1. Cà phê hòa tan được tạo ra như thế nào?

Cà phê hòa tan không đơn giản là cà phê rang được nghiền thành bột mịn. Trong quy trình công nghiệp phổ biến, hạt cà phê rang được nghiền và chiết xuất bằng nước để thu dịch cà phê. Dịch này thường được lọc, cô đặc rồi đưa qua công đoạn sấy nhằm loại bỏ phần lớn nước, tạo ra sản phẩm có thể hoàn nguyên khi thêm nước.

Hai phương pháp sấy công nghiệp phổ biến là sấy phun (spray-drying) và sấy thăng hoa (freeze-drying). Cả hai đều biến dịch chiết cà phê thành sản phẩm khô, nhưng sử dụng cơ chế loại nước khác nhau.

Vì cấu trúc sản phẩm hình thành theo hai cơ chế khác nhau, hình thái hạt, độ xốp, khối lượng thể tích, khả năng thấm ướt và mức lưu giữ hợp chất hương cũng có thể khác nhau.

2. Sấy phun: Tạo hạt từ những giọt dịch chiết

2.1. Cơ chế truyền nhiệt và truyền khối

Trong máy sấy phun, dịch chiết cà phê được phân tán thành những giọt nhỏ nhờ đầu phun hoặc cơ cấu phun ly tâm. Các giọt tiếp xúc với dòng khí nóng, làm nước bay hơi nhanh và nồng độ chất rắn trong giọt tăng lên.

Khi quá trình sấy tiếp diễn, bề mặt giọt có thể hình thành một lớp vỏ giàu chất rắn. Hơi nước tiếp tục thoát ra qua lớp vật liệu này; tùy điều kiện sấy và tính chất dịch chiết, hạt thành phẩm có thể đặc, rỗng, lõm hoặc có cấu trúc phức tạp hơn.

Vì vậy, không chính xác nếu cho rằng mọi hạt cà phê sấy phun đều là hình cầu hoàn hảo với bề mặt nhẵn. Hình thái thực tế phụ thuộc vào thành phần dịch chiết, kích thước giọt, tốc độ bay hơi, điều kiện vận hành và quá trình kết tụ sau sấy.

2.2. Nhiệt độ khí nóng không đồng nghĩa với nhiệt độ hạt

Nhiệt độ khí đầu vào của máy sấy phun có thể ở mức cao, nhưng không thể lấy con số này làm nhiệt độ thực tế của toàn bộ giọt dịch hoặc hạt cà phê trong suốt quá trình sấy.

Khi nước bay hơi, một phần nhiệt được tiêu thụ cho quá trình chuyển pha. Do đó, nhiệt độ sản phẩm chịu ảnh hưởng của tốc độ bay hơi, độ ẩm còn lại, thời gian lưu và điều kiện truyền nhiệt. Nhiệt độ khí đầu ra cũng khác nhiệt độ khí đầu vào và khác với nhiệt độ vật liệu ở từng thời điểm.

3. Sấy thăng hoa: Giữ lại bộ khung xốp sau khi loại nước đá

3.1. Ba giai đoạn chính

Với sấy thăng hoa, dịch chiết cà phê được làm lạnh để nước đóng băng. Vật liệu đông lạnh sau đó được đưa vào buồng sấy có áp suất thấp. Trong giai đoạn sấy sơ cấp, nước đá thăng hoa trực tiếp thành hơi mà không đi qua trạng thái lỏng.

Sau khi phần lớn nước đá được loại bỏ, giai đoạn sấy thứ cấp giúp loại thêm một phần nước còn liên kết với nền chất rắn. Điều kiện nhiệt độ và áp suất phải được điều chỉnh phù hợp với đặc tính vật liệu nhằm hạn chế sự sụp đổ cấu trúc.

3.2. Vì sao sản phẩm thường có cấu trúc xốp?

Khi nước đá thăng hoa, vị trí mà các tinh thể đá chiếm giữ có thể trở thành các khoảng rỗng trong nền chất rắn. Hình dạng và sự liên thông của những khoảng rỗng này phụ thuộc vào tốc độ cấp đông, kích thước tinh thể đá, thành phần dịch chiết và điều kiện sấy.

Vì thế, cà phê hòa tan sấy thăng hoa thường có dạng hạt, mảnh hoặc phiến xốp thay vì bột mịn đồng nhất. Tuy nhiên, cấu trúc không hoàn toàn giống nhau giữa mọi sản phẩm và cũng không thể khẳng định thể tích luôn được bảo toàn tuyệt đối trong quá trình sấy.

Độ xốp cao có thể tạo thuận lợi cho hơi nước thoát ra khi sấy và giúp nước thấm vào sản phẩm khi hoàn nguyên. Dẫu vậy, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào kích thước và sự kết nối của lỗ xốp, mức độ kết tụ, độ ẩm cuối và cách bảo quản.

