KIẾN THỨC RANG CÀ PHÊ – PHẦN 2
Kiến thức rang cà phê – những thay đổi vật lý và hóa học trong quá trình rang cà phê (PHẦN 2)
CÁC HỢP CHẤT TRONG HẠT CÀ PHÊ CHƯA RANG (GREEN BEANS)
Các hạt cà phê chưa rang có độ dày đặc cao (density), chiếm khoảng một nửa trong hạt xanh là carbonhydrate với rất nhiều hình thức đa dạng và một nửa còn lại là hỗn hợp nước, protein, chất béo, acid, và alkaloid.
✔ ĐƯỜNG
Đường, đa số là sucrose, chiếm 6-9% khối lượng hạt green beans khô và tạo nên độ ngọt của cà phê. Sucrose cũng góp phần phát triển acid. Quá trình nâu hóa đường sucrose (caramelization) sẽ tạo nên acid acetic.
✔ LIPID – CHẤT BÉO
Chất béo, chủ yếu là triglycerides, chiếm khoảng 16% khối lượng hạt green beans khô. Mặc dù chất béo không tan được trong nước nhưng cà phê vẫn có chất béo sau khi pha chế, đặc biệt đối với các phương pháp pha chế không dùng filter (ví dụ như cupping) hoặc rất ít filter (ví dụ như Espresso, French press, hoặc lọc bằng kim loại/vải). Chất béo trong cà phê giúp giữ lại mùi hương (aroma) đặc trưng. Cà phê có chất lượng cao sẽ cho nhiều chất béo hơn. Tuy nhiên, chất béo dễ làm hạt đã rang bị oxy hóa nhanh hơn và có mùi không hay trong quá trình bảo quản.
✔ PROTEIN – CHẤT ĐẠM
Protein và các amino acids tự do chiếm khoảng 10-13% khối lượng hạt green beans khô. Amino acids và đường sẽ tương tác với nhau trong quá trình rang, đó là phản ứng Maillard. Phản ứng này tạo ra glycosylamines và melanoidins – chất tạo nên vị đắng, màu nâu và mùi rang của cà phê.
✔ ALKALOIDS: CAFFEINE & TRIGONELLINE
Hai loại Alkaloids: Caffeine và Trigonelline, mỗi loại chiếm khoảng 1% khối lượng của hạt green beans khô, tạo nên vị đắng và tính kích thích của cà phê.
Caffeine tạo nên khoảng 10% vị đắng của cà phê và chiếm đa phần trong việc tạo hiệu ứng kích thích. Cây cà phê tự tổng hợp chất caffeine để chống lại côn trùng. Những cây cà phê được trồng ở càng cao thì sẽ có ít caffeine hơn vì cây được trồng càng cao thì hạn chế được rủi ro bị tấn công bởi côn trùng hơn.
Trigonelline đóng góp nhiều nhất cho vị đắng cà phê, tạo nên rất nhiều hợp chất có mùi hương, và biến thành pyridines và acid nicotin trong quá trình rang. Acid nicotin còn được biết đến là niacin, hoặc vitamin B3. 200g cà phê đã pha chứa khoảng 20- 80ml niacin (tùy vào mức độ rang).
✔ ĐỘ ẨM
Độ ẩm lý tưởng cho 1 hạt cà phê chưa rang là 10.5% – 11.5%. Nếu độ ẩm quá thấp, người rang cần sử dụng nhiệt rất cẩn thận để tránh quá trình rang được diễn ra quá nhanh. Nếu độ ẩm cao hơn 12%, hạt sẽ dễ ẩm mốc. Nước sẽ làm chậm quá trình dẫn nhiệt trong hạt và cần nhiều nhiệt hơn để nước có thể bốc hơi. Vì vậy rang hạt có độ ẩm cao thì khi rang sẽ cần nhiều thời gian hơn hoặc nhiều nhiệt hơn.
✔ ORGANIC ACIDS
Organic acids, cơ bản là chlorogenic acids (CGAs), chiếm khoảng 7-10% khối lượng green beans khô. CGAs tạo nên tính acid, độ chua và vị đắng. Cà phê giống Robusta có nhiều CGA hơn vì vậy đắng hơn giống Arabica. CGA có thể giúp chống oxy hóa.
