Mục lục
6. Thay đổi Vật lý
Thông tin chung
Không giống như những thay đổi về mặt hóa học, những thay đổi vật lý của hạt cà phê trong quá trình rang về màu sắc, khối lượng, hình thức, sự mất nước và trọng lượng rất dễ nhận biết và dễ đo lường.
Kết quả của quá trình rang, phần lớn nước có trong cà phê nhân bay hơi, hạt cà phê nở ra và màu sắc của hạt thay đổi. Lớp vỏ mỏng của hạt sẽ tự bong ra khỏi hạt cà phê.
Sự mất nước và giãn nở thể tích của hạt cà phê làm cho mô tế bào trở nên khô và giòn. Điều này giúp giảm bớt việc nghiền hạt cà phê và tăng khả năng chiết xuất.
Hình thức/Cấu trúc
Hình dạng của hạt cà phê nhìn chung giống hình bán elip.
So với hạt Arabica thì hạt Robusta khi nhìn mặt phẳng của hạt có phần tròn trịa hơn. Hạt ngọc trai có hình dạng tương ứng hơn với hình elip đầy đủ. Đậu ngọc trai có nguồn gốc từ quả anh đào một hạt. Không thể đưa ra tuyên bố về việc sắp xếp dựa trên kích thước hạt. Hiện nay, ngay cả Robusta đậu lớn cũng đang được cung cấp.
Mặt cắt ngang của trục dọc cho thấy cấu trúc đặc biệt của hạt cà phê.
Mô lá mầm có phôi ở giữa cuộn lại như nắm tay. Bởi vì điều này, một phần bề mặt đậu nằm trong cái gọi là “vùng bóng” và không có khả năng tiếp xúc trực tiếp. Vết khía thể hiện một kết nối mở ~ trên mặt phẳng của hạt cà phê.
Ở cà phê vùng cao, khía được đóng lại và cấu trúc hạt bên trong chắc chắn hơn so với cà phê trồng ở vùng trũng. Cà phê vùng cao tất yếu có độ đậm đặc hơn.
Dải mô có nguồn gốc từ phôi có hai lớp và được ngăn cách bởi “chất nhầy”, một lớp nhớt. Ở trạng thái cà phê xanh, cả hai lớp nằm gần nhau. Khoảng cách giữa hai lớp này có thể tăng lên do áp suất tăng cao trong quá trình rang. Lớp vỏ bạc ở bề mặt bên ngoài của hạt cà phê có thể nhận biết rõ ràng. Nó nằm vững chắc trên mô tế bào.
Lớp vỏ bạc ở rãnh đậu không tạo thành mối liên kết chắc chắn với mô tế bào. Phần da lỏng lẻo ít nhiều được giữ bởi dạng cong của rãnh.
Mô của hạt cà phê (nhu mô) được cấu tạo từ nhiều tế bào. Hình ảnh hiển vi của một miếng hạt cà phê cho thấy cấu trúc tế bào phức tạp với nhiều khoang rỗng.
Lõi tế bào được bao bọc trong một màng tế bào mỏng, bán thấm và được bao bọc bởi một thành tế bào rắn chắc giống như cellulose. Tế bào chất bao quanh lõi về bản chất chứa các chất đã được nêu tên trong phần “Cà phê xanh”. Cấu trúc tế bào nhỏ gọn hơn có thể nhìn thấy rõ ở mép ngoài của hạt cà phê.
Việc phóng to được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét giúp nhìn rõ hơn các tế bào của hạt cà phê. Một hạt cà phê Arabica tình cờ bao gồm khoảng 1 triệu tế bào đơn lẻ. Mỗi một tế bào trong số này đều đóng góp vào kết quả cuối cùng.
Hình dạng của hạt cà phê không thay đổi đáng kể khi rang. Sự giãn nở về thể tích khi rang làm cho mặt tròn của hạt cà phê cong lại theo chiều giãn nở theo chiều dọc và phóng to vết khía. Ở cà phê vùng cao, rãnh kéo mở ra chậm hơn trong quá trình rang và hoàn toàn ít hơn so với cà phê từ các vùng trũng.
Ở hạt cà phê xanh, bề mặt ở mặt khía thường hơi lõm vào. Do áp suất tích tụ trong các tế bào trong quá trình rang, các bề mặt này tạo thành một bề mặt bằng phẳng hơn.