4. Cấu trúc vi mô quyết định khả năng hòa tan như thế nào?

Khi bột cà phê hòa tan tiếp xúc với nước, hiện tượng không chỉ là các hạt rắn biến mất ngay lập tức. Quá trình hoàn nguyên có thể được phân tích qua ba hiện tượng liên quan: thấm ướt, chìm và phân tán. Đây là cách mô tả thực hành hữu ích; trong thực tế, các hiện tượng có thể diễn ra chồng lấp chứ không nhất thiết tách biệt thành ba giai đoạn tuyệt đối.

4.1. Thấm ướt (Wetting)

Thấm ướt mô tả khả năng nước tiếp xúc và lan trên bề mặt vật liệu. Góc tiếp xúc, hóa học bề mặt, độ nhám, độ xốp và sự hiện diện của không khí trong các khoảng rỗng đều có thể ảnh hưởng đến quá trình này.

Với hạt có lỗ xốp liên thông, nước có thể đi sâu vào cấu trúc nhờ lực mao dẫn. Ngược lại, nếu nước chỉ làm ướt bề mặt ngoài hoặc các hạt kết tụ tạo thành lớp dính, phần bên trong có thể được làm ướt chậm hơn.

Tuy nhiên, không nên kết luận rằng hạt sấy phun luôn khó thấm nước vì có bề mặt nhẵn. Sấy phun có thể tạo hạt rỗng, và nhà sản xuất còn có thể sử dụng công đoạn tạo hạt kết tụ để cải thiện tính thấm ướt.

4.2. Chìm (Sinking)

Một hạt bột có thể nổi tạm thời nếu không khí bị giữ lại hoặc nước chưa xâm nhập đủ vào cấu trúc. Khi nước thấm vào, không khí thoát ra và khối lượng hiệu dụng của hạt thay đổi, giúp hạt dễ chìm hơn.

Khả năng chìm còn phụ thuộc vào kích thước hạt, khối lượng riêng, độ kết tụ, trạng thái bề mặt và sức căng bề mặt của dung môi. Vì vậy, hình thái xốp có thể hỗ trợ quá trình chìm nhưng không bảo đảm mọi hạt sấy thăng hoa đều chìm nhanh hơn mọi hạt sấy phun.

4.3. Phân tán và hòa tan (Dispersing and Dissolution)

Sau khi nước xâm nhập, các thành phần hòa tan của cà phê khuếch tán vào nước. Tốc độ hoàn nguyên phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc, đường đi của nước, mức độ kết tụ, nhiệt độ dung môi và đặc tính hóa lý của chất rắn.

Cà phê hòa tan được sản xuất để các thành phần có khả năng hòa tan phân tán vào nước. Những phần không hòa tan hoàn toàn, nếu có, có thể liên quan đến thành phần nguyên liệu hoặc điều kiện chế biến. Cấu trúc xốp có thể giúp tăng tốc độ thấm nước, nhưng không có nghĩa toàn bộ sản phẩm luôn tan tức thì chỉ cần khuấy nhẹ.

5. Tác động của công nghệ sấy đến hợp chất hương

Hương cà phê là kết quả của nhiều nhóm hợp chất bay hơi, trong đó có pyrazine, furan, aldehyde, ketone, ester, alcohol và nhiều hợp chất khác. Các chất này khác nhau về độ bay hơi, ngưỡng cảm nhận mùi, độ ổn định nhiệt và khả năng tương tác với nền chất rắn.

5.1. Sấy phun và nguy cơ thất thoát hợp chất bay hơi

Trong sấy phun, diện tích bề mặt lớn của các giọt dịch chiết và tốc độ bay hơi nhanh giúp rút ngắn thời gian sấy. Đồng thời, một số hợp chất hương dễ bay hơi có thể thoát khỏi giọt cùng với dòng hơi nước hoặc bị biến đổi trong điều kiện xử lý.

Mức tổn thất không chỉ do nhiệt độ. Nó còn phụ thuộc vào thời gian lưu, nồng độ chất rắn, thiết kế thiết bị, khả năng giữ hương của nền vật liệu và việc thu hồi hương trong dây chuyền.

5.2. Sấy thăng hoa và khả năng bảo toàn hương

Sấy thăng hoa thường được thực hiện ở nhiệt độ vật liệu thấp trong phần lớn giai đoạn loại nước đá. Điều này có thể hạn chế một số phản ứng phân hủy nhiệt và giảm thất thoát một số hợp chất hương so với các quy trình sấy dùng khí nóng.

Dù vậy, không chính xác nếu nói sấy thăng hoa giữ nguyên vẹn toàn bộ hương thơm. Các hợp chất bay hơi có thể bị mất trong những công đoạn trước khi sấy, như chiết xuất và cô đặc; chúng cũng có thể bị thất thoát hoặc biến đổi trong quá trình cấp đông, sấy và bảo quản.

5.3. Nghiên cứu thực nghiệm cho biết điều gì?

Chindapan và Puangngoen (2024) so sánh cà phê hòa tan Robusta được sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp. Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật HS-SPME/GC-MS để phân tích hợp chất hương bay hơi.

