Ảnh hưởng của độ ẩm đối với quá trình rang cà phê

Một lưu ý quan trọng khác là bạn phải đảm bảo nhiệt độ máy đo và nhiệt độ cà phê là như nhau – cà phê và cảm biến bên trong máy đo đều cần ở cùng nhiệt độ để bạn có được kết quả chính xác. Vì vậy, lời khuyên hữu ích nhất là để mẫu bên trong máy đo một lúc để nhiệt độ của mẫu và cảm biến cân bằng trước khi bạn thực hiện phép đo.

Như vậy, trong phạm vi của bài viết này, chúng mình sử dụng khái niệm độ ẩm để chỉ lượng nước mà hạt cà phê có – rất đơn giản. Tuy nhiên, đây là một khái niệm tương đối – vì nước không phải lúc nào cũng tồn tại một cách độc lập với các thành phần hoá học khác trong hạt cà phê! Hãy lưu ý điều này khi chúng mình đề cập đến khái niệm “hoạt độ nước” ở đâu đó trong bài.

Mỗi hạt có một độ ẩm khác nhau

Độ ẩm của cà phê giảm trong suốt quá trình rang – nhưng ngay cả khi rang đậm, một lượng độ ẩm nhất định vẫn còn lại trong hạt sau khi rang. Cà phê rang thường có độ ẩm từ 1–3%, tùy thuộc vào giống cà phê và điều kiện rang (Wang và Lim 2015). Trong nhiều tài liệu hướng dẫn rang cà phê, giai đoạn rang đầu tiên, trước khi màu hạt cà phê bắt đầu thay đổi, đôi khi được gọi là “giai đoạn làm khô” (drying phase) – điều này dễ gây nên nhầm tưởng, là cà phê sẽ được “rang đến khô” và bước sang một giai đoạn khác, nhưng trong thực tế, nước sẽ tiếp tục bay hơi trong toàn bộ quá trình rang. Do đó, giai đoạn làm khô thực sự chỉ nên được sử dụng để nhấn mạnh việc độ ẩm bị mất đi nhanh hơn trong giai đoạn đầu của quá trình rang (Eggers và Pietsch 2001), và hơn nữa, giai đoạn này thay đổi tùy theo điều kiện rang.

Trong bất kỳ lô cà phê nào, đều có sự khác biệt nhỏ về độ ẩm giữa hạt này với hạt khác – và thậm chí trên cùng một hạt, những khu vực khác nhau lại có độ ẩm khác nhau (Caporaso & cộng sự 2018). Khi đó, mỗi hạt có độ ẩm khác nhau sẽ biến đổi theo những cách khác nhau trong quá trình rang.

(a) hình ảnh của hat cà phê tại một dải quang phổ; (b) hình ảnh được tái tạo biểu thị độ ẩm dự đoán của hạt – ở mặt dẹt; (c) độ ẩm dự đoán thu được ở mặt sau của hat – mặt lồi; (d) mẫu cà phê được chia nhỏ thành một phần được đặt trong điều kiện ẩm (nữa trên) một phần được sấy khô trong tủ sấy (nữa dưới). Các con số biểu thị độ ẩm dự đoán trung bình được biểu thị bằng phần trăm (%).

Độ ẩm trong cà phê thay đổi theo từng loại hạt và thậm chí chỉ trong một hạt cà phê. Nếu hạt cà phê có độ ẩm cao hơn khi bắt đầu rang, chúng có xu hướng mất độ ẩm nhanh hơn vào đầu quá trình rang. Vào cuối quá trình rang, độ ẩm của tất cả chúng sẽ cân bằng với hạt có độ ẩm thấp nhất. Luồng không khí cao hơn trong máy rang cũng làm tăng tỷ lệ mất ẩm từ hạt (Eggers và Pietsch 2001). Tuy nhiên, Theo Scott Rao – tác giả của cuốn sách The Coffee Roaster’s Companion (2014), sự khác biệt này chỉ là đáng kể giữa các loại máy rang khác nhau – ví dụ, máy rang không khí (máy rang tầng sôi) và máy rang trống. Những thay đổi nhỏ trong cài đặt luồng không khí trên máy rang trống có ảnh hưởng không đáng kể đến tốc độ mất ẩm và độ ẩm cuối cùng.

