Cấu Trúc Hạt Cà Phê Sau Khi Rang

Nội Dung Chính

Trong cuốn sách The Craft and Science of Coffee (2016), tác giả Britta Folmer đã chỉ ra rằng bạn không thể rang “bột cà phê” tương tự như cách rang cà phê nguyên hạt (có vẻ rất hiển nhiên!). Điều này nhằm nhấn mạnh rằng quá trình rang cà phê, ở một mức độ nào đó phụ thuộc đáng kể vào cấu trúc “nguyên vẹn” của hạt cà phê.

Mỗi tế bào thực vật (cả động vật ) đều có màng tế bào, trong trường hợp của nhân cà phê, chúng được cấu trúc từ cellulose và một vài loại carbohydrate khác. Các thành tế bào này đóng vai trò như một “bộ xương thực vật”, tạo thành một cấu trúc rất chắc chắn. Trong mỗi hạt cà phê xanh, thành tế bào dày khoảng 10 micromet (µm), bản thân tế bào có kích thước khoảng 20 đến 30 µm, và không bào (permanent vacuole) chiếm khoảng một nửa thể tích tế bào. Nhiệm vụ chính của không bào (khi hạt còn sống) là giữ nước hoặc các chất dinh dưỡng như protein, chất béo và carbohydrate… Sau khi trải qua quá trình rang các thành phần này trở thành các hợp chất hương vị chính.

Quá trình rang phá hủy cấu trúc tự nhiên này và dần dần, dẫn đến hình thành các khoang rỗng. Mặc dù bộ khung của thành tế bào vẫn còn nguyên vẹn, nhưng tế bào chất bị thu nhỏ lại, bị đẩy về phía thành tế bào để nhường chỗ cho một khoảng trống lớn chứa đầy khí ở trung tâm. Lớp này trở nên mỏng hơn khi tiếp tục rang, bởi vì ngày càng nhiều khối lượng tế bào chất được chuyển hóa thành khí và hơi nước trong khi kích thước tế bào tăng lên. Song song với việc tăng thể tích, độ xốp đo được cũng tăng dần trong quá trình rang.

Tế bào trong hạt cà phê trước (A) và sau khi rang (B). Trước khi rang, các tế bào chứa đầy tế bào chất (cytoplasm viết tắt là CP) có thể nhìn thấy trong hình ảnh bên trên. Sau khi rang, tế bào chất đã gần như biến mất hoàn toàn và cấu trúc của thành tế bào (cell walls viết tắt là CW) đã thay đổi đáng kể. Phỏng theo Investigations on the hot air roasting of coffee beans, Schenker, Stefan, 2000.

Minh họa các khía cạnh chính của quá trình truyền nhiệt vào hạt cà phê trong quá trình rang

Cấu trúc vi mô của một hạt cà phê là ma trận của các tế bào được cấu tạo từ cellulose, sự phức tạp này khiến cho mỗi hạt cà phê có vai trò như một “lò phản ứng thu nhỏ”, cho phép các thành phần (trong tế bào) của của hạt tham gia vào các biến đổi hóa học và vật lý trong suốt quá trình rang. Mỗi hạt sẽ kiểm soát môi trường phản ứng theo cách mà các tiền chất sẽ phân hủy, biến đổi, kết hợp với nhau… theo đúng trình tự. Ngoài ra, bản thân hạt cà phê cũng sẽ phồng lên trong quá trình rang (tăng lên về thể tích) cấu trúc vi mô thay đổi từ dạng đặc sang cấu trúc rất xốp.

Trái ngược với quy trình rang bỏng ngô – hạt cà phê không tăng kích thước đột ngột, đúng hơn, chúng phồng lên liên tục trong suốt quá trình rang. Áp suất khí ngày càng tăng bên trong hạt cà phê là động lực chính để giãn nở, trong khi các thành tế bào thực vật dày chống lại nó.

Sự thay đổi trạng thái xảy ra dần dần, và về mặt nguyên tắc, hạt cà phê chuyển từ trạng thái “thủy tinh” sang “cao su” và cuối cùng trở lại trạng thái “thủy tinh” trong quá trình rang, quá trình này còn được gọi là “sự chuyển tiếp thuỷ tinh” (glass transition).

