TRONG TÁCH CÀ PHÊ CÓ GÌ – CHƯƠNG I: HƯƠNG THƠM (P2)

 b . [TRANSFORMATION]  Chuyển hóa

Về cơ bản, trong cà phê sẽ có các hợp chất không bay hơi (Non—volatile compounds) như caffein (Đóng góp vào vị đắng), Melanoidin (đóng góp vào vị đắng, Body và màu nâu của cà phê)… và tất nhiên hương thơm sẽ là những hợp chất dễ bay hơi (Volatile compounds) ở áp suất và nhiệt độ phòng như:

+ Furan là nhóm hợp chất chiếm ưu thế nhất trong số các chất thơm cà phê và  có mùi giống như caramel vì chúng là kết quả của quá trình nhiệt phân đường

+ Pirazine là loại hợp chất thơm phổ biến thứ hai và góp phần tạo nên hương vị như mùi cà phê rang, hạt phỉ, đất…

+ Aldehyde và Ketones: Các mùi hương của mạch nha, xanh (rau, củ, quả), hoa, mật ong …  

+ Phenolic: Các mùi hương của khói, gia vị, thuốc lá…

+ Nhóm chứa Sulfur: Hương cà phê rang, bắp cải thối

                            Hợp chất dễ bay hơi trong cà phê.  

                            Nguồn: Coffee recent developments

Hợp chất hương thơm quan trọng trong cà phê

Nguồn: Compound interest

                 

Dưới góc độ khoa học, các hợp chất dễ bay hơi  này được tạo ra từ các tiền chất của hương thơm dưới dạng Carbohydrate (Chủ yếu là đường), Hợp chất chứa Nitơ (bao gồm Protein, Axit amin tự do, các akaloid như Trigonelline) và axit khác nhau (Axit hữu cơ và axit chlorogenic (CGA)) thông qua các phản ứng hóa học quan trọng như Maillard, Strecker và các phản ứng tự phân hủy của đường, CGA, Trigonelline, Lipid… trong quá trình rang (Folmer, B, 2016)

Các tiền chất quan trọng trong việc chuyển hóa thành các Hợp chất dễ bay hơi.

Nguồn: The Craft and Science of Coffee

Các phản ứng hóa học ảnh hưởng đến Hương vị khi rang

Nguồn: The Craft and Science of Coffee

Có thể bạn sẽ thấy nhức đầu hoa mắt chóng mặt vì có rất nhiều tiền chất và các phản ứng khởi nguồn. Do đó BW sẽ phân tách thành 2 phần:

I. [CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC PHỨC TẠP STRECKER, MAILLARD]

[PHẢN ỨNG MAILLARDS]

Nếu bạn có thắc mắc vì sao cà phê có màu nâu sẫm, mang vị đắng hay thỉnh thoảng sẽ có hương thơm của mạch nha, bánh mỳ, thịt nướng… thì  là do các phân tử Melanoidin – 1 sản phẩm rất quan trọng do đường khử (là bất kỳ loại đường nào có nhóm aldehydes hoặc Kentones tự do như fructose, glucose, lactose and maltose)(Hoffman, J 2006) kết hợp với các axit amin tự do (Free amino acid) diễn ra trong phản ứng Maillard. Bên cạnh đó, Melanoidin cũng đóng vai trò trong việc hình thành và ổn định Crema của Espresso và tăng cường “Body” cho cà phê (E Illy và L Navarini, 2011).

Bên cạnh Melanoidin, nhiều phản ứng hóa học khác nhau  kết hợp các loại axit amin và đường tạo thành một loạt các hợp chất hương vị như Diketones (bơ), Pyrazines (đất, rang, hạt dẻ), Thiazoles (hương cà phê rang, bỏng ngô), Enolones (Caramel, vị đồ ăn), Thiols (lưu huỳnh, hương cà phê)… (Britta, F, 2016)

Quen thuộc nhất trong số này là hương cà phê, hạt phỉ, bánh mì nướng và thỉnh thoảng có mùi thịt. Các phản ứng cũng có thể tạo ra nhiều loại phân tử nhỏ hơn, có thể bao gồm hương hoa, trái cây và caramel, cũng như một số hương 'khó chịu' như mùi hành hoặc mùi đất (What Is the Maillard Reaction and Why Is It Important?, 2021).  Trên thực tế, cách rang của nhà Hyper thường cố gắng kéo dài giai đoạn maillard nhằm mang đến những hương thơm phong phú hơn, ví dụ như hương hạt phỉ sẽ là hương chủ đạo của rất nhiều dòng cà phê và thỉnh thoảng nếu bạn uống ngay cà mới rang sẽ thấy thoang thoảng mùi thịt nướng (Bacon) trong hương thơm khô vì  đây cũng là sản phẩm từ Maillard.   