Trong quá trình rang và thông qua việc hình thành hơi nước và khí (chủ yếu là carbon dioxide), áp suất tích tụ cao bên trong các tế bào. Khối lượng tế bào mở rộng. Do sự mở rộng của ngoại vi tế bào, thành tế bào trở nên mỏng hơn và các vi lỗ chân lông lớn hơn. Hơn nữa, phần ngoại vi đã trở nên giòn hơn do mất nước. Bên trong tế bào, trạng thái cân bằng phát triển giữa áp suất tích tụ và tính thấm của cấu trúc tế bào.
Nếu áp suất bên trong tế bào trở nên quá lớn, hỗn hợp khí sẽ tìm đường thoát ra ở những điểm yếu nhất của hạt cà phê. Ở một mức độ rang cụ thể, có thể nhận thấy tiếng nứt rõ ràng. Tại khu vực có điểm yếu, các phần hạt đôi khi bị thổi bay đột ngột, tạo ra âm thanh nứt điển hình. Những điểm yếu nhất này thường được tìm thấy ở mặt phẳng của hạt cà phê. Các vết nứt chân tóc hình thành ở khu vực này. Nếu áp lực đặc biệt cao, các vết nứt chân tóc có thể mở rộng và lộ rõ. Những vết nứt này được tìm thấy đặc biệt ở phần khía của hạt đậu và ở mép bên.
Hơn nữa, trong quá trình rang, vết nứt thứ hai có thể xảy ra, đặc biệt là ở mức độ rang tối. Tiếng nứt đầu tiên có thể nghe được phần lớn là do hơi nước thoát ra, tuy nhiên, tiếng nứt thứ hai chủ yếu được gây ra thông qua sự hình thành carbon dioxide.
Màu sắc
Màu sắc thay đổi trong quá trình rang tùy thuộc vào loại cà phê và khả năng xử lý trước. Đối với cà phê trồng ở vùng cao, trình tự chuyển màu từ xanh sang vàng, nâu vàng, nâu nhạt, nâu sẫm đến nâu đen. Cà phê mọc ở vùng đất thấp trước tiên có màu nhạt, gần như không màu trước khi chuyển sang màu vàng. Sự thay đổi màu sắc từ xanh dịu sang vàng ở cà phê vùng cao và nhạt màu ở cà phê vùng thấp là sự thay đổi theo hướng có vẻ ngoài nhẹ nhàng hơn.
Màu vàng bắt đầu vào khoảng. 130°C. Từ giai đoạn này trở đi, sự thay đổi dần dần từ sáng sang tối diễn ra. Trong phạm vi từ màu vàng đến nâu nhạt, bề mặt hạt có thể không đều và lốm đốm, đặc biệt ở những loại cà phê trồng ở vùng đất thấp. Trong quá trình rang tiếp theo, điều này sẽ tự đồng đều trở lại và bề mặt của những hạt cà phê đó sẽ có vẻ ngoài đều đặn.
Màu sắc của cà phê rang là dấu hiệu cho biết mức độ rang và có thể giúp người vận hành quản lý, kiểm soát quá trình rang. Mức độ rang là một tiêu chí cực kỳ quan trọng để đánh giá chất lượng của cà phê. Các nhà sản xuất cà phê đặt ra mức độ rang rất cụ thể cho mọi sản phẩm được cung cấp trên thị trường. Mức độ rang được chúng tôi thực hiện dựa trên nghiên cứu thị trường, nhiều năm kinh nghiệm và các bài kiểm tra cảm quan chuyên sâu.
Chỉ riêng màu sắc của bề mặt hạt, mặc dù hữu ích như một thông số tham khảo cho quá trình rang, nhưng không cho phép đưa ra tuyên bố rõ ràng về toàn bộ mức độ rang. Nhiệt độ khác nhau bên trong hạt cà phê có thể dẫn đến việc rang đồng đều và kỹ lưỡng không diễn ra. Đặc biệt đối với thời gian rang rất ngắn, có thể dự đoán rằng màu sắc ở lõi hạt sẽ nhạt hơn bề mặt hạt. Hơn nữa, bề mặt hạt cà phê sáng bóng do dầu thoát ra có thể ảnh hưởng đến việc đánh giá màu sắc.
Vì lý do này, mối quan hệ giữa mức độ rang và mặt khác giá trị màu sắc chỉ có ý nghĩa khi đánh giá cà phê ở trạng thái xay.
Không có tiêu chuẩn, tức là quy trình đo lường tiêu chuẩn hóa, để xác định màu sắc của cà phê rang. Các thuật ngữ như “nhạt”, “trung bình”, “đậm, v.v., mặc dù chúng cho phép phân loại sơ bộ các mức độ rang nhưng không đủ để đưa ra các tuyên bố định tính và kinh tế, tức là đánh giá.
