1. Acid chlorogenic là gì?

Acid chlorogenic (CGA, viết tắt của chlorogenic acids) là tên gọi chung cho một nhóm hợp chất phenolic có mặt tự nhiên trong cà phê. Về cấu trúc, nhiều hợp chất thuộc nhóm này được hình thành từ acid quinic liên kết với các acid hydroxycinnamic, phổ biến nhất là acid caffeic.

Trong cà phê nhân xanh, nhóm caffeoylquinic acids (CQA) chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng lượng CGA. Một thành phần thường được nghiên cứu là 5-caffeoylquinic acid (5-CQA), bên cạnh các đồng phân 3-CQA và 4-CQA. Hạt cà phê cũng chứa những nhóm liên quan như dicaffeoylquinic acids và feruloylquinic acids.

Hàm lượng CGA ban đầu phụ thuộc vào loài và giống cà phê, nguồn gốc, điều kiện canh tác, độ chín, sơ chế và bảo quản. Vì vậy, hai mẫu Arabica hoặc hai mẫu Robusta khác nhau có thể không bắt đầu quá trình rang với cùng một hàm lượng CGA.

2. First Crack thực sự đánh dấu điều gì?

First Crack, hay nổ lần một, là giai đoạn hạt cà phê phát ra những tiếng nổ khi cấu trúc bên trong biến đổi và áp suất do hơi nước cùng các khí tích tụ tăng lên. Quá trình này thường đi kèm sự giãn nở của hạt, thay đổi độ xốp và sự giải phóng khí.

First Crack có giá trị thực tiễn đối với thợ rang vì nó cung cấp một tín hiệu âm thanh và vận hành để theo dõi tiến trình của mẻ rang. Tuy nhiên, đây không phải một công tắc hóa học khiến tất cả phản ứng phân hủy chỉ bắt đầu tại thời điểm đó.

First Crack có xảy ra ở 196–207°C không?

Khoảng nhiệt độ này có thể xuất hiện trong một số hồ sơ rang, nhưng không nên xem là ngưỡng cố định. Nhiệt độ ghi trên máy phụ thuộc vào vị trí đầu dò, thiết kế máy, tốc độ truyền nhiệt, khối lượng mẻ rang và cách đo. Nhiệt độ hiển thị cũng không nhất thiết bằng nhiệt độ đồng nhất bên trong toàn bộ hạt.

Vì vậy, khi ghi chép một thí nghiệm, cần phân biệt rõ nhiệt độ đầu dò, thời điểm bắt đầu First Crack, thời gian phát triển sau First Crack và mức rang cuối cùng. Không thể chỉ dựa vào một con số nhiệt độ để xác định chính xác mức phân hủy CGA.

3. Cơ chế biến đổi của acid chlorogenic khi rang

Trong quá trình rang, CGA không chỉ biến mất khỏi hạt mà còn tham gia nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Các con đường đã được nghiên cứu bao gồm đồng phân hóa, di chuyển nhóm acyl, tạo lactone, khử nước và những phản ứng thứ cấp với các thành phần khác của hạt.

3.1. Đồng phân hóa và di chuyển nhóm acyl

Đồng phân hóa làm thay đổi cách sắp xếp cấu trúc trong phân tử mà không nhất thiết làm thay đổi công thức phân tử. Di chuyển nhóm acyl làm thay đổi vị trí của nhóm liên kết trong cấu trúc CGA.

Những biến đổi này quan trọng vì các đồng phân khác nhau có thể có độ ổn định nhiệt và xu hướng chuyển hóa khác nhau. Do đó, việc đo một dạng CGA riêng lẻ không đủ để mô tả toàn bộ diễn biến của nhóm hợp chất này khi rang.

3.2. Hình thành chlorogenic acid lactones

Một con đường chuyển hóa quan trọng là sự hình thành chlorogenic acid lactones (CGL). Đây là những sản phẩm có cấu trúc vòng lactone, được tạo ra từ các tiền chất chlorogenic acid thông qua những phản ứng nội phân tử trong điều kiện rang.

Nghiên cứu của Farah và cộng sự công bố năm 2005 đã xác định nhiều chlorogenic acid lactones trong Arabica và Robusta bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và các chất chuẩn tổng hợp. Trong những điều kiện được khảo sát, một số lactone đạt hàm lượng cao nhất ở mức rang nhẹ đến vừa, thay vì tiếp tục tăng đều khi rang đậm hơn.