Không phải nước nào cũng sôi ở 100°C

Ảnh hưởng quan trọng nhất của độ ẩm là khi nó rời khỏi hạt cà phê dưới dạng hơi nước. Khi rang cà phê, loại hơi ẩm đầu tiên bay hơi là nước “tự do” trong hạt cà phê. Nước tự do không bị ràng buộc với bất cứ thứ gì bên trong hạt và do đó có sẵn để tham gia vào các phản ứng hóa học – lượng nước tự do là thứ mà phép đo hoạt độ nước cho chúng ta biết.

Trong quá trình rang, hơi nước tích tụ nhanh hơn tốc độ thoát ra khỏi hạt và do đó áp suất bên trong hạt bắt đầu tăng lên. Ở áp suất cao hơn, điểm sôi của nước tăng lên trên 100°C; vì lý do này, nước trong nồi hơi của máy pha cà phê espresso có thể đạt tới 120°C trở lên. Khi nhiệt độ hạt tăng lên, áp suất bên trong hạt tăng lên sẽ ngăn cản một phần nước tự do bay hơi. Do đó, nước tự do tiếp tục chuyển thành hơi nước bên trong hạt ở nhiệt độ trên 100°C. Áp suất này làm cho cấu trúc hạt nở ra, cuối cùng gây ra vết nứt đầu tiên và cũng đẩy nhanh một số phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình rang.

Ngoài nước tự do, hạt cà phê còn chứa nước “liên kết” – các phân tử nước được liên kết chặt chẽ với cấu trúc hạt. Nước liên kết cần nhiều năng lượng để bốc hơi hơn nước tự do. Khi nhiệt độ hạt tăng lên, các phân tử nước liên kết tách ra khỏi cấu trúc hạt và tham gia vào “bể nước tự do”. Điều này có nghĩa là, đối với bất kỳ loại cà phê nào, hoạt độ nước sẽ cao hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Độ ẩm của không khí bên trong máy rang cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt. Không khí ẩm có nhiệt dung riêng cao hơn không khí khô. Nhiệt dung riêng (tương đối) cao hơn của không khí ẩm có nghĩa là ở cùng nhiệt độ, nó mang nhiều năng lượng hơn. Do đó, không khí ẩm có thể truyền năng lượng nhiệt cho hạt cà phê hiệu quả hơn. Nếu không khí bên trong máy rang có độ ẩm cao hơn, quá trình rang diễn ra nhanh hơn một chút (Schenker 2000).

Máy rang tuần hoàn khí nóng thường có môi trường bên trong buồng rang ẩm hơn so với các loại máy rang khác, và do đó hiệu quả truyền nhiệt cũng cao hơn.

Schenker 2000

Ảnh hưởng của độ ẩm đến tốc độ truyền nhiệt

Độ ẩm của cà phê nhân càng cao thì khả năng dẫn nhiệt càng tốt. Điều này giúp nhiệt truyền từ bề mặt hạt vào tâm của hạt trong thời gian đầu của quá trình rang, trước khi hơi ẩm bay hơi. Mặt khác, cà phê có độ ẩm cao hơn cũng có nhiệt dung riêng cao hơn – điều này có nghĩa là cần nhiều năng lượng hơn để tăng nhiệt độ của hạt cà phê lên một khoảng nhất định. Do đó, cà phê có độ ẩm cao vừa cho phép – vừa đòi hỏi phải sử dụng nhiều nhiệt hơn trong giai đoạn đầu của quá trình rang.

Khi bắt đầu rang, nhiệt độ hạt tăng nhanh nhất ở gần bề mặt hạt và nhiệt truyền chậm hơn vào các lớp bên trong. Do đó, độ ẩm gần bề mặt hạt bay hơi trước, tạo ra một lớp hơi nước ở phần bên ngoài của hạt. Điều này được gọi là “bốc hơi bề mặt” (evaporation front). Mặt trước bốc hơi bắt đầu ở bề mặt hạt và dần dần di chuyển vào bên trong khi nhiệt độ bên trong hạt tăng lên.