✔ CÁC LOẠI KHÍ VÀ MÙI HƯƠNG
Những hợp chất bay hơi có mùi hương tạo nên mùi hương của cà phê (aroma). Green beans chứa hơn 200 chất dễ bay hơi nhưng có ít mùi hương. Việc rang sẽ tạo nên phần lớn hợp chất có mùi hương của cà phê, và đến này thì các nhà nghiên cứu đã phát hiện được hơn 800 chất dễ bay hơi có trong cà phê đã rang.
NHỮNG THAY ĐỔI THÀNH PHẦN HÓA HỌC
✔SỰ PHÁT TRIỂN ACID TRONG KHI RANG
Chlorogenic acid (CGA) là loại acid chiếm tỷ lệ cao nhất trong hạt cà phê chưa rang (6- 8%) và cà phê có chứa lượng CGA cao nhất trong các loại cây trồng. CGA tạo nên chất acid và vị đắng của cà phê, và một đóng góp một phần nhỏ tạo nên tác dụng kích thích của cà phê.
Việc rang lâu sẽ phá vỡ CGA, chỉ còn lại 50% đối với light roast và khoảng 20% đối với dark roast. CGA trở thành quinic acids và caffeic acids – 2 hợp chất góp phần phát triển body cho cà phê. Hai loại acid này với liều lượng nhỏ sẽ làm cho cà phê có tính acid cao hơn, tuy nhiêu nếu với liều lượng lớn thì sẽ tạo nên sự chua quá mức. Các acids trong cà phê sẽ đạt đỉnh ở light roast nhẹ và càng giảm dần nếu càng kéo dài thời gian rang.
Citric acids sẽ tạo nên độ chua của cà phê. Với một lượng nhỏ, acetid acid sẽ góp phần tạo nên tính acid của rượu (winey acidity) nhưng nếu quá nhiều sẽ tạo nên sự đắng vị dấm (vinegary bitterness). Malic acid tạo nên tính acid chua của táo. Ngoài ra trong cà phê còn có thể có Phosporic acid, đặc biệt ở cà phê của Kenya.
Nói chung, độ cao của nơi trồng cà phê sẽ quyết định chất lượng của tính acid trong cà phê, và môi trường tự nhiên nói chung, độ ẩm nói riêng, sẽ quyết định loại acid nào có trong loại cà phê đó.
Khi đo độ acid của cà phê bằng chỉ số pH, nếu cà phê có pH thấp sẽ có tính acid cao và ngược lại. Độ acid của cà phê sẽ đạt đỉnh ở 1 st crack và giảm dần đi khi rang thêm. Độ pH của grean beans ở khoảng 5.8 và giảm dần khi rang và đạt mức thấp nhất ở 1 st crack (khi đó độ acid cao nhất) là ở mức 4.8, sau đó tăng đều khi rang thêm (khi đó độ acid giảm). Sucrose ảnh hưởng nhiều đến tính acid và độ ngọt sau khi rang. Sucrose tạo tính acid vì quá trình nâu hóa đường sucrose tạo acetic acid. Sucrose được tìm thấy nhiều hơn ở trái cà phê chín. Sucrose giảm 99% trong dark roast và 87% trong light roast.
✔SỰ PHÁT TRIỂN MÙI HƯƠNG (AROMA)
Sự hình thành nên các chất bay hơi có mùi thơm diễn ra lúc độ ẩm của hạt giảm xuống dưới 5%. Quá trình nâu hóa đường (Caramelization), phản ứng Maillard và sự giảm amino acids, đường, phenolic acids, chất béo đều góp phần tạo mùi. Caramelization tạo mùi fruity, caramelly, mùi của hạt (nutty), và các hương khác. Maillard tạo ra vị, floral, chocolaty và mùi rang.
Dầu trong cà phê cũng góp phần tạo mùi khi pha chế cà phê. Mùi hương sẽ đạt đỉnh ở giai đoạn light và medium roast. Ở những giai đoạn rang lâu hơn, sự phá hủy mùi sẽ mạnh hơn sự tạo ra mùi, các mùi hương lúc này sẽ có mùi khói và khó chịu hơn. Hạt đã rang sẽ mất mùi dần trong quá trình cất trữ và bảo quản, hạt rang dark roast sẽ mất mùi nhanh hơn light roast vì kết cấu cellulose yếu và xốp hơn.