Kết quả này cho thấy cần phân biệt hai đại lượng: lượng CGA gốc còn lại và lượng sản phẩm lactone được tạo ra. CGA giảm không có nghĩa mọi sản phẩm chuyển hóa đều tăng liên tục theo cùng một tỷ lệ.

3.3. Hình thành acid quinic, acid caffeic và các sản phẩm thứ cấp

Acid quinic và acid caffeic có liên quan đến hóa học của chlorogenic acids. Tuy nhiên, không nên mô tả rằng mọi phân tử CGA đều bị cắt hoàn toàn thành hai acid này tại First Crack. Sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào cấu trúc hợp chất ban đầu và điều kiện phản ứng.

Khi quá trình rang tiếp tục, các hợp chất trung gian có thể tham gia thêm những phản ứng phân hủy, oxy hóa hoặc tương tác với các thành phần khác. Những phản ứng đó diễn ra đồng thời với các biến đổi của đường, amino acid và polysaccharide trong hạt.

3.4. Tương tác với các thành phần khác của hạt

Hạt cà phê là một hệ hóa học phức tạp. Trong quá trình rang, các sản phẩm từ CGA có thể tham gia hoặc tương tác với những phản ứng liên quan đến carbohydrate và protein. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp khối phổ đã ghi nhận nhiều nhóm sản phẩm có cấu trúc phức tạp được hình thành trong quá trình rang.

Đây là lý do không nên quy toàn bộ sự hình thành màu nâu, hương rang hoặc thay đổi hoạt tính chống oxy hóa cho riêng một phản ứng phân hủy CGA.

4. Hàm lượng CGA giảm bao nhiêu tại First Crack?

Hàm lượng CGA thường giảm khi mức rang tăng. Tuy nhiên, tỷ lệ suy giảm tại thời điểm kết thúc First Crack không phải một hằng số áp dụng cho mọi giống cà phê, máy rang và hồ sơ nhiệt.

Một số nghiên cứu về biến đổi hợp chất sinh học trong quá trình chế biến cà phê đã ghi nhận mức giảm đáng kể của chlorogenic acids khi rang. Mức giảm cụ thể khác nhau giữa các mẫu và điều kiện thực nghiệm. Chẳng hạn, một tổng quan về biến đổi hợp chất sinh học trong chuỗi chế biến cà phê tổng hợp các kết quả cho thấy mức suy giảm ở rang nhẹ có thể khác đáng kể giữa các mẫu cà phê; mức rang đậm thường làm giảm CGA mạnh hơn.

Khối lượng hạt có thể làm sai lệch cách hiểu về tỷ lệ suy giảm

Trong quá trình rang, hạt mất nước và các chất bay hơi, khiến khối lượng giảm. Vì vậy, hàm lượng tính trên mỗi gram hạt rang có thể khác với tổng lượng hợp chất còn lại trong cả mẻ.

Muốn so sánh chính xác trước và sau rang, cần xác định cơ sở tính toán, chẳng hạn khối lượng khô, khối lượng mẫu hoặc tổng lượng hợp chất trong lượng hạt ban đầu. Nếu bỏ qua sự thay đổi khối lượng, có thể diễn giải sai mức độ suy giảm của CGA.

5. CGA và các sản phẩm chuyển hóa ảnh hưởng đến hương vị thế nào?

5.1. Vị đắng và chlorogenic acid lactones

Chlorogenic acid lactones là những hợp chất có vai trò đáng kể đối với vị đắng của cà phê rang. Nghiên cứu hóa học cho thấy hàm lượng của một số lactone đạt đỉnh ở mức rang nhẹ đến vừa trong các điều kiện khảo sát.

Tuy nhiên, vị đắng của cà phê không chỉ đến từ lactone. Caffeine, các sản phẩm chuyển hóa khác của CGA và những hợp chất hình thành trong quá trình rang đều có thể đóng góp vào cảm nhận tổng thể. Vì vậy, không thể dùng riêng lượng CGA còn lại để dự đoán độ đắng của một tách cà phê.

5.2. Vị chua và acid hữu cơ

Vị chua cảm nhận phụ thuộc vào loại acid, nồng độ, khả năng đệm của đồ uống, mức độ chiết xuất và sự tương tác giữa các hợp chất vị. Acid quinic là một thành phần liên quan đến hóa học của CGA, nhưng không thể kết luận rằng acid quinic luôn tạo ra vị chua dễ chịu hoặc hậu vị sảng khoái.

