợp chất HS trong một ly cà phê Arabica được pha chế từ hạt cà phê rang ở các mức độ khác nhau đã được nghiên cứu Các tách cà phê này được chuẩn bị từ 2 g hạt cà phê đã rang và xay, hòa tan trong 90 ml nước cất ở nhiệt độ 70°C.
Các thí nghiệm “tĩnh” trong điều kiện cân bằng đã khảo sát hồ sơ hợp chất bay hơi (HS) của hạt cà phê, cho thấy rằng cồn chiếm ưu thế trong HS của hạt cà phê xanh, với 93% trong Arabica và 53% trong Robusta Methanol là hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) phổ biến nhất, chiếm 90% trong Arabica và 44% trong Robusta, tiếp theo là anđehit, hydrocacbon và axit hữu cơ Đồng thời, sự tiến hóa của HS trong quá trình rang được nghiên cứu bằng phương pháp PTR-MS, cho phép theo dõi sự thay đổi nhanh chóng của nồng độ HS ở độ nhạy và tốc độ cao Trong cấu hình rang đầu tiên, các mẻ đậu được rang ở 180 °C, 185 °C và 190 °C, thể hiện các giai đoạn khác nhau của quá trình rang, bắt đầu với sự bay hơi của nước trong giai đoạn sấy.
Quá trình rang cà phê được đặc trưng bởi sự hình thành và giải phóng một lượng lớn hợp chất dễ bay hơi (VOC), với sự thay đổi đáng kể trong hồ sơ VOC theo thời gian Hầu hết các chất bay hơi mới hình thành đạt đỉnh ở mức rang trung bình, trong khi việc rang ngoài mức này dẫn đến giảm cường độ bay hơi và thay đổi cấu trúc Các thí nghiệm đã cung cấp cái nhìn thống kê về sự tiến hóa của VOC qua nhiều loại đậu, cho thấy sự khác biệt giữa các hạt đậu Để hiểu rõ hơn về quy trình rang, nghiên cứu đã tập trung vào cấp độ hạt đơn, nơi có thể quan sát các vụ nổ VOC mạnh và lẻ tẻ, khác biệt so với hành vi của một lô đậu Hai thí nghiệm đã bổ sung cho nhau, giúp hiểu và kiểm soát quá trình rang cà phê Ngoài ra, nghiên cứu mở ra tiềm năng giám sát trực tuyến các đơn vị chế biến thực phẩm thông qua phân tích VOC bằng PTR-MS, hứa hẹn phương pháp kiểm soát chất lượng linh hoạt trong ngành thực phẩm.
III.2.4.2 Sự ảnh hưởng thời gian rang cà phê đến các cấu tử hương
Sự phát triển của các hợp chất tạo mùi thơm trong quá trình rang phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian Các biểu đồ dưới đây minh họa sự thay đổi của các hợp chất này theo thời gian rang Đồng thời, sự phát triển của các hợp chất tạo mùi thơm cũng được biểu diễn dưới dạng hàm của giá trị L* Những thông tin này giúp tăng tính rõ ràng cho các nghiên cứu về mùi thơm trong quá trình rang.
Hợp chất lưu huỳnh là một trong những yếu tố quan trọng tạo hương thơm trong cà phê, với các hợp chất như methanethiol, dimethyl trisulfide, 3-mercapto-3-methylbutyl formate và đặc biệt là 2-furfurylthiol được coi là tác nhân chính Các axit amin chứa lưu huỳnh đóng vai trò là nguồn cung cấp lưu huỳnh cho các hợp chất tạo mùi trong quá trình rang cà phê, trong đó methanethiol được hình thành từ quá trình nhiệt phân methionin Ngoài ra, dimethyl sulfide và dimethyl trisulfide là các sản phẩm oxy hóa tiếp theo trong cùng một chu trình phản ứng Sự phát triển của các hợp chất lưu huỳnh trong quá trình rang cà phê cho thấy nồng độ sulfua và methanethiol tăng mạnh trong giai đoạn đầu, với methanethiol được hình thành nhiều nhất ở nhiệt độ cao hơn.