✔PHẢN ỨNG MAILLARD VÀ NÂU HÓA ĐƯỜNG (CARAMELIZATION)
Phản ứng Maillard là phản ứng giữa amino acid và đường, tạo nên màu nâu, hương vị đắng-ngọt (bittersweet) và hàng loạt mùi hương của cà phê. Phản ứng Maillard cũng xảy ra ở việc chế biến các món ăn, ví dụ như quá trình làm nâu thịt.
Trong khi rang, nhiệt độ bên trong của hạt cao đủ để làm phần lớn độ ẩm của nó bốc hơi, nhiệt độ tăng nhanh chóng, thúc đẩy phản ứng Maillard. Đây là 1 trong những lý do mùi được hình thành nhiều ở giai đoạn giữa của quá trình rang (mid-roast). Phản ứng Maillard có thể tự duy trì ở mức trên 320o F (160o C).
Không giống Maillard, quá trình nâu hóa đường (Caramelization) là 1 dạng của quá trình phân hủy vì nhiệt (pyrolysis). Quá trình này bắt đầu ở nhiệt độ 340o F (171o C). Quá trình nâu hóa đường làm giảm độ ngọt và tăng vị đắng. Light roast sẽ khiến cà phê ngọt hơn dark roast.
✔THÀNH PHẦN CAFFEINE
Dark roast không làm giảm lượng caffeine có trong cà phê. Lượng caffeine sẽ không thay đổi và khá ổn định ở nhiệt độ rang cà phê thông thường. Vì cà phê sẽ giảm trọng lượng khi rang nên tỷ lệ caffeine sẽ tăng sau khi rang. Vì vậy, với tất cả điều kiện như nhau, cùng 1 khối lượng cà phê sau khi rang, cà phê rang với dark roast sẽ có hàm lượng caffeine cao hơn light roast.
SỰ TRUYỀN NHIỆT KHI RANG
Khoảng 2/3 thời gian đầu khi rang là quá trình hấp thụ nhiệt (endothermic process), nhiệt sẽ được chuyển từ ngoài hạt vào bên trong hạt. Sau một vài phút rang đầu tiên, nhiệt độ trong lõi hạt sẽ dần tăng lên bằng với nhiệt độ của bề mặt ngoài của hạt.
Cả độ ẩm môi trường và độ ẩm của hạt đều ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt trong quá trình rang. Tuy nhiên độ ẩm bên trong hạt có ảnh hưởng phức tạp hơn. Độ ẩm cao hơn sẽ có 3 tác động chính lên sự truyền nhiệt bên trong hạt
– Tăng sự truyền nhiệt vì độ ẩm làm tăng sự dẫn nhiệt của hạt
– Tăng khả năng chịu nhiệt của hạt, cần nhiều nhiệt hơn để khiến nhiệt của hạt tăng lên trong 1 khoảng thời gian nhất định
– Tăng sự thoát hơi ẩm bốc hơi ra khỏi hạt, cản trợ sự truyền nhiệt vào bên trong lõi hạt
Nhiệt sẽ tăng chậm hơn ở hạt có độ ẩm cao so với hạt có độ ẩm thấp. Vì vậy, khi rang hạt có độ ẩm cao cần sử dụng nhiệt cao hơn so với hạt có độ ẩm thấp.
CÁC BƯỚC TIẾN TRIỂN TRONG QUÁ TRÌNH RANG
Có 3 giai đoạn chính trong quá trình rang:
– Giai đoạn sấy khô hạt (drying phase)
– Giai đoạn giữa (middle phase)
– Giai đoạn phát triển (development time)
Trong 70-90 giây đầu tiên, nhiệt độ sẽ giảm xuống mức thấp nhất, được gọi là (the turn – T1) và sau đó sẽ tăng dần, lúc đầu sẽ tăng lên rất nhanh và dần giảm tốc độ trong quá trình sau.
