Tĩnh điện khi xay cà phê: vì sao vài giọt nước có thể làm espresso chảy chậm hơn?
Có một hiện tượng quen thuộc với người sử dụng máy xay cà phê: vừa xay xong, bột cà phê bay ra ngoài, bám vào thành cối, dính quanh miệng xả hoặc kết thành từng cụm nhỏ. Người pha thường xử lý bằng cách gõ nhẹ vào cối, chờ bột lắng xuống hoặc dùng chổi vệ sinh.
Nhưng những hạt bột đang bám vào nhau không chỉ tạo ra một vấn đề vệ sinh. Chúng có thể làm thay đổi cách các hạt cà phê phân bố trong giỏ lọc espresso, từ đó ảnh hưởng đến độ thấm của nước và tốc độ dòng chảy.
Nguyên nhân quan trọng nằm ở hiện tượng tích điện trong quá trình xay, một chủ đề đã được các nhóm nghiên cứu vật liệu và hóa học khảo sát bằng thiết bị đo điện tích, phân tích kích thước hạt và thử nghiệm pha espresso.
Điện tích xuất hiện trong máy xay từ đâu?
Khi hạt cà phê đi qua bộ nghiền, chúng không chỉ bị ép vỡ thành những mảnh nhỏ. Chúng còn va chạm và ma sát với bề mặt burr, với thành buồng nghiền và với những hạt cà phê khác.
Có hai cơ chế cần phân biệt:
- Triboelectrification: tích điện do tương tác và ma sát giữa các bề mặt vật liệu.
- Fractoelectrification: tích điện liên quan đến quá trình vật liệu bị nứt vỡ và hình thành bề mặt mới.
Trong nghiên cứu của Méndez Harper và cộng sự đăng trên Matter năm 2024, nhóm tác giả cho thấy phần lớn điện tích hình thành trong quá trình xay có liên quan đến các sự kiện phá vỡ hạt, thay vì chỉ do ma sát giữa bột cà phê với thành máy.
Điều này giải thích vì sao một số điều kiện xay tạo ra nhiều tĩnh điện hơn những điều kiện khác. Xay càng mịn thường tạo nhiều sự kiện phá vỡ và tiếp xúc hơn. Trong bộ dữ liệu của nghiên cứu, cà phê rang đậm có xu hướng tạo hạt mịn hơn và tích điện âm mạnh hơn cà phê rang sáng.
Độ ẩm bên trong hạt quan trọng hơn màu rang
Không nên chỉ nhìn màu rang để dự đoán lượng tĩnh điện. Nghiên cứu khảo sát khoảng 30 loại cà phê thương mại cho thấy độ ẩm còn lại bên trong hạt rang là một chỉ báo tốt hơn màu sắc Agtron trong việc giải thích độ lớn và dấu của điện tích.
Trong bộ mẫu được khảo sát, sự chuyển đổi từ trạng thái tích điện dương sang âm xuất hiện khi độ ẩm hạt rang giảm xuống dưới khoảng 2% theo khối lượng. Đây là kết quả thực nghiệm của nhóm mẫu nghiên cứu, không phải một ngưỡng vật lý áp dụng cứng cho mọi loại cà phê và mọi máy xay.
Điều này cũng cho thấy hai mẻ cà phê có cùng màu rang chưa chắc tạo ra cùng một trạng thái tĩnh điện. Lịch sử bảo quản, độ ẩm trước rang, đường cong rang và mức độ khô sau rang đều có thể làm thay đổi hành vi của hạt khi đi qua máy nghiền.
Khi bột cà phê kết tụ, nước gặp một lớp bột khác đi
Trong quá trình xay, các hạt mang điện có thể hút nhau và tạo thành những cụm kết tụ. Những cụm này làm thay đổi cách bột cà phê lấp đầy thể tích trong giỏ lọc.
Vấn đề không đơn giản là bột có nhiều hay ít hạt mịn. Khi các hạt mịn bị hút dính vào những hạt lớn hơn hoặc bám lại trong buồng nghiền, phân bố hạt thực sự đi vào giỏ lọc có thể khác với phân bố hạt được tạo ra ban đầu tại vùng burr.
Với espresso, nơi lớp bột được nén thành một khối có sức cản thủy lực đáng kể, thay đổi nhỏ trong cấu trúc lớp bột có thể ảnh hưởng đến độ thấm và diễn biến lưu lượng trong suốt quá trình chiết xuất.
Ross Droplet Technique: một lượng nước nhỏ có thể tạo khác biệt
Kỹ thuật thêm một ít nước lên hạt cà phê nguyên trước khi xay được gọi là Ross Droplet Technique (RDT). Thực hành này đã được một số barista sử dụng trước khi có nghiên cứu thực nghiệm giải thích cơ chế.
Trong nghiên cứu trên Matter, việc bổ sung nước lên hạt trước khi xay làm giảm điện tích và giảm hiện tượng các hạt nhỏ kết tụ với hạt lớn. Nhóm tác giả ghi nhận lượng nước khoảng 20 microlit trên mỗi gram cà phê có thể đưa mức điện tích về gần 0 trong một số điều kiện thử nghiệm.