Các mức độ rang và giá trị màu được đề cập trong chương này đều đề cập đến kết quả được đo bằng mẫu dụng cụ đo màu Colorettc 3a do hy PROBAT-WERKE, D-Emmerich sản xuất. Bảng dưới đây cho phép sử dụng hợp lý các giá trị thang đo này. Để làm được điều này, các thuật ngữ trong Chỉ định rang SCAA được so sánh với các giá trị đo lường của Colorette 3a. Các giá trị màu sắc đề cập đến cà phê xay sau quá trình xử lý mẫu nội bộ theo tiêu chuẩn Prohat.
SCAA THỬ NGHIỆM·WERKE
Chỉ định rang Colorette 3a
rất nhẹ 140
ánh sáng 120
mod. ánh sáng 110
ánh sáng trung bình 95
trung bình 80
mod. tối 70
tối 55
rất tối 45
Khối lượng
Khối lượng của hạt cà phê tăng lên trong quá trình rang. Kết quả là kích thước của hạt đậu thay đổi ít nhiều tỷ lệ thuận với chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Thông qua sự hình thành hơi nước và khí đốt, có nhiệt độ cao. áp suất tích tụ bên trong tế bào hạt khiến hạt cà phê phồng lên. Tính thấm của ngoại vi tế bào, tức là độ xốp, không đủ để cho phép lượng hơi nước và khí thoát ra hoàn toàn trước khi áp suất tăng lên. Cấu trúc hạt, độ ẩm của cà phê nhân và đặc tính nhiệt độ của cà phê trong quá trình rang có ảnh hưởng quyết định đến độ nở của hạt. Tùy thuộc vào loại cà phê, thời gian rang và mức độ rang, khối lượng tăng lên có thể tăng hơn gấp đôi.
Quá trình thay đổi âm lượng cũng liên quan đến việc sắp xếp. Những loại cà phê được gọi là “cứng” như cà phê Kenya, có lực cản cao hơn, khiến thể tích tăng chậm hơn khi bắt đầu rang so với cà phê “mềm”.
Hình (Hình 13) cho thấy khối lượng tăng theo tỷ lệ của hạt cà phê đối với các loại cà phê Santos, Kenya và Columbia trong quá trình rang.
Hình 13 Sự Nở Ra Của Hạt Cà Phê Trong Quá Trình Rang
Ảnh hưởng của thời gian rang đến khối lượng hạt cà phê rang trở nên rõ ràng hơn qua một hình khác (Hình 14). Khối lượng cà phê Santos được rang trong thời gian rang hai phút ở mức độ rang 108 độ tăng lên khoảng 89%. Thể tích của cùng một loại cà phê được rang ở cùng một mức độ rang nhưng với thời gian rang lâu hơn 10 phút sẽ tăng lên khoảng. 72 %. Tất cả các loại cà phê đều có xu hướng giảm thể tích khi thời gian rang kéo dài và tăng thể tích khi thời gian rang rút ngắn. Giá trị khối lượng tuyệt đối và các biến số ảnh hưởng tuyệt đối đến việc mở rộng khối lượng do thay đổi thời gian rang gây ra phụ thuộc rất nhiều vào cách phân loại.
Hình 14 Ảnh Hưởng Của Thời Gian Rang đến Khối Lượng Hạt Cà Phê Rang
Thể tích của một hạt cà phê nhân có chiều dài 8,6 mm, chiều rộng 6,7 mm và chiều cao 4 mm được tính là 120 mm3 • Kích thước riêng lẻ sau khi rang mở rộng lên chiều dài 10,5 mm, chiều rộng 8 mm và chiều cao 5 mm. Thể tích hạt rang hiện nay lên tới khoảng 220 mm3, nghĩa là thể tích tăng 83%.
Sự giãn nở về thể tích làm cho lớp vỏ bạc trên bề mặt bên ngoài của hạt bị bong ra. Sự chênh lệch độ giãn nở giữa bề mặt hạt và vỏ gây ra sức căng, khiến vỏ hạt bị rách và bong ra.
Thể tích:
Để tìm hiểu sâu hơn về chủ đề “sự giãn nở thể tích”, bạn nên xem xét một khía cạnh đặc biệt: “nhiệt độ chuyển thủy tinh”. Những gì được mô tả là độ đặc của hạt cà phê và các điều kiện đi kèm theo đó nó có thể nở ra dễ dàng hay khó khăn hơn. Để làm được điều này, các thông số về “nhiệt độ” của hạt cà phê và các thông số về “hàm lượng nước” của nó được đặt trong một mối quan hệ.
