Biến đổi hóa học trong quá trình rang cà phê

Trong quá trình rang cà phê, hàng trăm phản ứng hóa học. Các phản ứng liên quan đến cà phê trong máy rang 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). 

1.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 trưng và màu 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, 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 caramen hóa bắt đầu xảy ra và đốt cháy hết lượng đường còn lại.

Quá trình Maillard này bắt đầu từ khoảng 140°C đến 160°C, khi nhiệt độ vượt ngưỡng 170°C

Điều thú vị đối với phản ứng Maillard là tất cả các sản phẩm của nó lại có thể phản ứng lại với các axit amin tự do khác để tạo thành Melanoidin – một hợp chất màu nâu sẫm, có vị rang, mạch nha, đắng, khét.. đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và ổn định crema trong Espresso, mang đến cảm nhận đậm đà cho cốc cà phê của bạn.

2.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 là một hình thức nhiệt phân xảy ra ở khoảng 170°C (338°F)

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 axit (độ chua), vì phản ứng caramel hóa của đường Sucrose sẽ tạo ra axit axetic. 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.

3.Sự phân hủy của acid

Acidity – hay đặc tính axit mang lại cho cà phê sự sống động, tinh tế, phức tạp và chút gì đó tươi sáng. Chlorogenic axit (CGA) là axit phổ biến nhất trong hạt cà phê thô, ở mức 6% -8% hàm lượng CGA trong hạt cà phê cao hơn bất kỳ loại thực vật nào khác 

Tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian, quá trình rang sẽ liên tục phá vỡ CGA

Khi rang nhạt (light roast) 50% CGA sẽ mất đi và chỉ để lại 20% trong độ rang đậm (dark roast). 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 đậm đà (body) cho cà phê (Scott Rao, 2014).

4.Sự hình thành các hợp chất hương vị

Theo Scott Rao, khoảng một phần ba 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 lipit 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.

4.1.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 axit 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.

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.

4.2.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 axit hoặc hợp chất melanoidin hình thành trong phản ứng Maillard cũng thuộc nhóm chất không bay hơi…

Hạt cà phê trong quá trình rang trải qua rất nhiều phản ứng hóa học, dẫn tới 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 tạo ra những hương vị cà phê khi chúng ta uống.