Một nghiên cứu tiếp theo đăng trên iScience năm 2024 so sánh nhiều phương pháp giảm tĩnh điện, gồm chờ sau khi xay, thêm nước và sử dụng thiết bị ion hóa. Kết quả cho thấy việc thêm nước vào hạt nguyên trước khi xay vừa làm giảm điện tích vừa tác động đến phân bố hạt và lượng bột lưu lại trong máy. Trong nghiên cứu này, mức nước khoảng 20–30 microlit/g giúp giảm điện tích ít nhất 50–60% ở các mẫu được khảo sát.
Thí nghiệm espresso thay đổi như thế nào?
Điểm thú vị của nghiên cứu trên Matter là nhóm tác giả không dừng ở việc đo điện tích. Họ còn pha espresso với các thông số được giữ cố định để quan sát ảnh hưởng của bột cà phê đã được xử lý RDT.
| Thông số | Điều kiện thử nghiệm |
|---|---|
| Khối lượng cà phê | 18,0 g |
| Khối lượng đồ uống | 45,0 g |
| Nhiệt độ nước | 94°C |
| Áp suất nước | 7 bar |
| Pre-infusion | 2 giây |
Với cùng các thông số pha, mẫu được xay sau khi bổ sung nước có thời gian chiết xuất dài hơn gần 50%. TDS của espresso tăng từ 8,2% lên 8,9%.
Chênh lệch này tương đương 0,7 điểm phần trăm TDS, hay khoảng 8,5% nếu tính theo mức tăng tương đối. Đây là sự thay đổi về nồng độ chất hòa tan trong đồ uống, không phải bằng chứng rằng hương vị chắc chắn tốt hơn.
Nhóm nghiên cứu giải thích rằng khi điện tích giảm, các cụm hạt lớn và mịn bị phá vỡ hoặc sắp xếp lại. Nhiều hạt mịn vốn có xu hướng bám trong buồng nghiền được giải phóng, làm lớp bột trong giỏ lọc có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn và sức cản dòng chảy tăng lên.
Vì vậy, nước đi qua lớp bột chậm hơn. Tuy nhiên, nghiên cứu không thực hiện thử nếm cảm quan để chứng minh một profile hương vị cụ thể. TDS cao hơn chỉ cho biết đồ uống đậm đặc hơn trong điều kiện thử nghiệm.
Thử RDT tại quầy pha chế như thế nào?
Có thể bắt đầu bằng một thử nghiệm nhỏ, thay vì áp dụng ngay cho mọi loại cà phê và mọi máy xay:
- Cân chính xác liều cà phê nguyên hạt cần pha.
- Dùng bình phun sương sạch để thêm một lượng nước rất nhỏ lên hạt, không phun trực tiếp vào buồng nghiền.
- Trộn nhẹ để nước phân bố đều trên bề mặt hạt.
- Xay ngay sau khi làm ẩm.
- Giữ nguyên liều, cỡ xay, lực nén, nhiệt độ và tỷ lệ pha để so sánh với mẫu không sử dụng RDT.
- Ghi lại thời gian shot, khối lượng đồ uống, TDS và mức độ bột lưu lại trong máy.
Mức 20 microlit/g tương đương 0,02 ml/g. Với liều 18 g, lượng nước quy đổi khoảng 0,36 ml. Đây là phép quy đổi từ mức sử dụng trong nghiên cứu, không phải định lượng bắt buộc cho mọi bình phun hoặc máy xay.
Không nên tăng lượng nước tùy tiện. Trong nghiên cứu iScience, lượng nước quá cao có thể thúc đẩy hiện tượng kết tụ do lực mao dẫn. Độ ẩm tồn dư trong buồng nghiền cũng cần được quan sát để hạn chế nguy cơ đóng cặn, ăn mòn burr hoặc vệ sinh không đầy đủ.
RDT có phù hợp với mọi phương pháp pha?
Chưa thể kết luận như vậy. Các thử nghiệm được dẫn ở đây tập trung chủ yếu vào quá trình xay và pha espresso trên một cấu hình máy xay burr cụ thể. Chúng chưa chứng minh RDT mang lại cùng mức cải thiện đối với phin Việt Nam, V60, AeroPress hay French press.
Cũng cần phân biệt hai mục tiêu: giảm bột bám trong máy và cải thiện chất lượng cảm quan. Một phương pháp có thể giúp giảm tĩnh điện, giảm thất thoát bột hoặc làm shot chảy chậm hơn mà chưa chắc tạo ra tách cà phê được người thử nếm đánh giá cao hơn.
Đối với quán cà phê, cách kiểm tra hợp lý là chạy hai nhóm mẫu song song trên cùng một loại hạt, cùng máy xay và cùng công thức. Nếu RDT làm shot kéo dài, cần điều chỉnh lại cỡ xay hoặc các thông số chiết xuất theo mục tiêu đồ uống, thay vì giữ nguyên thời gian cũ bằng mọi giá.
Tĩnh điện không chỉ là chuyện bột cà phê bay ra ngoài và làm bẩn quầy. Nó là một biến số vật lý xuất hiện ngay trong buồng nghiền, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc lớp bột và sức cản dòng nước khi pha espresso.
Tham khảo thêm các chủ đề về máy xay, rang và chiết xuất tại Thư viện kiến thức cà phê SAVINA.
Tài liệu tham khảo
- Méndez Harper, J. và cộng sự (2024). Moisture-controlled triboelectrification during coffee grinding. Matter, 7(1), 266–283. https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005.
- Harper, J. M., Bumbaugh, R. E. & Hendon, C. H. (2024). Strategies to mitigate electrostatic charging during coffee grinding. iScience, 27(9), 110639. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.110639.