Tùy thuộc vào nhiệt độ cà phê và độ ẩm của hạt cà phê, chúng ở trạng thái giống như thủy tinh (cứng) hoặc giống như cao su (da). Sự chuyển đổi từ trạng thái giống thủy tinh sang trạng thái giống cao su được định nghĩa là ”nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh”. Ví dụ, đối với hàm lượng nước đậu là 12%, quá trình chuyển đổi từ giống thủy tinh sang giống cao su đạt được ở khoảng 100 °C. Đối với hàm lượng nước là 4 %, nhiệt độ chuyển tiếp nằm ở khoảng 140°C. Ví dụ: nếu trong quá trình rang, hạt cà phê có hàm lượng nước này có nhiệt độ là 150°C, thì nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh. vượt quá đường cong và hạt sẽ ở trạng thái giống như cao su.
Để có thể mô tả hàm lượng nước trong hình sau (Hình 15), giá trị hàm lượng nước đã được tăng lên gấp 10 lần.
Hình 15 Trình Tự Rang (mật độ Khốichuyển đổi Thủy Tinh; Loại Cà Phê Columbia)
Như có thể thấy rõ trong hình (Hình 15), quá trình giãn nở thể tích cần thiết của hạt cà phê bắt đầu sau khi vượt quá nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh. Sự giãn nở thể tích là kết quả của giá trị chìm của mật độ khối. Mối quan hệ này được giải thích trong Chương 6.6 “Mật độ”. Trong phạm vi trên nhiệt độ chuyển thủy tinh, sự giãn nở được tạo điều kiện thuận lợi nhờ trạng thái da của sản phẩm. Do đó, hạt cà phê ít nhạy cảm hơn với việc bị vỡ trong quá trình rang. Nhiệt độ chuyển thủy tinh không bị giảm xuống mức thấp cho đến khi quy trình làm mát và trạng thái cứng của đậu được phục hồi.
Sự vỡ hoặc phá hủy tế bào có thể xảy ra nếu nhiệt độ quá cao. Cũng giống như nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, quá trình nhiệt độ phân hủy phụ thuộc vào độ ẩm của cà phê rang. Xin nhắc lại, đối với độ ẩm còn lại trong cà phê là 4%, đường cong chuyển hóa thủy tinh sẽ quá ngắn ở nhiệt độ 140°C. Khi quá trình rang tiếp tục, tức là khi nhiệt độ cà phê tăng lên, nhiệt độ cà phê và nhiệt độ phá hủy sẽ tiếp cận nhau. Không thể loại trừ sự phá hủy tế bào đối với mức độ rang rất tối, đặc biệt là trên bề mặt.
Mối quan hệ này được mô tả trong hình trên (Hình 15). Các giá trị được trích dẫn có thể được đọc từ đường phụ thẳng đứng, nét đứt, màu xanh nhạt (độ ẩm 4%, tức là giá trị tỷ lệ 40).
Giảm trọng lượng
Sự giảm trọng lượng trong quá trình rang, còn được gọi là mất chất, gắn liền với hàm lượng nước trong cà phê nhân, với những thay đổi vật lý và hóa học trong cà phê cũng như đặc tính của khí thải. Tổng số cân giảm được có thể dao động từ 12% đến 23%.
Trọng lượng hạt giảm trong quá trình rang là do mất nước (H20) và vỏ cũng như chất khô, xảy ra ở dạng carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitơ (N2), dễ bay hơi. axit và các hợp chất thơm dễ bay hơi (CH). Mất nước chiếm tỷ lệ lớn nhất trong quá trình giảm cân. Độ ẩm ban đầu của cà phê nhân ảnh hưởng đáng kể đến sự thất thoát chất trong quá trình rang. Liên quan đến chất khô, sự mất mát carbon dioxide so với tất cả các hợp chất khác cho đến nay là lớn nhất (xem Hình 16).
Các hạt lạ, đặc biệt là các hạt nhỏ, không được loại bỏ trước khi làm sạch bằng cà phê xanh, có thể ảnh hưởng đến kết quả mất chất một cách tự nhiên. Theo nguyên tắc, các hạt lạ này được tách ra khỏi cà phê ngay sau quá trình rang và làm nguội. Hạt cà phê rang lớn hơn và nhẹ hơn tạo cơ hội tuyệt vời để tách những hạt còn lại ra khỏi cà phê. Nếu cà phê nhân được làm sạch hiệu quả thì tỷ lệ trọng lượng rất thấp. Tuy nhiên, trong những trường hợp không thuận lợi, có tới 0,2% đá hoặc các hạt lạ tương tự đã được loại bỏ khỏi cà phê rang của một số loại Robusta nhất định.