✔GIAI ĐOẠN GIỮA – MIDDLE PHASE
Sau một vài phút rang, hạt sẽ chuyển sậm màu và nâu nhạt, đây là bắt đầu giai đoạn Middle phase. Lúc này đường sẽ được phá vỡ để tạo acid, và hạt giải phóng hơi nước và bắt đầu dãn ra, và có mùi bánh mì rất dễ chịu. Sự thay đổi màu và hương là nhờ phản ứng Maillard bắt đầu xảy ra khi nhiệt độ hạt đạt khoảng 160o C.
Ở 340o F (171o C), quá trình nâu hóa đường bắt đầu và làm hạt nâu hơn và tạo nên mùi fruity, caramel, mùi hạt (nutty). Cả Maillard và Caramelization đều làm giảm vị ngọt và tăng vị đắng của hạt.
Trong giai đoạn Middle phase này, hạt dãn nở ra khiến nó giải phóng silver skin (chaff). Đồng thời lúc này khói bắt đầu hình thành, vì vậy, máy rang phải có airflow đủ để thổi bay silver skin và khói. Nếu ở giai đoạn này thiếu airflow thì có thể dẫn đến cà phê có hương vị khói và một vài chất độc bị đốt cháy nếu silver skin bị dính lại quá nhiều ở trong máy rang.
✔FIRST CRACK
Ở giai đoạn này, hạt dãn, phồng lên rất nhiều và tống ra nhiều silver skin, và lúc này khói cũng được hình thành rất nhiều. Như đã đề cập các phần trước, 1 st crack là lúc giải phóng hơi nước và khí CO2 đang tạo sức ép ở lõi hạt.
Đầu tiên, acidity sẽ tăng đến city roast thì đạt đỉnh và sau đó thì giảm. Aroma cũng đạt đỉnh ngay sau đó, giữa giai đoạn city và full city roast. Body tăng dần đến khi đạt đỉnh giai đoạn dark roast (French roast) và giảm ngay sau đó. Vị đắng tăng dần đều trong suốt quá trình rang.
✔SECOND CRACK
Sau 1st crack, có 1 khoảng lặng ngắn, trong lúc này CO2 tạo nên 1 sức ép mới trong lõi hạt. Sức ép này có thể khiến dầu lên bề mặt hạt vì hiện tượng nhiệt phân (pyrolysis) và 1 st crack đã làm cho kết cấu cellulose của hạt yếu đi. Ngay lúc dầu xuất hiện trên bề mặt hạt, 2nd crack bắt đầu, giải phóng khí CO2 và dầu từ bên trong hạt.
Rang đến giai đoạn 2nd crack thì hầu hết đặc tính của các loại hạt cà phê bị phá hủy. Khi uống chỉ còn sự ngọt-đắng, mùi khói, body có tính syrup và rất ít acid. Nếu rang thêm sau 2nd crack, body cũng sẽ giảm và tăng mùi cháy.
✔DEVELOPMENT
Development thường được dùng để gọi khoảng thời gian giữa 1st crack cho đến lúc dừng việc rang. Tuy nhiên, thật ra bên trong hạt đã được phát triển (develop) ngay sau những giây đầu tiên sau khi hạt được đưa vào máy rang. Người rang thường cố gắng tăng sự phát triển hạt, đặc biệt đối với espresso, bằng cách kéo dài thời gian rang sau 1st crack. Kéo dài thời gian rang sau 1st crack thường sẽ tăng sự phát triển đối với lõi hạt, nhưng điều này có thể gây ra mùi vị nướng nếu không develop đúng. Không chỉ giai đoạn development hay tổng thời gian rang mà chính là cả quá trình rang với “đường cong của quá trình rang” (roast curve) sẽ quyết định chất lượng cuối cùng.
BA QUY TẮC QUAN TRỌNG KHI RANG
✔ CUNG CẤP ĐỦ NĂNG LƯỢNG NHIỆT LÚC BẮT ĐẦU RANG
Cung cấp đủ nhiệt ở giai đoạn bắt đầu rang đóng vai trò rất quan trọng để đạt được hương vị và sự development của hạt tốt nhất. Nếu cung cấp quá ít nhiệt từ lúc đầu, thời gian rang sẽ phải kéo dài hơn và sẽ ảnh hưởng đến hương vị cà phê.