Trong các mẫu được khảo sát, tổng lượng hợp chất hương bay hơi còn lại sau sấy thăng hoa tương đương khoảng 75,98% và 73,39% lượng có trong dịch chiết cô đặc, lần lượt ở quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp. Với các mẫu sấy phun tương ứng, tỷ lệ này khoảng 50,11% và 45,13%.

Những con số này là kết quả của một nghiên cứu cụ thể, không phải tỷ lệ cố định cho mọi nhà máy, giống cà phê hay công thức sản phẩm. Chúng cũng không thể thay thế đánh giá cảm quan, bởi tổng lượng hợp chất bay hơi không phản ánh đầy đủ tỷ lệ từng chất, ngưỡng mùi và sự cân bằng của toàn bộ hương thơm.

Nguồn: Chindapan & Puangngoen (2024), Burapha Science Journal, 29(2), 647–671.

6. Bảng so sánh sấy phun và sấy thăng hoa

Bảng mô tả xu hướng phổ biến. Đặc tính thực tế có thể khác nhau tùy thiết bị, điều kiện vận hành, công thức dịch chiết và công đoạn xử lý sau sấy.

7. Vì sao cà phê sấy thăng hoa thường có giá cao hơn?

Sấy thăng hoa cần hệ thống làm lạnh, buồng chân không và thiết bị ngưng tụ hơi nước. Quá trình còn đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và áp suất qua nhiều giai đoạn. Thời gian xử lý thường dài hơn sấy phun, làm tăng yêu cầu về thiết bị, năng lượng và năng lực sản xuất.

Sấy phun có lợi thế về tốc độ, khả năng vận hành liên tục và năng suất cao. Những đặc điểm này khiến công nghệ phù hợp với sản xuất quy mô lớn, nơi chi phí trên mỗi đơn vị sản phẩm là yếu tố quan trọng.

Tuy nhiên, không nên đánh đồng công nghệ sấy với chất lượng tổng thể. Chất lượng cà phê hòa tan còn chịu ảnh hưởng của nguyên liệu, mức rang, công thức chiết xuất, quá trình cô đặc, thu hồi hương và điều kiện đóng gói, bảo quản.

8. Câu hỏi thường gặp

9. Công nghệ sấy định hình chất lượng cà phê hòa tan như thế nào?

Sấy phun và sấy thăng hoa là hai giải pháp loại nước có cơ chế vật lý khác nhau. Sấy phun dựa vào quá trình bay hơi nhanh từ giọt dịch chiết trong dòng khí nóng, còn sấy thăng hoa loại nước đá bằng cơ chế chuyển pha trực tiếp dưới áp suất thấp.

Sự khác biệt này góp phần tạo nên hình thái hạt, cấu trúc vi xốp, đặc tính hoàn nguyên và mức lưu giữ hợp chất hương khác nhau. Sấy thăng hoa thường có lợi thế về cấu trúc xốp và khả năng bảo toàn một số hợp chất hương nhạy nhiệt, trong khi sấy phun thường phù hợp với dây chuyền năng suất cao và tối ưu chi phí.

Để đánh giá một sản phẩm cà phê hòa tan, cần xem xét đồng thời cấu trúc vật lý, tốc độ hòa tan, thành phần hóa học, phân tích hương và kết quả cảm quan. Chỉ nhìn vào hình dạng hạt hoặc tên công nghệ sấy chưa đủ để kết luận chất lượng trong cốc.

Tài liệu tham khảo khoa học

1. Chindapan, N. & Puangngoen, C. (2024). Comparative Evaluation of Volatile Aroma Compounds Content of Freeze-Dried and Spray-Dried Instant Coffees. Burapha Science Journal, 29(2), 647–671. Đọc nghiên cứu .
2. Ishwarya, S. P. & Anandharamakrishnan, C. (2015). Spray-Freeze-Drying approach for soluble coffee processing and its effect on quality characteristics. Journal of Food Engineering, 149, 171–180. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2014.10.011 . Nghiên cứu này khảo sát thêm phương pháp sấy phun - cấp đông - thăng hoa (spray-freeze-drying), không đồng nhất với sấy phun thông thường.
3. Ghirisan, A. & Miclaus, V. (2017). Comparative Study of Spray-Drying and Freeze-Drying on the Soluble Coffee Properties. Studia Universitatis Babeș-Bolyai Chemia, 62(4), 309–316. DOI: 10.24193/subbchem.2017.4.26 .
4. Lin, J. A. và cộng sự (2026). Comparison of freeze-drying and spray-freeze-drying coffee with different roast degrees. Ciencia e Agrotecnologia, 50, e025725. DOI: 10.1590/1413-7054202650025725 . Nghiên cứu này so sánh sấy thăng hoa với sấy phun - cấp đông - thăng hoa, không phải phép so sánh trực tiếp giữa sấy thăng hoa thông thường và sấy phun thông thường.

Lưu ý phương pháp: các tỷ lệ lưu giữ hợp chất hương được trích dẫn ở trên thuộc những nghiên cứu và điều kiện thí nghiệm cụ thể. Không nên sử dụng chúng như thông số tiêu chuẩn áp dụng cho mọi dây chuyền sản xuất cà phê hòa tan.