                  Sơ đồ phản ứng Maillard và các sản phẩm phụ 

Nguồn: Compound Interest

[PHẢN ỨNG STRECKER]

Theo Strecker Degradation in Coffee Roasting (2021), phản ứng Strecker chuyển đổi axit amin thành các hợp chất thơm dễ bay hơi gọi là aldehydes bao gồm các hương thơm phong phú như mạch nha (3/2-methylbutanal), khoai tây (methional), đất, cà phê rang (alkyl pyrazine) và mật ong (phenylacetaldehyde). Điều đặc biệt là bạn có thể cảm nhận được các hợp chất thơm từ Aldehydes ở ngưỡng rất thấp, khiến chúng trở thành một phần quan trọng tạo nên mùi thơm của cà phê mới rang và có thể được sử dụng làm chỉ thị độ tươi mới (Freshness) của cà phê (Buffo và Cardelli-Freire 2004). Trong quá trình rang, lượng aldehyde Strecker trong cà phê cao nhất ở mức rang nhẹ hoặc trung bình (Kim et al 2018).

Một điều thú vị đó là nếu nhiệt độ đầu vào cao và thời gian rang ngắn, nồng độ Strecker aldehyde trong cà phê  sẽ cao hơn (Baggenstoss et al 2008) và một số hợp chất rang, bao gồm cả aldehyd sẽ xuất hiện trong cà phê rang nhanh mà bình thường không thấy trong các mẻ rang dài hơn. Nhiều giả thuyết cho rằng đây là nguyên nhân của các mùi cay nồng (Pungent), cỏ (Grassy) trong  cà phê rang nhanh (Fast roast) (Lyman et al 2003).

Phản ứng Strecker chuyển hóa Amino acid thành Aldehyde

Nguồn: Barista Hustle

II. [SỰ PHÂN HỦY CÁC TIỀN CHẤT ĐƠN GIẢN]

1/ [ĐƯỜNG CARAMEL HÓA]

Theo Coffee Chemistry and Coffee Aroma, trong khi rang, quá trình phân hủy đường tạo ra một loại hợp chất thơm đặc biệt gọi là furan để tạo ra mùi thơm giống như caramel, trong khi các hợp chất tương tự như hydroxymethylfurfural (HMF) mang lại hương thơm ngọt ngào hơn cho cà phê.

Hợp chất Furan và HMF đóng vai trò quan trọng trong hương thơm cà phê. Nguồn: Coffee chemistry

Theo  Hoffmann, J (2006), phản ứng Caramel hóa chậm hơn nhiều so với phản ứng Maillard và đòi hỏi nhiệt độ cao hơn, chuỗi sự kiện phản ứng này chỉ bắt đầu khi nước bị mất khỏi phân tử đường. Trong mọi trường hợp, đường được chuyển thành furfuryl. Đây là một loại furan có mùi caramel, hơi cháy và hơi có vị thịt.

2/ [PHÂN HỦY ACID CHLOROGENIC (CGA)]

Theo Britta, F (2016), CGA là tiền chất quan trọng mang đến vị đắng khi bị phân hủy thành các gốc axit quinic và axit hydroxycinnamic, tuy nhiên khi quá trình rang được kéo dài, những chất này có thể phân hủy thêm thành các hợp chất phenolic dễ bay hơi và không bay hơi (Dorfner và cộng sự, 2003; Tressl và cộng sự, 1976). Các phenol dễ bay hơi thuộc nhóm guaiacol như 2-methoxyphenol (guaiacol), 4-ethyl-2-methoxyphenol (4-ethyl guaiacol) và 4-vinyl-2-methoxyphenol (4-vinyl guaiacol) tạo ra mùi hương gỗ, khói, Tro vốn là đặc trưng của cà phê  rang đậm và sẽ cao hơn trong Robusta do hàm lượng CGA trong Robusta dồi dào hơn.

3/ [PHÂN HỦY TRIGONELLINE]

Theo Britta, F (2016), cùng là Akaloid nhưng không giống Caffeine vốn ổn định trong suốt quá trình rang, trigonelline bị phân hủy một phần và chuyển thành axit nicotinic và các hợp chất dễ bay hơi như Pyridine và Pyrroles  (Viani và Horman, 1974) (Nếu bạn thấy 2 hợp chất này quen quen thì đây cũng là sản phẩm sinh ra từ phản ứng Maillard) và được chứng minh là tăng liên tục theo thời gian rang (Baggenstoss và cộng sự, 2008). Tất cả những thay đổi phân tử này đều có tác động đến các đặc tính cảm quan như:

Pyridine mang đến vị đắng, cảm giác khô / se / chát (Astringent), khét (Burn note), thuốc lá nhưng cũng có các hương tích cực khác như cây hồi, hạt dẻ, hương hoa…. (Sweet marias)

pyrrole chịu trách nhiệm tạo ra một số mùi thơm ngọt ngào, giống như caramel và giống như nấm, tỏi trong cà phê (Coffee Chemistry)

4/ [PHÂN HỦY LIPID]  

Theo Britta, F, quá trình oxy hóa lipid của các axit béo không bão hòa tạo ra các aldehyde có hoạt tính mạnh khác nhau như hexanal, nonenal, enals khác và dienals. Tuy nhiên, chúng không thuộc thành phần chính của hương thơm cà phê. Các aldehyd này có thể phản ứng sâu hơn với các thành phần khác trong cà phê (Belitz et al., 2009). Mặc dù không góp phần vào hương thơm khi pha, nhưng Hexanal được xem là dấu hiệu  nhận biết của cà phê rang bị cũ, mang lại hương vị ôi thiêu cho cà phê trong quá trình lưu trữ. (Spadone và Liardon, 1989)

Bên cạnh sự chuyển hóa từ các tiền chất thành hợp chất dễ bay hơi, [ĐỘ RANG] và [THỜI GIAN RANG] cũng ảnh hưởng đến việc hình thành các hợp chất dễ bay hơi.