Trong minh hoạ trên, màu xanh là khu vực có nhiệt độ thấp nhất; màu đỏ là khu vực có nhiệt độ cao nhất. Ở lớp ngoài của hạt (1), cấu trúc hạt nở ra, xốp hơn và độ ẩm thấp nên không dẫn nhiệt hiệu quả đến các lớp bên trong (2). Trong khi đó, trung tâm của hạt (3) đặc hơn và có độ ẩm cao hơn lớp bề mặt, dẫn nhiệt hiệu quả hơn bề mặt, do đó tâm hạt có nhiệt độ thấp và đồng nhất hơn. Kết quả là hạt cà phê sẽ khô dần từ ngoài vào trong, trong khi trung tâm vẫn chứa nhiều độ ẩm. Điều này khiến cho chênh lệch nhiệt độ giữa bên ngoài và phần tâm của hạt rất lớn. Khi quá trình rang tiếp diễn, trạng thái này sẽ dẫn đến hai hệ quả.

Hệ quả 1: Rào cản hấp thu nhiệt

Hơi ẩm gần bề mặt hạt sẽ bay hơi trước, tạo ra một lớp hơi nước ở phần ngoài của hạt. Do đó bề mặt liên tục thoát hơi nước sẽ ngăn cản nhiệt độ tiếp cận sâu hơn vào hạt. Khi lớp bề mặt mất độ ẩm, nó cũng trở nên kém hiệu quả hơn trong việc dẫn nhiệt vào trung tâm hạt.

Điều này có nghĩa là ở mặt trước của hạt, nơi diễn ra “bốc hơi bề mặt”, phần lớn năng lượng mà hạt cà phê hấp thụ sẽ làm nước bốc hơi, thay vì làm tăng nhiệt độ. Do đó, khi lớp bên ngoài phồng lên do “xì hơi nước”. Cấu trúc hạt nở ra và trở nên xốp hơn, nó càng trở nên kém hiệu quả hơn trong việc dẫn nhiệt, bởi vì các lỗ xốp có tác dụng cách nhiệt. Tổng hợp hai tác động này, khi lớp bên ngoài khô, thoát hơi ẩm và dẫn nhiệt kém, sự chênh lệch nhiệt độ bắt đầu hình thành. Với bề mặt hạt nóng nhất và nguội dần vào tâm. Phần lõi của hạt, nơi cấu trúc vẫn còn ẩm và đặc, sẽ dẫn nhiệt hiệu quả hơn.

Tốc độ giãn nở khác nhau của các lớp bên ngoài và bên trong của hạt gây áp lực lên cấu trúc hạt, và thông thường – như chúng ta đều biết, hạt bị vỡ tại những điểm yếu nhất (thường là hai đầu hạt).

Hệ quả 2: Vết nứt đầu tiên

Mặt trước bay hơi có một tác dụng quan trọng khác. Khi nhiệt độ của hạt tăng lên, tại một thời điểm nào đó, vật liệu của hạt trải qua quá trình chuyển đổi từ trạng thái cao su sang trạng thái giòn – được gọi là quá trình chuyển tiếp thủy tinh (glass transition). Nhiệt độ xảy ra điều này phụ thuộc vào lượng ẩm – nếu có nhiều độ ẩm hơn, quá trình chuyển tiếp thủy tinh xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn.

Khi quá trình rang diễn tiến đến một khoảng nhiệt độ nhất định, lõi của hạt cà phê trải qua quá trình chuyển đổi thủy tinh khi nó có nhiều độ ẩm hơn, trở nên dẻo và có thể nở ra khi áp suất hơi nước tăng lên. Mặt khác, lớp bên ngoài của hạt vẫn giòn vì nó được làm khô và do đó chống lại sự nở ra đó. Khi nhiệt độ của hạt tăng lên, ứng suất (cách gọi của lực hình thành từ bên trong hạt) sẽ tăng lên khi vùng bên trong cố gắng phồng lên nhưng lại bị lớp ngoài giòn hơn ngăn lại. Sự căng thẳng này là một phần nguyên nhân gây ra vết nứt đầu tiên (Fadai & cộng sự 2019).