Ví dụ, tổng trọng lượng giảm đi trong quá trình rang đối với một loại cà phê Arabica cụ thể có mức độ rang theo thang chia độ 110 (Colorette 3a) ở khoảng 15,1%. Mức độ rang tối hơn ở cấp độ 80 sẽ làm tăng tổn thất chất lên khoảng 17,3’1/o. Con số hao hụt chất khi chế biến các loại cà phê Robusta thường cao hơn so với cà phê Arabica có cùng màu sắc. Thể hiện trong hình sau<: (Hình 16) là xu hướng tổn thất liên quan đến rang tương ứng đối với các loại cà phê nhân khác nhau và hai mức độ rang khác nhau.
Hình 16 Mất Chất Trong Quá Trình Rang
Mức độ rang có vai trò quyết định trong việc hạn chế năng suất rang, tức là sự mất đi chất khô. Mối liên hệ giữa sự mất đi chất khô và mức độ rang, được thể hiện ở ba loại cà phê nhân khác nhau ở thời gian rang khoảng 8 phút, được minh họa trong hình sau (Hình 17).
Hình 17 Mất Chất Khô Trong Quá Trình Rang (thời Gian Rang Khoảng 8 Phút)
Tỷ lệ hao hụt chất khô liên quan đến sản phẩm cà phê nhân khô và sản phẩm cà phê rang khô, tức là hàm lượng nước đã được trừ đi. Mất da không được bao gồm trong việc mất chất.
Sự mất vỏ chủ yếu liên quan đến lớp vỏ bạc ở bề mặt bên ngoài của hạt. Tùy thuộc vào loại cà phê xanh và chất lượng mà số lượng vỏ nhiều hay ít sẽ được mong đợi. Ví dụ, cà phê Arabica đã được rửa sạch có tỷ lệ vỏ nhỏ hơn so với cà phê chưa rửa. Tỷ lệ vỏ được xác định đối với cà phê Arabica chưa qua xử lý dao động từ 0,3% đến 0,9% và đối với cà phê Robusta, tỷ lệ lên tới 2% là phổ biến. Tỷ lệ vỏ lớn nhất cho đến nay, 90 – 95%, tự bong ra khỏi bề mặt hạt trong quá trình rang và thoát ra ngoài cùng với không khí thoát ra.
Không giống như lớp vỏ bề mặt, lớp vỏ bạc ở phần khía của toàn bộ hạt cà phê không bong ra cho đến khi nghiền. Tỷ lệ da này thường vẫn còn trong sản phẩm cà phê xay.
Trong ngành chế biến cà phê, quá trình làm nguội bằng nước được thực hiện để dừng đột ngột trình tự rang khi đã đạt được nhiệt độ hoặc màu sắc cà phê cụ thể. Điều này đảm bảo đạt được mức độ rang có thể lặp lại từ lần sạc này sang lần sạc khác. Bằng cách xác định lượng nước nạp này, có thể đạt được mức tăng gần như vô hạn từ 0,5% đến 5% hàm lượng nước trong cà phê rang. Do đó, năng suất, tức là giảm cân, sẽ tự động bị ảnh hưởng tích cực. Tuy nhiên, không nên đánh giá thấp ảnh hưởng của hàm lượng nước đến chất lượng cà phê rang, đặc biệt là liên quan đến thời hạn sử dụng của cà phê.
Do áp suất khí cao trong các tế bào của hạt cà phê, khí liên tục được giải phóng cho đến khi cân bằng áp suất với môi trường xung quanh. Khí trong trường hợp này chủ yếu là carbon dioxide. Hành vi giải phóng khí này dẫn đến giảm cân. Mức độ hao hụt khác nhau có thể được dự kiến tùy theo loại cà phê, mức độ rang và thời gian rang. Tổng lượng khí thải ra trung bình là khoảng 0,8%. Sau thời gian lưu trữ hoặc lưu trữ là 2 giờ, trọng lượng giảm có thể lên tới 0,05% và sau khoảng 8 giờ là 0,1%.
Mật độ
Sự mất khối lượng và giãn nở về thể tích trong quá trình rang dẫn đến giảm mật độ của hạt cà phê. Điều quan trọng đối với việc lưu kho và đóng gói là mật độ khối lượng lớn của cà phê. Mật độ khối là khối lượng tính bằng g chiếm thể tích 1 dm3 hoặc theo đó là khối lượng tính bằng kg cho thể tích 1m3
Việc giảm mật độ khối trong quá trình rang được thể hiện trong sơ đồ sau (Hình 18).
