Rang cà phê - Hạt cà phê trước khi bước vào các công đoạn như xay cà phê, pha chế thì hạt cà phê xanh sẽ trải qua quá trình rang với hàng trăm biến đổi khoa học mạnh mẽ. Trong quá trình rang thì những biến đối về mặt vật lý và hoá học sẽ tái cấu trúc trong nhân cà phê và quá trình rang. Nếu bạn chưa biết thì ở dạng cà phê xanh thì hạt cà phê hầu như không có mùi vị gì của cà phê uống, tất cả các mùi vị đó hoàn toàn được cấu thành bởi sự biến đổi hoá học, vật lí của hạt cà phê trong quá trình rang 

Các phản ứng hoá học của cà phê trong máy rang đều quy về nhiệt phân (endothermic). Khi các phản ứng nhiệt phân xảy ra, các chất hữu cơ trong hạt xanh sẽ bị nhiệt độ phân huỷ và chuyển thành các hợp chất dễ bị bay hơi (cấu thành nên mùi cà phê), để lại tàn dư của than (tàn dư cacbon). Các nghiên cứu xung quanh quá trình rang cà phê và các mưc độ rang được đặt ra để thành các mốc thời gian đủ để cho các hạt cà phê xảy ra các chuỗi phản ứng hoá học tạo nên hương vị. Mặt khác các mức độ rang này cũng là giới hạn để hạn chế được sự hoá than của hạt cà phê khi rang

CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC CHÍNH XẢY RA KHI RANG CÀ PHÊ

Phản ứng Maillard

Bác sĩ người pháp tên Louis Camille Maillard đã mô tả về chuỗi phản Maillard này vào năm 1910. Maillard không phải là một phản ứng mà là chuỗi phản ứng hoá học rất quan trọng để tạo ra hương vị đặc trưng và màu nâu của thực phẩm (Cà phê rang, socola, bánh mì). Chuỗi phản ứng này xảy ra từ 140 - 160 độ C và khi qua mức 170 độ C thì phản ứng Caramel hoá sẽ xảy ra và dần đốt cháy lượng đường có trong cà phê. 

Infographic phản ứng Maillard

Chuỗi phản ứng Maillard xảy ra giữ đường khử (đường trong nhóm aldehyde và ketone tự do) và axit amin. Các nhóm đường khử gắn với chuỗi carbon qua một nguyên tử Oxy với liên kết đôi nên có thể dễ dàng phản ứng với các axit min và nhiều hợp chất khác tạo nên chuỗi phản ứng Maillard

Các rất nhiều cách để có phản ứng Maillard trong hạt cà phê, (x) loại axit amin với (x) loại đường sẽ tạo ra 2x các hợp chất với hương vị khác nhau và trong kết quả của chuỗi phản ứng Maillard sẽ tiếp tục phản ứng với các axit amin tự do khác để tạo ra Melanoidin (hợp màu nâu sẫm, có vị rang, mạch nha, đắng, khét của khói). Melanoidin đóng 1 vai trò quan trọng hình thành và ổn định lớp Crema (phương pháp pha Espresso) mang đến sự đậm đà cho cà phê (Body)

Phản ứng Caramel hóa

Phản ứng Caramel hóa sẽ xảy ra ở 170 độ C trở lên và dứoi tác động của nhiệt độ cao thì các mạch Carbohydrate dài có cấu trúc phức tạp sẽ vỡ ra thành hàng trăm hợp chất mới bổ sung các vị như đắng, chua, mùi thơm … cho cà phê. Chuỗi phản ứng này sẽ diễn ra liên tục cho tới khi quá trình rang kết thúc và tạo nên mùi caramel trong cà phê

Phản ứng Caramel hoá cũng đóng vai trò hình thành màu sắc và thêm sự phong phú cho vị của cà phê. Có thể bạn chưa biết, phản ứng Caramel hoá cũng góp phần tác động đến độ chua của cà phê vì khi phản ứng này xảy ra, đường Sucrose sẽ tạo ra axit axetic tăng tính chua trong cà phê chứ không chỉ đơn thuần tạo ra vị ngọt, độ đậm đà. Chính vì khi tìm hiểu chuyên sâu ở phương diện khoa học về phản ứng caramel hoá nên những nhà rang xay thường luôn muốn nguồn nguyên liệu là cà phê được thu hoạch vào mùa vụ, đúng độ chín với hàm lượng đường cao nhất. Mức độ rang càng cao sẽ phá vỡ gần như toàn bộ lượng đường Sucrose của hạt:

• Dark Roast phá vỡ 99%
• Light Roast phá vỡ 87%

Sự phân hủy của acid

Vị chua mang lại một trải nghiệm về sự phong phú, tinh tế và một cảm giác gì đó "thiên nhiên” cho cà phê thay vì đơn thuần là vị đắng đơn độc và nhàm chán. Phương pháp pha chế Cold Brew có thể làm giảm đi vị chua có trong cà phê nhưng phương pháp pha chế này gần như đã phủ nhận đi thành quả và bề dày nghiên cứu từ khoa học cho tới thực hành của ngành công nghiệp rang cà phê. Như chúng ta đã biết thì vị chua có trong cà phê được hình thành bởi các hợp chất Acidity điển hình là Chlorogenic Axit có trong cà phê. Trong quá trình rang, nhiệt độ rang và thời gian sẽ phá vỡ Chlorogenic Axit, khi rang Light Roast thì lượng 50% lượng axit này sẽ mất đi và đến khi Dark Roast thì chỉ còn 20%. Lượng axit này thực chất không mất đi mà bị phản ứng hoá học của quá trình rang mà chuyển sang axit quinc (vị chua) Caffeic (vị đắng và đậm) cho cà phê

Các hợp chất dễ bay hơi

Ngay sau khi bắt đầu quá trình rang, hạt xanh bắt đầu hình thành mùi hương không thể lẫn vào đâu được của cà phê. Hạt cà phê xanh ban đầu có độ ẩm khá cao, dưới tác động của nhiệt độ và độ ẩm của hạt xanh giảm dưới 5% lúc này các hợp chất tạo mùi thơm dễ bay hơi gia tăng với tốc độ rất nhanh. Phản ứng caramel hoá của lượng đường có sẵn trong hạt cà phê, Mailard (phản ứng hóa học giữa các axit amin và đường khử làm cho thực phẩm có màu nâu có hương vị đặc biệt), chuyển axit phenolic và lipid làm phát triển các hợp chất thơm mà chúng ta có thể cảm nhận được ở cà phê như: 

• Mùi của trái cây xanh: Aldehyde
• Mùi caramel: Furan 
• Mùi của đất: Pyrazines
• Mùi khói: Guaiacol 
• Mùi của cà phê rang: các hợp chất lưu huỳnh như Furan-2-ylmethanethiol

Khí CO2 là hợp chất dễ bay hơi nhưng không góp phần tạo nên mùi hương của cà phê. CO2 là khí nhưng lại là nguyên tố tạo nên độ đậm đà của cà phê (Body) và lớp Crema độc nhất của Espresso

Hàm lượng hương liệu sẽ tỉ lệ nghịch với mức độ rang của cà phê tức là rang càng nhạt thì hàm lượng hương liệu sẽ càng nhiều. Mức độ rang Dark Roast sẽ làm giảm cấu trúc Xenlulozo nên khả năng giữ các chất thơm sẽ kém hơn rất nhiều so với Light Roast. Ngoài ra việc tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ loại bỏ các hương thơm tự nhiên của cà phê, lưu lượng hương thơm còn lại cũng không cảm nhận được vì bị lấn át bởi mùi khói, khét của hạt 

Các hợp chất không bay hơi

Các hợp chất không bay hơi sẽ trong trạng thái ổn định ở nhiệt độ phòng. Các hợp chất không bay hơi trong cà phê sẽ chia thành 2 loại: được hình thành trong quá trình rang và ổn định trong suốt quá trình rang. Các hợp chất bay hơi cấu thành nên mùi hương của cà phê còn các hợp chất không bay hơi sẽ cấu thành nên vị của cà phê. Một vài ví dụ về các hợp chất nổi bật tạo nên vị của cà phê: 

• Caffeine: tạo nên vị đắng
• Sucrose: vị ngọt
• Lipid: độ đậm đà (body)
• Các hợp chất Axit: vị chua

Caffeine là hợp chất không bay hơi và ổn định ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ rang nên việc rang đậm chỉ làm giảm khối lượng hạt cà phê do lượng nước có trong cà phê bị bay hơi nhưng không làm giảm lượng caffeine. Vị đắng của cà phê lên cao thực chất là tỉ lệ của Caffeine so với khối lượng của hạt tăng dần lên chính vì vậy cùng 1 một lượng hạt cà phê nhất định, mức độ rang càng đậm thì hàm lượng và độ cảm nhận caffeine càng rõ ràng