Trong quá trình rang, hơi nước làm tăng áp suất bên trong hạt cà phê (có thể lên tới 25 bar*), áp lực này làm cho cấu trúc hạt cà phê nở ra. Khi thành cellulose của tế bào nhân cà phê không thể giãn ra xa hơn nữa, các vết nứt hình thành bên trong hạt và trên bề mặt của chúng, đẩy hơi nước và khí ra ngoài một cách thô bạo, tạo ra những tiếng động lộp bộp mà chúng ta gọi là “first crack” hay vết nứt đầu tiên .

Khoa học Cà phê, 2023

(*) Thông số này được đề cập bởi hai tác giả Andrea Illy và Rinantonio Viani thông qua cuốn sách nổi tiếng – Espresso Coffee: The Science of Quality (2005) nhưng không được chứng minh rõ. Trong bối cảnh công nghệ hiện tại, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một số mô hình toán học để ước tính rằng áp suất ở tâm hạt có thể đạt tới 18 bar ngay trước lần nứt đầu tiên (Fadai 2018).

Ảnh hưởng của độ ẩm đối với các phản ứng hóa học

Ngoài việc ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, độ ẩm còn đóng vai trò trong các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình rang. Hàm lượng nước và hoạt độ nước ở các giai đoạn khác nhau của quá trình rang ảnh hưởng mạnh đến tốc độ thay đổi hóa học và vật lý trong cà phê. Nước là một phần thiết yếu của một số phản ứng, chẳng hạn như phản ứng Maillard. Các phản ứng khác (như caramel) có thể không sử dụng nước trực tiếp, nhưng độ ẩm có thể ảnh hưởng đến tốc độ diễn ra chúng.

Tuy nhiên, dù chúng ta có thể ước lượng tầm quan trọng của độ ẩm đối với các phản ứng hoá học – về mặt lý thuyết, nhưng trên thực tế, rất khó để xác định điều này ảnh hưởng như thế nào đến cách rang cà phê. Mặc dù khó có thể tách vai trò của nước trong các phản ứng hóa học khỏi ảnh hưởng của nó đối với quá trình truyền nhiệt, nhưng một số nhà rang xay cho rằng độ ẩm cao hơn trong cà phê nhân thường dẫn đến hương vị cà phê rang tốt hơn.

Trong khi một số nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thêm nước vào cà phê nhân xanh (phong trào hấp cà phê trước khi rang – để thêm độ ẩm cho cà phê, tại Việt Nam gần đây) đã cải thiện hương vị, thì cũng rất khó có thể xác định mức độ ảnh hưởng này là do những thay đổi trong hóa học của quá trình rang (và nếu có thì là bao nhiêu?), hay chỉ là kết quả về sự khác biệt trong truyền nhiệt. Tuy nhiên, nhìn chung, một số nhà nghiên cứu đã nhấn mạnh “Cà phê có độ ẩm cao hơn có xu hướng hương vị (cupping) nổi bật hơn, và đậm đà hơn” (Christopher Feran 2021).

Độ ẩm được tạo ra trong quá trình rang

Một số phản ứng hóa học trong quá trình rang tạo ra thêm nước, khiến cho việc hiểu đầy đủ về vai trò của độ ẩm trong quá trình rang trở nên khó khăn hơn. Những phản ứng này có thể đóng góp tới 40% lượng nước thoát ra từ hạt cà phê trong quá trình rang (Geiger & cộng sự 2005). Do đó, ngay cả những hạt cà phê xanh khô nhất vẫn có sẵn một lượng nước để tham gia vào các phản ứng sau khi quá trình rang được tiến hành.

Trong giai đoạn đầu của quá trình rang, phần lớn nước bốc hơi từ hạt cà phê là hơi ẩm đã có sẵn. Khi lượng nước tự do này đã bay hơi, nước được tạo ra trong các phản ứng hóa học chiếm phần lớn độ ẩm thoát ra khỏi hạt cà phê.

Geiger & cộng sự 2005

Lượng nước bay hơi từ các phản ứng hóa học giảm vào cuối quá trình rang. Các nhà nghiên cứu cho rằng điều này có thể là do các hợp chất cung cấp nhiên liệu cho các phản ứng đang cạn kiệt hoặc do nước đang được sử dụng hết cho các phản ứng khác thay vì bay hơi.