Khi cung cấp nhiệt nhiều hơn (nhưng đủ chứ không quá nhiều) thì sự chênh lệch nhiệt giữa phần ngoài hạt và bên trong hạt sẽ cao hơn, khiến lõi hạt được thúc đẩy để bắt kịp nhiệt của phần ngoài hạt, khiến lõi được develop tốt hơn. Đối với mẻ rang được cung cấp thiếu nhiệt từ lúc đầu, sự chênh lệch nhiệt giữa bên ngoài và bên trong hạt sẽ thấp, lõi hạt chậm bắt kịp nhiệt với bên ngoài hơn và khi nhiệt bên trong bằng với bên ngoài thì đã gần đến thời gian kết thúc rang, khiến hạt bị underdeveloped.
✔ SỰ TIẾN TRIỂN CỦA NHIỆT ĐỘ HẠT GIẢM TỐC TRONG QUÁ TRÌNH RANG
Trong các mẻ rang, tốc độ gia tăng nhiệt của hạt (Rate of rise – ROR) sẽ tăng rất nhanh lúc ban đầu và sẽ giảm dần trong quá trình rang. Tức là nhiệt độ hạt lúc đầu tăng nhanh và sau đó tăng nhưng với tốc độ chậm hơn. Đây là quá trình tự nhiên khi bỏ hạt có nhiệt độ phòng vào máy rang đang nóng. Người rang nên tạo ra 1 ROR giảm dần trong suốt quá trình rang. Nếu ROR luôn tăng trong suốt quá trình rang (trừ lúc tăng ban đầu trong 2-3 phút đầu tiên), sự development sẽ bị ảnh hưởng và có thể độ ngọt cũng sẽ bị giảm. Nếu ROR không đổi hoặc đi ngang, dù chỉ trong 1 phút, cũng làm phá hỏng độ ngọt và tạo ra một hương vị “flat – bằng phẳng” (hơi giống hương của giấy, giấy carton, rơm rạ, ngũ cốc khô…).
Nếu ROR giảm với 1 tốc độ tương đối ổn định và rồi sau đó rớt mạnh đột ngột, nó sẽ ảnh hưởng đến development và nếu việc rang không được dừng lại ngay lập tức, sẽ có thể dẫn đến hương vị nướng. Hương vị nướng sẽ hơi giống (nhưng extreme hơn) so với hương vị flat được tạo nên bởi ROR đi ngang. Nếu nhiệt độ hạt không tăng hoặc giảm (tức là ROR bằng 0 hoặc nhỏ hơn 0), hương vị nướng (baked flavors) sẽ chiếm đa số và độ ngọt sẽ biến mất.
Có một số trường hợp về ROR cần để ý khi rang để có thể có những điều chỉnh phù hợp:
– ROR thường đi ngang ở một số thời điểm 1-2 phút trước 1st crack
– ROR thường giảm mạnh trong giai đoạn 1st crack vì sự thoát hơi nước
– Sau 1st crack, ROR thường tăng lên rất nhanh
– Trong hoặc sau 2nd crack, ROR thường tăng trở lại
✔ FIRST CRACK NÊN BẮT ĐẦU Ở THỜI ĐIỂM KHOẢNG 75% – 80% TỔNG THỜI GIAN RANG
Kinh nghiệm cho thấy rằng thời gian từ 1 st crack nên hết thời gian rang nên chiếm 20%- 25% tổng thời gian rang. Hoặc nói cách khác, tỷ lệ “Development time ratio – DRT” nên chiếm khoảng 20%-25% tổng thời gian rang.
Nếu DRT vượt hơn 20%-25% thời gian rang thì cà phê sẽ có thể có vị “flat”. Nếu DRT thấp hơn 20%-25% thời gian rang thì có thể hạt chưa được develop đủ. Nhiều người rang sẽ tách thời gian Development ra khỏi thời gian rang trước đó, nhưng cách tiếp cận này thường dẫn đến overdevelop hoặc unverdevelop.
(Kiến thức chuyên ngành cà phê, Perfectdailygrind.com, The Coffee Roaster’s Companion by Scott Rao)