[ĐỘ RANG]

Nhìn chung, với độ rang nhạt (light đến Light – Medium), cà phê mang hương thơm phát triển từ trái cây, hoa, bánh mì và hạt dẻ… đến hương vị ca cao, cay nồng, tro, hăng ở mức độ rang đậm hơn.

Khi rang đậm, sự phân hủy của CGA (Acid Chlorogenic) dẫn đến các sản phẩm thủy phân như axit quinic và các axit phenolic (như axit ferulic) tiếp tục phân hủy tạo thành các chất tạo mùi phenolic quan trọng như guaiacol và 4-vinylguaiacol (Khói, đinh hương). 1 ví dụ rõ ràng nhất đó là khi rang các mẫu Ethiopia Wash từ Yirgacheffe, khi rang ở mức Light- Medium cho pha Filter, hương hoa và trái cây rõ nét, nhưng khi rang đậm hơn cho Espresso (Medium-dark), các hương hoa và trái cây giảm và có sự xuất hiện của đinh hương (Clove).

Bên cạnh đó, theo Britta, F (2016) một số hợp chất sẽ giảm dần đến biến mất theo quá trình rang, ví dụ như hợp chất gốc lưu huỳnh có mùi quả lý chua đen (3-mercapto-3-methylbutyl) có thể biến mất hoàn toàn trong cà phê rang đậm. Trong khi đó, một số hợp chất lại ít thay đổi trong quá trình rang như Alkyl pyrazines (ví dụ, 2-ethyl-3,5-dimethylpyrazine) với hương thơm của đất, cà phê rang, hạt phỉ. Cuối cùng, các hợp chất như 2-furfurylthiol (Hương vị rang), các sản phẩm phân hủy từ trigonelline như pyridine (mùi khét, thuốc lá)  và N-methylpyrrole (Caramel), cũng như dimethyl trisulfide được chứng minh là tăng liên tục theo thời gian rang (Baggenstoss và cộng sự, 2008a). Tất cả những thay đổi phân tử này đều có tác động đến cách cảm nhận hương vị.

[THỜI GIAN – NHIỆT ĐỘ RANG (NHANH >< CHẬM)]

Quá trình rang nhanh tạo ra sự phân hủy CGA ít hơn và chất bay hơi thấp hơn (Nagaraju et al., 1997). Điều này được nhấn mạnh với số lượng cao hơn của diketones có hương cà phê rang, bơ và furfural (Hương caramel), trong khi nồng độ phenol thấp hơn nhiều dẫn đến hương vị ít bị tro, khói, cháy hơn.

Ngoài ra, như đã đề cập ở phần Phân Hủy Strecker, khi rang với nhiệt độ nạp cao làm tăng sự hình thành các aldehyde Strecker và có thể là nguyên nhân của các mùi cay nồng (Pungent), cỏ (Grassy) trong  cà phê rang nhanh (Lyman et al 2003).

[THAM KHẢO]

Website

1/ Kahwei , Y. (2021, February 19). What Affects The Aroma Of Coffee & How Can Packaging Preserve It? Mtpak. https://mtpak.coffee/2021/02/what-affects-aroma-coffee/

2/ Brunning, A. (2015, February 17). The Chemical Compounds Behind the Aroma of Coffee. Compound Interest. https://www.compoundchem.com/2015/02/17/coffee-aroma/

3/ Hoffmann, J. (2006, June 21). Maillard Reaction, Strecker Degredation and Caramelisation. My Blog. https://jimseventemp.wordpress.com/2006/06/20/maillard-reaction-strecker-degredation-and-caramelisation/

4/ What Is the Maillard Reaction and Why Is It Important? Barista Hustle. https://www.baristahustle.com/blog/what-is-the-maillard-reaction-and-why-is-it-important/

5/ Strecker Degradation in Coffee Roasting. Barista Hustle. https://www.baristahustle.com/blog/strecker-degradation-in-coffee-roasting/

6/ Coffee Chemistry and Coffee Aroma. (n.d.). http://www.coffeeresearch.org/science/aromamain.htm

Sách và Tư liệu

1/ Folmer, B. (2016, December 16). The Craft and Science of Coffee. Academic Press.

2/ Yeretzian, C., Opitz, S. O., Smrke, S., & Wellinger, M. (2019). Coffee Volatile and Aroma Compounds – From the Green Bean to the Cup. Zurich University of Applied Sciences, Institute of Chemistry and Biotechnology.

3/ Clarke, R., & Vitzthum, O. G. (2008, April 15). Coffee Recent Developments. John Wiley & Sons.