Hình 18 Sự Phát Triển Mật độ Khối Trong Quá Trình Rang (loại Cà Phê Columbia)
Do mất khối lượng, lượng nước mất đi trong thời gian ngắn trong khoảng thời gian rang từ phút thứ 5 đến phút thứ 6 sẽ tự động được phản ánh trong mật độ khối. Quá trình của nước dư và mật độ khối thực tế là giống nhau. Một mặt, sự bay hơi của chất làm mất nước và mặt khác việc tăng thể tích diễn ra đồng thời.
Việc tăng thể tích trong quá trình rang có ảnh hưởng đến mật độ khối của hạt cà phê rang. Thể hiện trong biểu đồ (Hình 19) minh họa cho loại cà phê Columbia là mật độ khối được xác định cho cà phê được sản xuất trong thời gian rang là 3 phút, 5 phút và 10 phút. Thời gian rang 10 phút dẫn đến mật độ khối là 382 g/dm3, do đó mật độ thay đổi khoảng 7%. Việc thay đổi thời gian rang từ 10 phút xuống 3 phút dẫn đến mật độ khối giảm khoảng 12%.
Hình 19 Thời Gian Rangmật độ Khối; Loại Cà Phê Columbia
Khử thuỷ phân
Việc loại bỏ nước được gọi là “khử thủy phân”. Quá trình khử thủy phân tiến triển theo hai giai đoạn trong quá trình rang. Lên đến nhiệt độ khoảng. 100°C, quá trình bay hơi diễn ra và sau đó là sự hóa hơi.
Sự bay hơi, tức là sự bay hơi là thuật ngữ biểu thị sự chuyển đổi của một chất từ trạng thái lỏng hoặc rắn sang trạng thái khí. Trong quá trình rang, sự bay hơi của nước rất quan trọng đối với hiệu quả kinh tế và chất lượng của cà phê rang. Năng suất, tức là sự mất đi chất, nhu cầu năng lượng cũng như diễn biến của các quá trình vật lý và hóa học đều bị ảnh hưởng bởi lượng nước ban đầu trong cà phê nhân, tức là hàm lượng nước chuyển thành hơi nước.
Hàm lượng nước có ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái của hạt cà phê trong quá trình rang. Ví dụ, độ dẫn nhiệt ở cà phê ẩm cao hơn so với cà phê sấy. Theo quy định, cà phê nhân có nồng độ ẩm ban đầu xấp xỉ từ 8% đến 13% trước khi rang. Nồng độ nước sau rang trong hạt cà phê rang nằm trong khoảng từ 0,5% đến 3,5% tùy thuộc vào loại cà phê, thời gian rang và mức độ rang. Ảnh hưởng của việc làm nguội bằng nước có thể xảy ra ở cuối quá trình không được xem xét ở đây.
Quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí tiến triển – như đã đề cập – theo hai giai đoạn trong quá trình rang: bay hơi và hóa hơi.
Việc loại bỏ nước được gọi là “khử thủy phân”. Quá trình khử thủy phân tiến triển theo hai giai đoạn trong quá trình rang. Lên đến nhiệt độ khoảng. 100°C, quá trình bay hơi diễn ra và sau đó là sự hóa hơi.
Sự bay hơi, tức là sự bay hơi là thuật ngữ biểu thị sự chuyển đổi của một chất từ trạng thái lỏng hoặc rắn sang trạng thái khí. Trong quá trình rang, sự bay hơi của nước rất quan trọng đối với hiệu quả kinh tế và chất lượng của cà phê rang. Năng suất, tức là sự mất đi chất, nhu cầu năng lượng cũng như diễn biến của các quá trình vật lý và hóa học đều bị ảnh hưởng bởi lượng nước ban đầu trong cà phê nhân, tức là hàm lượng nước chuyển thành hơi nước.
Hàm lượng nước có ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái của hạt cà phê trong quá trình rang. Ví dụ, độ dẫn nhiệt ở cà phê ẩm cao hơn so với cà phê sấy. Theo quy định, cà phê nhân có nồng độ ẩm ban đầu xấp xỉ từ 8% đến 13% trước khi rang. Nồng độ nước sau rang trong hạt cà phê rang nằm trong khoảng từ 0,5% đến 3,5% tùy thuộc vào loại cà phê, thời gian rang và mức độ rang. Ảnh hưởng của việc làm nguội bằng nước có thể xảy ra ở cuối quá trình không được xem xét ở đây.
Quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí tiến triển – như đã đề cập – theo hai giai đoạn trong quá trình rang: bay hơi và hóa hơi.
Ở nhiệt độ cà phê lên tới 100°C, nước tự do trên bề mặt hạt cà phê sẽ được hấp thụ bởi không khí xung quanh, thường là không khí rang. Do nhiệt độ tương đối cao nên không khí rang có khả năng hấp thụ một lượng hơi nước lớn. Vận tốc không khí góp phần vào quá trình bay hơi này. Một quá trình diễn ra bên trong hạt đậu để đưa độ ẩm về trạng thái cân bằng, nhờ đó có sự chuyển động của nước từ lõi lên bề mặt hạt.
Khi đạt đến điểm sôi 100°C, quá trình bay hơi sẽ diễn ra. Điều cần lưu ý ở đây là hơi nước hình thành đồng thời đòi hỏi nhiều không gian hơn nước ở trạng thái lỏng ban đầu. Áp lực trong tế bào bắt đầu tăng lên. Hơi nước không chỉ ép vào ngoại vi bên trong của tế bào mà còn ép vào bề mặt nước. Sự gia tăng áp suất này sẽ ngăn chặn sự sôi của nước. Việc cung cấp nhiệt liên tục trước hết làm tăng nhiệt độ vater và do đó làm tăng áp suất hơi bên trong nước cho đến khi áp suất hơi lớn hơn áp suất hơi tác dụng lên bề mặt nước. Nước bây giờ sôi, nước bốc hơi, áp suất hơi nước trên mặt nước tăng lên, v.v.
Mặc dù hơi nước liên tục tiêu tan qua thành tế bào bán thấm nhưng vẫn không đủ để ngăn chặn sự gia tăng dần dần áp suất. Ví dụ, tăng áp suất khoảng 1 bar sẽ nâng điểm sôi của nước từ 00°C lên 120°C, áp suất quá 4 bar sẽ nâng điểm sôi lên 150°C. Ở nhiệt độ và áp suất này, nước vẫn ở trạng thái lỏng. Áp suất tích tụ trong các tế bào của hạt cà phê ở giai đoạn cuối của quá trình rang nằm trong phạm vi áp suất khoảng 5 bar đến 20 bar tùy thuộc vào loại cà phê, thời gian rang và mức độ rang. Áp suất quá 20 bar xảy ra khi cà phê rang cực đậm trong thời gian ngắn.
Ảnh hưởng của áp suất bên trong đến sự hóa hơi nước diễn ra đặc biệt trong giai đoạn hóa hơi thứ hai. Trong thời gian này, khối lượng tăng lên chắc chắn là cao nhất.
Bên cạnh việc phụ thuộc vào nhiệt độ, các phản ứng diễn ra trong quá trình rang cũng phụ thuộc vào áp suất hiện tại. Do đó, lượng nước có trong cà phê nhân không chỉ ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt mà còn ảnh hưởng đến nhiều phản ứng riêng lẻ.
Một ví dụ về sự thay đổi nồng độ nước của cà phê trong quá trình rang được mô tả trong hình sau (Hình 20). Dữ liệu đề cập đến cà phê Columbia có nồng độ nước ban đầu xấp xỉ. 12%. Cà phê được rang “nhạt” trong 7,5 phút và “đậm” trong 9 phút.
Sự mất nước bắt đầu ngay khi bắt đầu rang. Trong giai đoạn rang đầu tiên, tức là lên đến nhiệt độ 100°C, sự mất nước xảy ra do nước bốc hơi trên bề mặt hạt cà phê. Trong giai đoạn này, tức là trong 1,5 phút đầu tiên, lượng nước mất đi diễn ra theo đường cong tương đối bằng phẳng. Nhìn chung, 1,4% nước bốc hơi ở đây. Lượng nước mất đi cụ thể là khoảng 0,9% mỗi phút.
Ở giai đoạn rang thứ hai, nhiệt độ · trên 100°C. Do sự bay hơi, đường cong tổn thất hiện có độ dốc dốc hơn. Thêm 1,4% nước mỗi phút bị bốc hơi. Sau 5 phút (kể từ khi bắt đầu rang), hơn một nửa lượng nước ban đầu trên tay đã bốc hơi.
Giai đoạn thứ ba, tức là từ phút thứ 5 đến phút thứ 6, có thể được phân biệt rõ ràng và rõ ràng. Xét về mặt thời gian, lượng nước mất đi là lớn nhất trong giai đoạn này. Ở mức 2,3 % mỗi phút, tốc độ hóa hơi gần như gấp đôi tốc độ trước đó.