Trong quá trình rang HTST, sự phân hủy diễn ra và nồng độ methanethiol không được ghi nhận trong các phương pháp rang khác Ngược lại, dimethyl sulfide hình thành nhanh hơn, đặc biệt ở nhiệt độ thấp, cho thấy sự phát triển của độ đậm nhạt Trong rang trống, nhiệt độ bên trong hạt cà phê tăng chậm, dẫn đến sự hình thành dimethyl sulfide bắt đầu sớm, cho thấy năng lượng hoạt hóa cần thiết là thấp và các cơ chế phản ứng chủ yếu liên quan đến gốc tự do Cuối quá trình rang, nồng độ dimethyl sulfide giảm Dimethyl trisulfide có hoạt động hai pha, với sự gia tăng nhanh trong giai đoạn đầu và giảm ở mức độ rang trung bình Hai điểm đo bổ sung được xác định trong trường hợp rang sơ để quan sát sự gia tăng sớm Cuối cùng, sự hình thành 3-mercapto-3-methylbutyl formate yêu cầu năng lượng hoạt hóa cao, vì nó bắt đầu muộn trong quá trình rang.
Sự hình thành hương vị trong quá trình rang được bắt đầu khi giá trị L* giảm từ 40 xuống 30, tương ứng với thời gian rang khoảng 30 giây ở 260 °C (LTLT) và 120 giây ở 228 °C (LTLT) Nhiệt độ lõi của đậu đạt 212 °C (LTLT) và 194 °C (HTST) Sau khi đạt giá trị tối đa, nồng độ các hợp chất hương vị nhanh chóng giảm Trong quá trình rang HTST, nồng độ 3-mercapto-3-methylbutyl formate ở điểm cuối cao gấp đôi so với các phương pháp rang khác Đồng thời, nồng độ 2-Furfurylthiol tăng liên tục trong suốt quá trình rang mà không có dấu hiệu giảm, phù hợp với các nghiên cứu trước đó.
Sự gia tăng liên tục của 2-furfurylthiol trong quá trình rang cho thấy sự hiện diện của nhiều hợp chất tiền chất Đối với 3-mercapto-3-metylbutyl formate, nhiệt độ khởi đầu nhất định là cần thiết để bắt đầu quá trình hình thành Nghiên cứu cho thấy rằng trong quá trình rang thời gian dài ở nhiệt độ thấp (LTLT), lượng 2-furfurylthiol cao hơn đáng kể so với quá trình rang HTST.
Hình 1.13 Sự phát triển của các hợp chất thơm cà phê được chọn trong quá trình rang như một hàm số của thời gian và độ đậm nhạt
Aldehydes and r-Diketones, such as Strecker aldehydes like methylpropanal, 2-methylbutanal, and 3-methylbutanal, are considered products of the carbonyl reduction metabolism of amino acids This process involves the addition of water and the subsequent breakdown into aminoacetone and corresponding Strecker aldehydes.
Sự phát triển của andehit và R-diketon trong quá trình rang được thể hiện trong Hình
Nồng độ của 5 (metylpropanal và 2-metylbutanal) không được hiển thị, nhưng nồng độ ở L *) 21 được trình bày trong Bảng 4 Hành vi của các hợp chất này trong quá trình rang tương tự nhau, với sự gia tăng nhanh chóng trong giai đoạn đầu và sau đó giảm nồng độ ở mức độ rang cao hơn, phù hợp với các nghiên cứu trước đó Sự hình thành ba Strecker aldehyde trong giai đoạn đầu của quá trình rang có xu hướng gia tăng nhờ nhiệt độ cao Đặc biệt, nồng độ 2- và 3-metylbutanal trong cà phê rang HTST cao hơn đáng kể so với rang lâu năm, ngoại trừ 2-metylbutanal trong quá trình rang sơ bộ, có nồng độ thấp hơn nhưng không đáng kể ở mức p.
Hexanal không hình thành qua phản ứng Maillard mà là kết quả của quá trình oxy hóa chất béo, với khoảng 1,5 mg/kg dm được tìm thấy trong cà phê xanh Để tăng nồng độ hexanal, nhiệt độ cần đạt khoảng 220 °C Mức độ hình thành và nồng độ tối đa của hexanal phụ thuộc vào nhiệt độ rang, với các phương pháp HTST và LTLT cho nồng độ từ 3,5-4,0 mg/kg dm, trong khi rang sơ và trống cho nồng độ khoảng 2,5 mg/kg dm trước khi đạt đỉnh.
