Mục lục
7. Phản ứng hoá học
Thông tin chung
Trong quá trình rang, nhiều phản ứng phức tạp diễn ra tạo nên màu sắc, mùi vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê. Phản ứng Maillard cũng như nhiệt phân, thủy phân và oxy hóa đều đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong vấn đề này. Gần 1000 thành phần khác nhau được hình thành chỉ từ một vài hợp chất ban đầu. Cho đến nay, gần 850 thành phần thơm dễ bay hơi khác nhau đã được xác định (Hình 22). Phần lớn trong số này được tạo thành từ các hợp chất thơm dễ bay hơi.
Hình 22 Xác định Thành Phần Trong Cà Phê Rang
Về số lượng, nhiều hợp chất thơm khác nhau chỉ chiếm 0,1% tổng trọng lượng cà phê rang. Mặc dù có khối lượng thấp nhưng cà phê rang là một trong những loại thực phẩm có mùi thơm nhất. Nhiều thành phần thơm có liên quan đến đồ uống cà phê hiện diện ở mức ppm, tức là phạm vi ppb hoặc thậm chí chỉ ở dạng vết. Tuy nhiên, số lượng ít đôi khi lại ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng.
Nhận thức khứu giác, tức là cường độ khứu giác không chỉ phụ thuộc vào nồng độ mà còn phụ thuộc vào ngưỡng khứu giác tương ứng. Chỉ có một số thành phần thơm hiện diện ở nồng độ cao với ngưỡng khứu giác thấp. Ngưỡng khứu giác là nồng độ của một hợp chất thơm mà tại đó lần đầu tiên có thể nhận biết được mùi thơm. Các thành phần quan trọng tạo nên mùi thơm của cà phê là những thành phần có nồng độ trong cà phê cao hơn ngưỡng khứu giác.
Với tỷ lệ phần trăm trọng lượng khoảng. Từ 38% đến 45%, các hợp chất thơm thuộc nhóm furan có tỷ lệ hợp chất thơm dễ bay hơi lớn nhất. Pyrazine theo sau với khoảng. 25% đến 30%. Tỷ lệ pyridin là khoảng 3% đến 7% và pyrroles là 2% đến 3%.
Lên đến nhiệt độ cà phê khoảng. Ở 160°C, quá trình phản ứng hóa học là thu nhiệt, tức là dưới sự hấp thụ nhiệt. Ở khoảng nhiệt độ từ 160°C đến khoảng 250°C, sự truyền nhiệt được tăng cường do các phản ứng tỏa nhiệt (nhiệt phân). Ở nhiệt độ cà phê khoảng 220°C, phản ứng tỏa nhiệt đạt mức cao nhất. Năng lượng nhiệt được giải phóng thường không đủ để tiếp tục quá trình rang ở dạng mong muốn mà không cần thêm nhiệt.
Phản ứng Maillard
Được mô tả bằng “Phản ứng Maillard” là một quá trình hóa nâu không có enzyme trong đó đường khử phản ứng với axit amin. Quá trình này được đặt tên theo LC. Maillard, người đã nghiên cứu lĩnh vực này lần đầu tiên vào năm 1912. Phản ứng hóa học cực kỳ phức tạp được Maillard mô tả đã cung cấp những kiến thức quan trọng cho lĩnh vực hóa học thực phẩm cũng như sinh lý học. Đối với việc rang cà phê, phản ứng Maillard đặc biệt quan trọng đối với màu sắc và mùi thơm.
Hầu hết các hợp chất thơm được hình thành bởi phản ứng Maillard. Các chất tạo màu, được gọi là melanoidin, phát sinh từ phản ứng hóa nâu không có enzyme.
Quá trình của phản ứng Maillard bao gồm nhiều phản ứng đơn lẻ liên tiếp nhau. Trong giai đoạn đầu tiên, các sacarit phản ứng với các hợp chất amin, peptide hoặc protein từ đó phát triển các sản phẩm trung gian đa chức năng, phản ứng.
Các sản phẩm Amadori được sản xuất từ glucosamine ở giai đoạn tiếp theo thông qua chuyển vị Amadori. Phát sinh từ các sản phẩm trung gian bao gồm dixeton, furanon, furan và pyranon.
Hơn nữa trong phản ứng Maillard, các hợp chất được hình thành cho đến nay vẫn phản ứng với các hợp chất amin. Cái gọi là “tổng hợp Strecker” này mô tả việc sản xuất axit amin thông qua tác dụng của natri xyanua và amoni clorua trên aldehyd với quá trình thủy phân tiếp theo. Mối liên hệ này được phát hiện vào năm 1862 bởi ông A. Strecker, tên của ông đã trở thành từ đồng nghĩa cho thuật ngữ này. Trong quá trình tổng hợp Strecker, các hợp chất dicarbonyl phản ứng với các axit amin. Quá trình tổng hợp Strecker cung cấp carbon dioxide, aldehyd và a-aminoketone. Pyrazine hình thành thông qua sự ngưng tụ.
Giai đoạn tiến triển của phản ứng Maillard trở nên rõ ràng thông qua sự hình thành melanoidin từ nâu đỏ đến nâu đen. Những polyme có trọng lượng phân tử cao này rất quan trọng đối với màu sắc đặc trưng và vị đắng đặc trưng.
Giai đoạn tiến triển của phản ứng Maillard trở nên rõ ràng thông qua sự hình thành melanoidin từ nâu đỏ đến nâu đen. Những polyme có trọng lượng phân tử cao này rất quan trọng đối với màu sắc đặc trưng và vị đắng đặc trưng.
Tóm lại, phản ứng Maillard và tổng hợp Strecker chuyển đổi carbohydrate thành các hợp chất thuộc nhóm chất ketone, furane, aldehyd và melanoidin. Ở đây, các axit amin tạo ra các hợp chất xeton, furan và sulfide. Một phần tương đối nhỏ của protein được chuyển hóa thành xeton và furan và do đó cũng góp phần tạo ra các hợp chất thơm.
Sự phân hủy cacbohydrat thông qua phản ứng Maillard được minh họa trong biểu đồ dạng thanh (Hình 23).
Hình 23 Phân Hủy Carbohydrate Thông Qua Phản ứng Maillard
Các axit amin có mặt ban đầu phản ứng hoàn toàn với đường đơn (Hình 24).
Hình 24 Phân Hủy Axit Amin Thông Qua Phản ứng Maillard
Như được thấy trong Hình 25, chỉ một phần nhỏ protein bị phân hủy.
Hình 25 Phân Hủy Protein Thông Qua Phản ứng Maillard
Các carbohydrate chưa bị phân hủy, đặc biệt là các polysaccharide không tan trong nước, tạo nên chất của thành tế bào trong cà phê rang. Khi đồ uống cà phê được pha chế, phần lớn nó vẫn ở dạng bã cà phê.
Nhiệt phân
“Nhiệt phân” mô tả sự phân hủy nhiệt của các chất phức tạp. Trong quá trình nhiệt phân, các hợp chất đơn lẻ đặc trưng của cà phê hình thành do quá trình phân hủy. Ví dụ, trigonelline chủ yếu tạo ra pyridin. Sự phân hủy của axit chlorogen tạo ra phenol, trong khi dầu cà phê tạo ra một lượng nhỏ aldehyd và carbohydrate. Trong quá trình nhiệt phân, carbon dioxide và carbon monoxide được giải phóng và nước được hình thành.
Các axit chlorogen có trong cà phê nhân phần lớn bị phá hủy trong quá trình rang. Axit chlorogenic một phần chịu trách nhiệm về tác dụng kích thích và vị đắng của cà phê. Ngoài phenol, pyridin cũng được hình thành từ axit chlorogen. Nồng độ phenol tương đối cao trong cà phê Robusta là do hàm lượng axit chlorogen cao trong cà phê thô Robusta.
Hình (Hình 26) cho thấy sự phân hủy của axit chlorogen. Sự gia tăng rõ ràng khi bắt đầu rang là sai lầm và được cho là do sự mất mát chung của các chất xảy ra trong giai đoạn này do đó mối quan hệ tỷ lệ giữa axit chlorogen, liên quan đến chất khô, tăng lên trong một thời gian ngắn. Tuy nhiên, nồng độ axit chlorogen tuyệt đối vẫn giữ nguyên trong giai đoạn này.
Ở giá trị màu ở thang chia độ 120 (Colorette 3a), khoảng 60% axit chlorogen đã bị phân hủy và ở thang chia độ 70 là khoảng 90%. Kết quả là các hợp chất thơm dễ bay hơi (phenol) được tạo ra. Là kết quả của các sản phẩm phân hủy, axit chlorogen góp phần phát triển mùi vị và mùi thơm. Các sản phẩm phân hủy từ axit chlorogen có vị chua và một phần được coi là chất làm se.
Các chất phân hủy được hình thành từ trigonelline trong quá trình nhiệt phân như pyridin góp phần tạo nên mùi thơm của cà phê. Có tới 75% nồng độ ban đầu từ 0,8% đến 1,2% bị phân hủy tùy thuộc vào mức độ rang. Hơn nữa, axit nicotinic được tạo ra. Axit nicotinic thuộc nhóm vitamin B.
Hình 26 Sự Phát Triển Của Axit Chlorogen Trong Quá Trình Rang
Hình 27 Sự Phát Triển Của Trigonelline Trong Quá Trình Rang
Sự phân hủy lượng giác trong quá trình rang được thể hiện trong Hình 27 bằng cách sử dụng ví dụ về phân loại Columbia. So với sự phân hủy axit chlorogen, sự phân hủy này không xảy ra cho đến sau này ở nhiệt độ cao hơn.
Về mặt sinh lý, caffeine là một trong những chất có hiệu quả nhất và hơn nữa còn góp phần tạo nên vị đắng của cà phê. Caffeine có trạng thái tương đối ổn định trong quá trình rang. Một phần rất nhỏ được mang đi dưới dạng hơi, đặc biệt là trong giai đoạn rang cuối cùng. Những tổn thất này được bù đắp quá mức nhờ sự mất mát ngày càng tăng của carbon dioxide và carbon monoxide.
Sự phân hủy của axit chlorogen (Hình 28) và trigonelline (Hình 29) được mô tả trong biểu đồ thanh sau đây.
Các phần chất béo không xà phòng hóa của lipid được phân hủy thành các terpen dễ bay hơi. Phần lớn lipid có trong cà phê nhân không thay đổi về mặt số lượng dưới tác động của nhiệt độ.
Biểu đồ thanh cuối cùng (Hình 30) là một ví dụ về tỷ lệ lipid trong cà phê thô và cà phê rang. Xấp xỉ. 10% phần lipid được chuyển đổi thành terpen và aldehyd dễ bay hơi.
Quá trình nhiệt phân đóng góp vào sự phát triển mùi thơm bao gồm – ở dạng viết tắt – sự hình thành các phenol dễ bay hơi từ axit chlorogen, sự hình thành pyridine và pyrrolines từ trigonelline và sự hình thành các terpen dễ bay hơi từ lipid.
Sự phát triển của các hợp chất thơm phần lớn phụ thuộc vào mức độ rang của cà phê. Mức độ rang không chỉ ảnh hưởng đến sự hình thành mà còn ảnh hưởng đến sự phân hủy các hợp chất thơm đa dạng.
Một số hợp chất dễ bay hơi tăng về số lượng khi tăng mức độ rang, một số hợp chất khác lại tăng đến một mức độ rang nhất định và sau đó bắt đầu phân hủy khi mức độ rang tiếp tục tăng. Hơn hết, có những hợp chất thơm dễ bay hơi, sau khi có xu hướng tăng lên và phân hủy, sẽ được tái cấu trúc trong quá trình rang tiếp tục.
Một ví dụ điển hình về hành vi phản ứng được thể hiện bằng nồng độ furfural thô trong quá trình rang. Nồng độ furfural tối đa đã đạt được ở mức độ rang rất nhẹ. Việc tiếp tục rang, sau khi một giá trị được giữ ít nhiều không đổi, sẽ dẫn đến sự phân hủy dần dần chất này (Hình 31).
Furfural (C5 H4 0 2 ) được coi là chất hàng đầu tạo nên các hợp chất thơm dễ bay hơi trong cà phê rang. Furfural là một hợp chất dị vòng của furan. Furan tạo ra một hương vị dễ chịu giống như caramel và mùi gỗ.
Sự phân hủy của một số hợp chất thơm nhất định là do một phần của các hợp chất dễ bay hơi này thoát ra khỏi hạt cà phê cùng với carbon dioxide và carbon monoxide thông qua cấu trúc thành tế bào có khả năng thẩm thấu. Những khí thải này được hấp thụ bởi không khí rang và thải ra dưới dạng khí thải hữu cơ.
Khi nhiệt độ cà phê tăng lên, lượng hợp chất khí được giải phóng cũng tăng lên. Nồng độ của các hợp chất này tăng lên không tương xứng tùy theo mức độ rang cụ thể. Có thể thấy sự gia tăng được biểu thị theo thời gian rang trong biểu đồ sau (Hình 32). Đồ thị là diễn biến của nhiệt độ cà phê và diễn biến của nồng độ carbon (CJ. Nồng độ C, biểu thị nồng độ của các hợp chất hữu cơ dạng khí trong khí thải của quá trình rang và tương ứng với tổng tỷ lệ carbon của các hợp chất thơm.
Một loạt các hợp chất hữu cơ dạng khí được xác định trong quá trình rang khí thải như clorua, furan, hợp chất nitơ, hợp chất sulfuric, aldehyd, xeton, axit, rượu và terpen. Trong số đó, caffeine và axit axetic chiếm lượng lớn nhất với tổng lượng khoảng 75% đến 85%.
Chịu trách nhiệm về tính axit của cà phê chủ yếu là các axit béo như axit axetic, axit xitric, axit malic và axit photphoric. Sau giai đoạn sấy khô, nồng độ axit tổng thể tăng lên ở khoảng nhiệt độ thấp hơn và sau đó, trong quá trình rang tiếp theo, lại phân hủy chủ yếu là các axit dễ bay hơi. Một phần lớn axit béo đã có trong cà phê thô. Các axit quan trọng nhất trong cà phê thô là axit quinic, axit malic và axit citric.
Thông qua quá trình nhiệt phân carbohydrate nói riêng, axit formic, axit glycolic, axit lactic, axit succinic và các loại khác được hình thành. Lượng axit quinic và axit photphoric tăng lên trong quá trình rang.
Hình sau đây (Hình 33) cho thấy hàm lượng ban đầu của từng axit béo riêng lẻ đối với cà phê Columbia và lượng axit được hình thành hoặc tổng hợp thông qua quá trình rang.
Trong cà phê rang, axit quinic, axit xitric và axit axetic tạo thành phần chính của axit béo tập thể.
Ví dụ, một loại cà phê cụ thể được rang trong một thời gian cụ thể ở mức độ rang cụ thể chứa khoảng 30 g axit béo trên mỗi kg cà phê rang, trong đó tỷ lệ axit quinic là khoảng. Khoảng 26%, axit xitric. khoảng 22% và axit axetic. 17%. 35% còn lại được phân tán trong nhiều loại axit khác nhau.
Độ dốc của hàm lượng axit axetic trong quá trình rang được thể hiện trong hình sau (Hình 34). Khoảng giữa quá trình rang, nồng độ axit axetic tăng dần lên khoảng 1%. Giá trị tối đa đạt được ở mức độ rang 110 độ. