Biến đổi trong quá trình rang cà phê
Trong quá trình rang hạt cà phê biến đổi về màu sắc từ xanh đến nâu đen, đồng thời hình thành các hợp chất thơm đặc trưng.
Quá trình rang có thể được tạm chia thành ba giai đoạn:
– Giai đoạn làm khô: đây là giai đoạn thu nhiệt làm giảm độ ẩm trong hạt cà phê, màu sắc của hạt cà phê biến đổi dần.
– Giai đoạn rang: một số phản ứng nhiệt phân phức tạp xảy ra làm biến đổi thành phần hóa học của hạt cà phê, một lượng lớn các hợp chất carbon dioxide được phát tán và hình thành hằng trăm hợp chất liên quan đến hương thơm của cà phê. Hạt cà phê thay đổi màu sắc đến sẫm hơn, phản ứng nhiệt phân cà phê ở 190 – 210oC, khi quá trình chuyển dần về thu nhiệt với việc phán tán các hợp chất dễ bay hơi, phản ứng tổng thể tỏa nhiệt thêm một lần nữa ở 210oC.
– Giai đoạn làm mát: ngăn chặn các phản ứng tỏa nhiệt cuối cùng trong quá trình rang, nước và không khí được sử dụng như tác nhân làm mát.
Thời gian rang cà phê ảnh hưởng đến các phản ứng trong hạt cà phê, thời gian rang càng dài cà phê sẽ trở nên đắng hơn và tổn thất các chất thơm đáng kể, ngược lại thời gian rang ngắn không đủ điều kiện để hoàn thành các phản ứng nhiệt phân, kết quả cà phê với những tính chất cảm quan kém.
Thành phần hóa học của cà phê rang
Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình rang chưa được hoàn toàn sáng tỏ. Đây là kết quả từ những khó khăn của việc tái tạo hoặc mô phỏng tất cả các phản ứng xảy ra bên trong hạt cà phê ở phòng thí nghiệm, vì:
– Hầu như chưa thể xác định được tất cả các tiền chất của hương thơm, màu sắc và hương vị có trong hạt cà phê tươi.
– Số lượng các tiền chất trong hạt cà phê quá lớn, do đó trong quá trình rang hình thành các hợp chất trung gian phức tạp và khó phân lập các hợp chất này.
– Hầu hết các phản ứng bên trong tế bào hạt cà phê còn nguyên vẹn do có thành tế bào rất dày vì vậy việc xác định áp lực của quá trình rang đối với tế bào hạt cà phê rất phức tạp và chỉ có thể phỏng đoán.
Quá trình rang làm tổn thất vật chất khô trong hạt cà phê, chủ yếu là các hợp chất carbon dioxide, nước và các chất bay hơi (sản phẩm của quá trình nhiệt phân). Hàm lượng các chất như polysaccharides, đường, acid amin và acid chlorgen giảm đáng kể, trong khi đó hàm lượng các acid hữu cơ và lipid lại tăng. Nồng độ caffeine và trigonelline (acid nicotinic N-methyl) gần như không thay đổi.
Các hợp chất không bay hơi:
Thành phần hóa học của cà phê rang có thể chia làm hai nhóm: các hợp chất dễ bay hơi và các hợp chất không bay hơi. Các hợp chất không bay hơi trong cà phê rang gồm:
– Caffeine góp phần vào tăng thế mạnh cho vị đắng của cà phê. Trigonelline và hai dẫn suất không bay hơi của nó: acid nicotinic (có giá trị dinh dưỡng) và N-methylnicotinamide.
– Protein và peptide mà không qua phản ứng Maillard.
– Polysaccharides: cụ thể là cellulose, hemicellulose, pectin và arabinogalactan, các chất này đóng một vai trò quan trọng trong việc lưu giữ các chất dễ bay hơi.
– Axit humic hoặc melanoidins là sản phẩm cuối cùng của phản ứng Maillard giữa axit amin và monosacarit. Đây là hợp chất có màu nâu, màu sắc đặc trưng cho cà phê rang.