Tỷ lệ mất nước thấp 0,9% khi bắt đầu rang được giải thích là do nước chưa đạt đến điểm sôi. Thông qua quá trình bay hơi trên bề mặt hạt cà phê, lượng nước thoát ra sẽ ít hơn.
Sự bốc hơi mạnh ở giai đoạn thứ ba, tức là ở phút thứ 5 và thứ 6 của quá trình rang, có thể là do thể tích hạt tăng lên và thực tế là sức căng liên quan đến áp suất đã làm phát sinh các vết nứt ở một số vùng ngoại vi của tế bào. Đôi khi, điều này thậm chí còn có thể nhìn thấy được trên bề mặt của hạt đậu. Do sự hình thành vết nứt, áp suất bên trong giảm và quá trình bay hơi nước được tăng tốc.
Trong quá trình rang tiếp theo, sau khoảng 6,5 phút, do áp suất tiếp tục tăng do khí thải ra thêm nên lượng nước mất đi sẽ ít hơn. Cần tính đến lượng nước phát sinh ít hơn trong giai đoạn tỏa nhiệt này do quá trình oxy hóa. Vì lý do này, không thể đưa ra tuyên bố chính xác về lượng hơi nước. Lượng nước được giải phóng do quá trình oxy hóa lên tới 1% liên quan đến cà phê nhân có thể được tính gần đúng từ năng lượng tỏa nhiệt. Được trích dẫn trong luận án của Raphael Geiger (ETH số 15430; CH-Zurich 2004) là chất giải phóng hàm lượng nước liên quan đến phản ứng hóa học lên tới 4%.
Lượng nước dư trong cà phê rang phần lớn có sẵn ở dạng nước cố định. Nước tự do phần lớn bị bay hơi. Lượng nước dư phụ thuộc nhiều vào mức độ rang và thời gian rang. Cà phê được rang càng sẫm màu thì càng ít nước. Ở thời gian rang ngắn hơn, lượng nước bốc hơi ít hơn, nhờ đó lượng nước dư còn lại trong cà phê rang sẽ nhiều hơn so với thời gian rang dài hơn.
Trong biểu đồ (Hình 21) là lượng nước dư liên quan đến mức độ rang trong cà phê rang ở thời gian rang trung bình là 7,5 phút và thời gian rang rất ngắn là 1,7 phút.
Đối với giá trị màu theo thang chia độ 120 (rang nhẹ), hàm lượng nước dư liên quan đến thời gian rang nằm trong khoảng từ 2% đến 3%. Đối với cà phê rang vừa, lượng nước dư khoảng. Tỷ lệ rem từ 1,4% đến 1,8%.
Di chuyển dầu
Phần lớn lipid có sẵn trong cà phê nhân, tức là chất béo và dầu không bay hơi, không bị thay đổi về số lượng trong quá trình rang. Phần lớn lipid cho đến nay tồn tại ở dạng lỏng bên trong tế bào. Một phần lipid kèm theo di chuyển, được hỗ trợ bởi sự chuyển động của khí, hướng tới bề mặt của hạt cà phê. Sự thoát ra bị ngăn chặn hoặc ít nhất là bị chậm lại bởi cấu trúc dày đặc của mô tế bào ở khu vực bề mặt hạt.
Đối với một số kiểu rang nhất định, đặc biệt là đối với thời gian rang ngắn và mức độ rang tối, không thể ngăn chặn được sự thoát ra lẻ tẻ của chất lỏng đối với các hạt. Những giọt mỡ mịn tách ra sẽ hình thành trên bề mặt hạt sau khi rang. Hiện tượng này được gọi là “đổ mồ hôi cà phê”.
Trong những trường hợp nghiêm trọng, nếu cà phê được rang rất đậm trong thời gian cực ngắn, những giọt dầu đã thoát ra khỏi hạt trong quá trình rang. Do sự chuyển động và tiếp xúc lẫn nhau của hạt cà phê, một lớp dầu đều được hình thành trên bề mặt.
Trong mọi khả năng, áp suất bên trong tế bào và tốc độ giải hấp khí đồng thời là động lực thúc đẩy sự di chuyển của dầu. Ở đây cũng đóng một vai trò quan trọng là cấu trúc của mô, độ xốp của hạt, độ nhớt của dầu và không khí xung quanh của hạt cà phê.
Hàm lượng chất béo bề mặt hạt cà phê từ 1,5 đến 2 phần trăm trọng lượng đã được đo đối với cà phê rang đậm.