Ở cùng một mức rang, hai loại hạt có thể khác nhau đáng kể về vị chua do giống, nguồn gốc, sơ chế và thành phần acid ban đầu. Công thức pha và tỷ lệ chiết xuất cũng ảnh hưởng đến cảm giác chua trong tách cà phê.

5.3. Hương thơm và màu sắc

Hương thơm cà phê rang hình thành từ nhiều nhóm phản ứng, trong đó có phản ứng Maillard, phân hủy nhiệt và các phản ứng liên quan đến đường, amino acid và những tiền chất khác. Màu nâu của hạt cũng là kết quả của nhiều biến đổi hóa học chứ không phải chỉ do CGA phân hủy.

Do đó, việc kéo dài thời gian rang sau First Crack có thể làm thay đổi đồng thời độ phát triển của hương, độ đắng, độ chua và cấu trúc cảm quan. Hướng thay đổi cụ thể cần được xác nhận bằng thử nếm, thay vì suy ra chỉ từ một hợp chất.

6. Những yếu tố ảnh hưởng đến mức suy giảm CGA

6.1. Loài và giống cà phê

Robusta thường có hàm lượng CGA ban đầu cao hơn Arabica, nhưng mức chênh lệch phụ thuộc vào giống, vùng trồng và điều kiện canh tác. Điều này có nghĩa Robusta có thể bắt đầu với lượng CGA cao hơn, nhưng không tự động bảo đảm rằng nó sẽ giữ lại nhiều CGA hơn sau mọi hồ sơ rang.

6.2. Độ ẩm, kích thước và mật độ hạt

Đặc tính vật lý của hạt ảnh hưởng đến cách nhiệt truyền từ môi trường rang vào bên trong. Độ ẩm ban đầu, kích thước, mật độ và cấu trúc hạt đều có thể làm thay đổi lịch sử nhiệt của nhân cà phê.

Phương pháp sơ chế cũng có thể ảnh hưởng đến thành phần hóa học và đặc tính vật lý ban đầu. Tuy nhiên, muốn xác định tác động riêng của sơ chế lên tốc độ suy giảm CGA, cần so sánh các mẫu trong điều kiện rang được kiểm soát.

6.3. RoR và thời gian phát triển

RoR (Rate of Rise) là tốc độ tăng nhiệt được suy ra từ dữ liệu đầu dò của máy rang. Đây là chỉ số vận hành hữu ích để theo dõi diễn biến nhiệt, nhưng không phải phép đo trực tiếp tốc độ phân hủy CGA.

Hai mẻ rang có cùng nhiệt độ kết thúc nhưng khác nhau về RoR, thời gian phát triển và phân bố nhiệt có thể tạo ra thành phần hóa học khác nhau. Tuy vậy, không thể khẳng định một mẻ có RoR thấp luôn làm mất nhiều CGA hơn mẻ có RoR cao nếu chưa có dữ liệu thực nghiệm so sánh.

6.4. Mức rang cuối cùng

Mức rang là một yếu tố quan trọng liên quan đến lượng CGA còn lại. Nhìn chung, CGA giảm khi rang tiến triển từ nhẹ đến đậm. Nhưng mức rang cần được đánh giá bằng nhiều thông tin như màu hạt, hao hụt khối lượng, hồ sơ nhiệt và phương pháp đo, thay vì chỉ dùng nhiệt độ đầu dò.

7. Cách kiểm chứng CGA trong nghiên cứu rang cà phê

Nếu mục tiêu là xác định mức suy giảm CGA tại First Crack, cần thiết kế thí nghiệm thay vì suy luận trực tiếp từ đường cong nhiệt.

1. Chuẩn hóa nguyên liệu: sử dụng cùng lô hạt, ghi rõ giống, nguồn gốc, sơ chế, độ ẩm và các đặc tính quan trọng.
2. Lấy mẫu theo các giai đoạn: lấy mẫu hạt nhân xanh, mẫu trước First Crack, mẫu tại các thời điểm xác định quanh First Crack và mẫu ở mức rang cuối.
3. Ghi lại hồ sơ nhiệt: lưu nhiệt độ đầu dò, thời điểm First Crack, RoR, thời gian phát triển và hao hụt khối lượng.
4. Định lượng hợp chất: dùng phương pháp phù hợp như HPLC để xác định các CGA riêng lẻ và, khi có thể, các sản phẩm lactone.
5. Chuẩn hóa cơ sở so sánh: ghi rõ kết quả tính theo khối lượng khô, khối lượng mẫu hay tổng lượng hợp chất để tránh nhầm lẫn do hạt mất nước.
6. Đánh giá cảm quan riêng: thử nếm mẫu theo điều kiện nhất quán và không xem kết quả cảm quan là phép đo trực tiếp hàm lượng CGA.