– Acid cacboxylic: chủ yếu là acid citric, malic và acetic, những acid này hình thành độ chua cho cà phê.
– Acid chlorogenic gồm: acid cinnamic, caffeic, ferulic, isoferulic và sinapic, quinic, tất cả acid trên hình thành cho cà phê vị chát.
– Lipid: bao gồm triglycerides, tecpen, tocopherols và sterol, góp phần vào hình thành độ nhớt cho cà phê.
– Chất khoáng: với Kali (khoảng 40% w/w). Kim loại như Mangan (10 – 50 ppm), sắt (15- 40 ppm) và đồng (2-5 ppm) có thể xúc tác cho phản ứng xảy ra trong quá trình rang và lưu trữ.
Các hợp chất carbon dioxide:
Carbon dioxide là một trong những hợp chất quan trọng nhất góp phần tạo mùi thơm trong cà phê rang. Nó được hình thành bởi quá trình nhiệt phân và các phản ứng phân hủy Strecker. Số lượng của các hợp chất carbon dioxide phụ thuộc vào mức độ rang và có thể lên đến 10ml/g cà phê. Hợp chất khí này được giải phóng chậm trong toàn bộ hạt cà phê nhưng lại giải phóng rất nhanh sau khi xay. (Pineau et al., 2012)
Sau khi xay cà phê, rất nhiều hợp chất carbon dioxide sản sinh trong quá trình rang bị phát tán ra ngoài. Thời gian khử hợp chất khí thích hợp (2- 8h) cần được áp dụng trước khi đóng gói chuyển vào các container kín. Việc khử các hợp chất khí trước khi đóng gói là rất quan trọng, nếu không xử lý đúng cách bao bì sau một thời gian có thể sẽ bị phồng lên, thay đổi hình dáng và có thể bị vỡ bao bì. Để giải quyết điều này các van khí có thể được đặt trên các thành của bao bì túi nhựa để phát tán các hợp chất carbon dioxide.
Các hợp chất bay hơi:
Cơ chế hình thành hương thơm của cà phê là cực kỳ phức tạp, có một loạt các tương tác giữa tất cả các hợp chất có liên quan. Các cơ chế chính bao gồm:
Phản ứng Maillard (hóa nâu phi enzyme): một phản ứng giữa các hợp chất chứa nitơ (protein, peptide, acid amin, serotonine và trigonelline) và carbohydrate, hydroxy acid và phenol để tạo thành aminoaldoses và aminoketones bởi quá trình ngưng tụ.
Phân hủy Strecker: một phản ứng giữa một axit amin và một α-dicarbonyl với sự hình thành của một aminoketone để tạo thành hợp chất dị vòng nitơ hoặc phản ứng với formaldehyde để tạo thành oxazoles.
Sự phá vỡ các lưu huỳnh amino acid, viz. cystine, cysteine và methionine, được chuyển đổi thành mercaptan, cũng như thiophenes và thiazoles, sau khi phản ứng với đường hoặc các sản phẩm trung gian của phản ứng Maillard.
Sự phá vỡ các hydroxyl amino axit, viz. serine và threonine, khả năng phản ứng với sucrose để tạo thành alkylpyrazines.
Sự phá vỡ của proline và hydroxyproline, phản ứng với các sản phẩm trung gian của phản ứng Maillard; pyrroles và pyrrolyzines, trong khi các gốc sau alkyl-, acyl- và furfurylpyrroles.
Sự suy giảm của trigonelline, tạo thành alkyl-pyridines và pyrroles.
Sự suy giảm của axit nưa quinic, tạo thành phenol.
Sự suy giảm của chất màu, chủ yếu là carotenoids.
Sự suy giảm hàm lượng nhỏ lipid, chủ yếu diterpenes.
Sự tương tác giữa các sản phẩm phân hủy trung gian.