Nhiệt độ chính xác mà tại đó hạt cà phê chuyển sang mềm dẻo phụ thuộc vào việc chúng mất độ ẩm nhanh như thế nào (thông thường, chuyển tiếp diễn ra ở khoảng 190°C). Vì độ ẩm sẽ giảm dần trong khi nhiệt độ tăng lên, nên nếu hạt bị khô, chúng sẽ cần đạt nhiệt độ cao hơn trước khi đến ngưỡng chuyển tiếp thủy tinh. Sự gia tăng thể tích của hạt diễn ra trong trạng thái “cao su”, khi mà sức đề kháng vật lý của thành tế bào bị giảm đi. Vào cuối quá trình rang, khi hạt cà phê trở nên khô hoàn toàn, chúng có thể trở lại trạng thái thủy tinh. Do đó, hiện tượng phồng của cà phê là kết quả của động lực học phức tạp giữa sự hình thành khí và sức đề kháng của thành tế bào.

Hơi nước, CO2 và các chất thơm (bay hơi) thoát khỏi hạt. Sau khi rang, các tế bào nhân cà phê sẽ trở thành các khoang rỗng, đường kính khoảng 40 µm. Bản thân thành tế bào cũng chứa các lỗ nhỏ, có chiều ngang 10-50 nanomet (nm), đây là những con đường kết nối tế bào này với tế bào khác khi hạt cà phê còn là một “thể sống”. Khi cà phê được rang ở nhiệt độ cao hơn, các lỗ kết nối các tế bào trở nên lớn hơn. Những lỗ kết nối “rộng mở” này là một trong các nguyên nhân khiến dầu có thể di chuyển ra khỏi hạt cà phê rang khi chúng được rang đậm hơn.

Cấu trúc của hạt trở nên yếu hơn sau khi rang, cả do sự thay đổi cấu trúc vật lý của hạt và do mất nước. Việc khử nước kết hợp với nhiệt độ có thể làm cho chúng yếu đi đáng kể, làm giảm lực cần thiết để phá vỡ chúng, từ 230N xuống 20N (một newton tương đương với khoảng 0.10197 kg), vì vậy sự yếu đi trong cấu trúc hạt cà phê rang không chỉ do mất nước đơn thuần mà còn liên quan đến những thay đổi trong cấu trúc tế bào.

Ngoài việc mở rộng cấu trúc tế bào, quá trình rang sẽ phá vỡ một số cấu trúc polysaccharide tạo nên thành tế bào. Trong số này, cellulose – loại vật liệu được ví như “giàn giáo” chính của thành tế bào, vẫn còn khá nguyên vẹn ngay cả khi rang rất đậm (về bản chất chúng là gỗ). Các thành phần khác của thành tế bào (chiếm 85% cấu trúc của thành) bị phá vỡ đáng kể trong quá trình rang. Tùy thuộc vào điều kiện rang, có từ 12-40% tổng số polysaccharide trong cà phê có thể bị phá vỡ. Mức độ phân hủy các thành phần polysaccharide cũng phụ thuộc vào giống cà phê. Trong một nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện ra sau khi rang nhẹ, có khoảng 25% polysaccharide trong giống cà phê Yellow Caturra đã bị phân hủy, so với 11% ở Catimor và 15% ở Sarchimor. Tuy nhiên, không còn sự khác biệt khi các loại cà phê này được rang đậm hơn.

Minh họa cấu trúc xốp bên trong hạt cà phê. Các không bào (A) có kích thước khoảng 40 μm được hình thành bởi các tế bào riêng lẻ. Mỗi tế bào riêng lẻ được nối với nhau bởi các lỗ trên màng (B) có chiều ngang khoảng 10-50 nm (tương đương với 0.01-0.05µm). Ngoài ra, còn có một số vi ống có kích thước 1-3 nm (C) hình thành trên bề mặt của thành tế bào.

Hãy là người đầu tiên chia sẻ bài đăng này!

Bài đăng mới

Máy Pha Cà Phê Espresso

Theo từ điển Merriam-Webster, Espresso được định nghĩa là “cà phê được pha bằng cách ép hơi nước hoặc nước nóng qua các hạt cà

Hạt Mịn (Fine)

Hạt cà phê là một ma trận ba chiều phức tạp của các sợi cellulose được phủ bằng dầu và các chất rắn khác. Những