3 phản ứng hóa học khi rang cà phê

Trong quá trình rang cà phê, hạt cà phê tiếp xúc với không khí nóng, làm tăng nhiệt độ và gây mất nước. Quá trình này không chỉ thay đổi sâu sắc cấu trúc vi mô của hạt cà phê mà còn kích thích một loạt các phản ứng hóa học, mở ra khả năng biến đổi hóa học rộng lớn.

Các phản ứng hóa học này giúp tạo nên hương vị cà phê thành phẩm, kết quả là một tách cà phê cuối cùng mang đến hương vị ngon và thỏa mãn USS gửi đến bạn bài viết này để thông qua nó, chúng ta có thể tóm tắt những phản ứng hóa học trong hạt cà phê khi rang.

Trong ngôn ngữ hóa học, mọi phản ứng liên quan đến cà phê trong máy rang đều quy về một quá trình tên gọi là nhiệt phân (endothermically), đại diện cho các biến đổi hóa học khi vật liệu hữu cơ đạt đến nhiệt độ phân hủy. Quá trình này tạo ra các hợp chất dễ bay hơi và để lại tàn dư của carbon (hoặc được biết đến là than). Trong quá trình rang cà phê, chúng ta đặt ra một giới hạn để tránh làm cho hạt cà phê biến đổi thành than, nhưng đủ để chúng trải qua những thay đổi hóa học, tạo ra các hợp chất hương vị.

Và sau đây là các phản ứng hóa học chính đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi hóa học cà phê hàng ngày của bạn:

Phản ứng hóa học Maillard

Mục lục

Quá trình này bắt đầu từ khoảng 140°C đến 160°C trong lò rang. Khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng 170°C, các phản ứng caramel hóa xảy ra, đốt cháy hết lượng đường còn lại.

Được mô tả lần đầu tiên vào năm 1910 bởi Louis Camille Maillard, một bác sĩ người Pháp. Phản ứng Maillard không chỉ là một, mà là một nhóm các phản ứng hóa học quan trọng để tạo ra hương vị đặc trưng và màu nâu của cà phê rang.

*Phản ứng hóa học Millard được mô tả lần đầu tiên vào năm 1910 bởi Louis Camille Maillard, bác sĩ người Pháp*

Cụm từ “phản ứng Maillard” không chỉ đơn thuần là một phản ứng hóa học đơn lẻ mà là một tổ hợp phức tạp các phản ứng, phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ. Phản ứng Maillard dễ xảy ra trong thực phẩm được xử lý nhiệt và thậm chí trong thực phẩm được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài.

Đây cũng liên quan đến các phản ứng sinh hóa khác như sự oxy hóa lipid, là một trong những yếu tố gây suy giảm chất lượng cà phê khi bảo quản trong thời gian dài (Khoa học cà phê, 2023).

Phản ứng Maillard xảy ra giữa một đường khử và axit amin. Một đường khử là bất kỳ loại đường nào có nhóm aldehyd hoặc ketone tự do, các nhóm này gắn với chuỗi carbon qua một nguyên tử oxy với liên kết đôi nên nó có thể dễ dàng phản ứng hóa học với các axit amin và nhiều hợp chất khác.

Có nhiều cách để kích thích phản ứng hóa học Maillard trong hạt cà phê. Với sự kết hợp của n loại axit amin và n loại đường, chúng ta sẽ tạo ra tổng cộng n2 hợp chất có hương vị độc đáo.

Các sản phẩm phổ biến của phản ứng hóa học này bao gồm hương thơm khi rang, mùi thơm của bánh mì nướng…. Điều thú vị là phản ứng Maillard không chỉ tạo ra những sản phẩm trên mà còn có khả năng phản ứng với axit amin tự do khác, tạo ra Melanoidin.

Melanoidin là một hợp chất màu nâu sẫm với vị như mạch nha được rang lên và đắng khét, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và duy trì crema trong Espresso, là yếu tố quan trọng mang lại mùi vị đậm đà cho cốc cà phê của bạn.