Phân tích HPLC giúp xác định lượng các hợp chất mục tiêu, trong khi phép thử tổng phenolic thường phản ánh phản ứng của nhiều chất trong mẫu. Hai loại kết quả này không thể thay thế trực tiếp cho nhau.

8. Những kết luận quan trọng dành cho thợ rang

• First Crack là một mốc vận hành quan trọng, không phải ranh giới duy nhất của phản ứng hóa học.
• Không có một nhiệt độ First Crack phổ quát áp dụng cho mọi máy rang và mọi loại hạt.
• CGA giảm khi rang tiến triển, nhưng mức suy giảm tại một mốc cụ thể cần được xác minh bằng dữ liệu phù hợp.
• Chlorogenic acid lactones là sản phẩm chuyển hóa quan trọng, góp phần tạo vị đắng và có diễn biến hàm lượng riêng theo mức rang.
• Vị chua, vị đắng và hương thơm là kết quả tổng hợp của nhiều hợp chất, không thể dự đoán chỉ bằng một chỉ số CGA.
• RoR, thời gian phát triển và nhiệt độ kết thúc giúp mô tả hồ sơ rang, nhưng không trực tiếp định lượng sự phân hủy CGA.

9. Kết luận

Acid chlorogenic trải qua nhiều biến đổi hóa học trong quá trình rang cà phê, bao gồm đồng phân hóa, di chuyển nhóm acyl, tạo lactone và những phản ứng thứ cấp khác. Các biến đổi này góp phần làm thay đổi thành phần phenolic và đặc tính cảm quan của hạt.

First Crack giúp thợ rang theo dõi tiến trình mẻ rang, nhưng không thể dùng riêng thời điểm này hoặc nhiệt độ hiển thị để xác định chính xác lượng CGA đã phân hủy. Các tỷ lệ suy giảm cần được gắn với nghiên cứu cụ thể, phương pháp định lượng và điều kiện thực nghiệm.

Đối với thực hành rang, cách tiếp cận đáng tin cậy nhất là kết hợp dữ liệu hồ sơ nhiệt, hao hụt khối lượng, đánh giá cảm quan và phân tích hóa học khi cần. Điều đó giúp xây dựng mối liên hệ có cơ sở giữa mức rang, sản phẩm chuyển hóa và hương vị trong tách cà phê.

Tài liệu tham khảo khoa học

1. Farah, A. và cộng sự (2005). Effect of Roasting on the Formation of Chlorogenic Acid Lactones in Coffee. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(5), 1505–1513. https://doi.org/10.1021/jf048701t

   Nghiên cứu về sự hình thành chlorogenic acid lactones trong Arabica và Robusta ở các mức rang khác nhau.

2. Understanding the fate of chlorogenic acids in coffee roasting using mass spectrometry based targeted and non-targeted analytical strategies (2012). Food & Function. https://doi.org/10.1039/c2fo10260a

   Nghiên cứu sử dụng khối phổ để khảo sát các con đường chuyển hóa của chlorogenic acids trong quá trình rang.

3. From Plantation to Cup: Changes in Bioactive Compounds during Coffee Processing (2021). Đọc toàn văn trên PubMed Central

   Tổng quan về sự thay đổi các hợp chất sinh học trong các giai đoạn chế biến cà phê, bao gồm tác động của mức rang đến chlorogenic acids.

4. Role of Chlorogenic Acids in Controlling Oxidative and Inflammatory Stress Conditions (2016). Đọc toàn văn trên PubMed Central

   Tổng quan về cấu trúc, các nhóm chlorogenic acids và hoạt tính sinh học được nghiên cứu.

5. Thermal Contaminants in Coffee Induced by Roasting: A Review (2023). Đọc toàn văn trên PubMed Central

   Tổng quan về các phản ứng nhiệt và biến đổi hóa học diễn ra trong quá trình rang cà phê.