Độ ẩm và phản ứng Maillard

Hàm lượng nước ảnh hưởng mạnh đến tốc độ phản ứng Maillard. Cần có một lượng ẩm nhất định trong cà phê để phản ứng Maillard diễn ra. Trong hầu hết các loại thực phẩm, phản ứng Maillard diễn ra nhanh nhất khi hoạt độ nước** nằm trong khoảng từ 0,65 đến 0,75 và phần lớn phản ứng này dừng lại khi hoạt độ nước giảm xuống dưới 0,3 (Wong và cộng sự 2015).

(**) Lưu ý rằng mối quan hệ giữa hoạt độ nước và độ ẩm thay đổi theo nhiệt độ, do đó hoạt độ nước trong quá trình rang không giống với hoạt độ nước đo được ở nhiệt độ phòng. Đối với cà phê có độ ẩm nhất định, nhiệt độ càng cao, hoạt độ nước cao (Collazos-Escobar và cộng sự 2020), vì vậy trong quá trình rang, cà phê dù bị khô đi đáng kể vẫn có hoạt độ nước đủ cao để phản ứng Maillard diễn ra. 

Vì các phản ứng Maillard phụ thuộc vào sự có mặt của một lượng ẩm nhất định nên chúng bắt đầu chậm lại ở giai đoạn sau của quá trình rang khi độ ẩm giảm. Ngoài ra, độ ẩm cũng có thể thay đổi hỗn hợp mùi thơm mà các phản ứng Maillard tạo ra, khi axit amin và carbohydrate được đun nóng cùng nhau trong phòng thí nghiệm (Hofmann và Schieberle 1998). Tuy nhiên, hiệu ứng này có đáng kể trong cà phê trong các điều kiện rang điển hình hay không vẫn chưa chắc chắn.

Cuối cùng, độ ẩm được cho là cũng ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng khác trong hạt. Ví dụ, độ ẩm có liên quan đến sự phân hủy axit chlorogenic – đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình rang. Nhiều phản ứng diễn ra nhanh hơn ở áp suất cao hơn (Clifford 1985). Áp suất cao tích tụ bên trong hạt cà phê trong quá trình rang do độ ẩm bốc hơi, do đó độ ẩm cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng này (Farah 2020).

Lưu ý về hoạt độ nước

Hoạt độ nước (water activity – ký hiệu là aw) là hàm lượng nước “tự do” hoặc “không liên kết hoá học” trong sản phẩm. Theo thuật ngữ kỹ thuật, hoạt độ nước là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của nước trong một chất so với áp suất hơi riêng phần của nước tinh khiết (aw= p/p*; với p: là áp xuất hơi của sản phẩm; p* là áp suất hơi của nước tinh khiết ở cùng điều kiện). Ở điều kiện tiêu chuẩn áp xuất hơi của nước tinh khiết luôn = 1, như vậy hoạt độ nước của một sản phẩm luôn ≤ 1. Cà phê nhân, khi được làm khô đến độ ẩm 10-12%, thường có hoạt độ nước ở khoảng 0.45 – 0.55.

• Hoạt độ nước và độ ẩm đều ảnh hưởng đến chất lượng, khả năng bảo quản của cà phê nhân và nguy cơ vi sinh vật phát triển trong quá trình bảo quản. Thông thường, aw càng cao, các vi sinh vật càng dễ phát triển. Hầu hết vi khuẩn thì yêu cầu aw ≥ 0.91 để phát triển, vi nấm thì cần aw ≥ 0.7, khi aw <0,60, vi sinh vật gần như không thể phát triển.
• Hiệp hội Cà phê Đặc sản (SCA) quy định hoạt độ nước của Specialty Coffee phải <0,7, với độ ẩm 10-12,5%.
• Ngoài ra, do việc xác định độ ẩm trong một lô hạt cà phê tương đối dễ thực hiện (chỉ mất vài giây với một máy đo độ ẩm), nhưng mỗi lần đo hoạt độ nước mất từ 5 đến 20 phút – thậm chí là lâu hơn (với thiết bị đo phức tạp hơn). Nên mối tương quan giữa hoạt độ nước và quá trình rang cà phê vẫn còn tương đối thiếu sót và chưa được làm rõ.