Một sản phẩm phổ biến được tạo ra từ phản ứng hóa học Millard là mùi thơm của bánh mì nướng.... — *Một sản phẩm phổ biến được tạo ra từ phản ứng hóa học Millard là mùi thơm của bánh mì nướng….*

Phản ứng hóa học Caramel hóa

Không giống như các phản ứng hóa học Maillard, Caramel hóa là một hình thức nhiệt phân xảy ra ở khoảng 120-180°C. 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 hóa học 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,.. Phản ứng Caramel hóa là quá trình nhiệt phân xảy ra khi nhiệt độ dao động trong khoảng 120-180°C, khác biệt với phản ứng Maillard.

Trong quá trình này, nhiệt độ cao sẽ làm mạch carbohydrate dài và phức tạp chia thành nhiều hợp chất mới. Điều này không chỉ làm tăng vị đắng và chua mà còn đóng góp vào mùi hương của sản phẩm, chẳng hạn như caramel, bánh mì nướng, hạnh nhân, trong cà phê.

Nhiệt độ cần thiết cho phản ứng hóa học này phụ thuộc vào loại đường, ví dụ như fructose cần khoảng 110°C, trong khi glucose, galactose và sucrose cần khoảng 160°C. Khi nhiệt độ đạt mức đủ cao, các loại đường, như sucrose, sẽ phân hủy thành fructose và glucose. Sau đó, các va chạm giữa các phân tử sẽ tạo ra hàng nghìn hợp chất hữu cơ.

Cần có các mức nhiệt khác nhau đối với các loại đường khác nhau trong phản ứng này — *Cần có các mức nhiệt khác nhau đối với các loại đường khác nhau trong phản ứng hóa học này*

Phản ứng Caramel hóa diễn ra liên tục trong quá trình rang cà phê, với mức độ rang ảnh hưởng đến việc phá hủy đường. Rang tối (dark roast) có thể phá vỡ gần như 99% sucrose trong hạt, trong khi rang nhẹ (light roast) giảm khoảng 87%. Kết quả của quá trình này là sự hình thành các polyme mạch dài và hợp chất bay hơi ngắn hơn, tạo ra mùi vị phức tạp.

*Rang tối (dark roast) có thể phá vỡ gần như 99% sucrose trong hạt*

Ngoài ra, cần lưu ý rằng hàm lượng đường sucrose không chỉ ảnh hưởng đến vị ngọt và độ đậm đà của cà phê sau khi rang mà còn tác động đến tính axit (độ chua), do phản ứng Caramel hóa tạo ra axit axetic từ đường sucrose. Do đó, việc thu hoạch quả cà phê ở độ chín đúng là quan trọng để cung cấp nguyên liệu đầy đủ cho cả 2 phản ứng hóa học Maillard & Caramel hóa.

Sự phân hủy của acid

Acidity là đặc tính axit đem đến cho cà phê một trải nghiệm sống động, tinh tế và phức tạp, cũng như một chút tươi sáng. Mặc dù nhiều người nghĩ rằng axit làm cho cà phê trở nên đắng hoặc khó chịu, nhưng thực tế là cà phê thiếu axit có thể trở nên “rỗng tuếch” và nhàm chán.

Một phương pháp giảm axit trong cà phê là thử nghiệm với Cold Brew Coffee. Tuy nhiên, điều này thường dẫn đến việc mất cân bằng khó khăn giữa các yếu tố axit, là một phần quan trọng của quá trình rang.

Khi nói về Acidity, không thể không nhắc đến Chlorogenic Acid (CGA), một trong những axit phổ biến nhất trong hạt cà phê thô. Hàm lượng CGA trong hạt cà phê có thể cao đến 6% – 8%, vượt trội hơn so với bất kỳ loại thực vật nào khác.

Trong quá trình rang, nhiệt độ và thời gian có một vai trò quan trọng, làm giảm hàm lượng CGA. Ví dụ, trong quá trình rang nhạt (light roast), 50% CGA có thể mất, trong khi chỉ còn lại 20% trong quá trình rang đậm (dark roast).

Cà phê chưa rang chứa nhiều Chlorogenic Acid (CGA) hơn cà phê rang

Đáng chú ý, CGA không bốc hơi, nhưng thay vào đó phân hủy thành axit quinic và caffeic. Hai hợp chất này, thuộc nhóm phenolic, đóng góp vào vị đắng và độ đậm đà (body) của cà phê (Scott Rao, 2014). Điều này giúp hiểu rõ hơn về quá trình phản ứng hóa học trong việc tạo ra hương vị của cà phê.

Sự hình thành các hợp chất hương vị

Bao nhiêu phần trăm của cà phê có thể hòa tan trong nước?

Theo Scott Rao, khoảng 1/3 khối lượng cà phê sau khi rang có thể hòa tan trong nước. Tuy nhiên, để đạt được tỷ lệ chiết xuất tối ưu, nằm trong khoảng 19% – 22%, chúng ta phải giữ sao cho chỉ còn khoảng 55% – 60% tổng lượng chất hòa tan có trong cà phê (nhằm tránh hòa tan các hương vị khác không mong muốn khi uống).

*Tuy 1/3 tổng khối lượng cà phê có thể tan trong nước sau khi rang, ta nên giữ tỉ lệ tối ưu là 55-60% chất hòa tan có trong cà phê rang*

Điều này còn kèm theo một lượng nhỏ lipid và các mảnh cellulose vỡ vụn (gọi là fines). Tất cả các chất hòa tan này, cùng với hương thơm phong phú, đều phản ứng hóa học trong quá trình biến đổi cà phê.

Các hợp chất dễ bay hơi

Sau khi bắt đầu rang cà phê khoảng vài phút, “mùi hương cà phê” chính thức xuất hiện. Quá trình này diễn ra nhanh chóng khi độ ẩm của cà phê giảm dưới 5%.

Lúc này, các phản ứng hóa học, bao gồm cả phản ứng Caramel hóa và Maillard, cùng với sự suy thoái và chuyển hóa của axit amin, đường, axit phenolic và lipid, đồng tụ góp phần vào việc tạo ra các hợp chất thơm như:

Aldehydes, mang mùi hương của các loại trái cây màu xanh
Furans, đóng góp vào mùi hương caramel
Pyrazines, tạo ra mùi đất
Guaiacol, mang theo mùi khói và cay nồng

Các hợp chất chứa lưu huỳnh như 2-furfurylthiol đóng góp vào “mùi cà phê rang” trong khi một số loại khác như methanethiol lại tạo ra mùi khá tệ (ví dụ như bắp cải thối)

Mặc dù CO2 không góp phần vào mùi hương, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ đậm đà (body coffee) cho cà phê nói chung và tạo nên lớp Crema trong Espresso.

CO2 có vai trò tạo độ đậm đà (body coffee) cho cà phê

Lưu ý rằng mùi hương của cà phê rang là thơm nhất ở mức rang nhẹ đến vừa (light – medium roast). Rang cà phê quá tối sẽ phá hủy các hương thơm và tạo ra mùi khói và cay nồng.

Đồng thời, từ mức độ rang tối trở đi, cấu trúc cellulose yếu và xốp hơn, làm giảm khả năng giữ hương thơm so với các mức rang cà phê nhẹ hơn.

*Mức rang tối giữ mùi thơm kém hơn các mức độ rang khác*

Các hợp chất không bay hơi

Các hợp chất không bay hơi, tức là những chất duy trì tính ổn định ở nhiệt độ phòng, có vai trò quan trọng để tạo ra hương vị của cà phê. Một số chất này hình thành và trải qua biến đổi trong quá trình rang, trong khi một số khác giữ nguyên tính chất ổn định của chúng.

Chúng đóng góp vào đa dạng hương vị của cà phê, với caffeine mang lại hương vị đắng, sucrose đem đến hương vị ngọt, và lipid tạo ra cảm giác đậm đà (body). Các axit và melanoidin, được hình thành trong quá trình phản ứng hóa học Maillard, cũng thuộc nhóm hợp chất không bay hơi.

Về caffeine, mặc dù có quan điểm rằng việc rang cà phê tối chỉ làm giảm khối lượng của hạt cà phê do mất nước, thực tế là nó không làm giảm hàm lượng caffeine trong hạt. Điều này bởi vì caffeine duy trì tính ổn định ở nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ rang.

Do đó, việc rang tối sẽ tăng tỷ lệ caffein trong hạt cà phê và làm giảm trọng lượng, làm cho loại cà phê rang tối có hàm lượng caffeine cao hơn so với loại cà phê rang nhẹ mặc dù chúng có cùng trọng lượng.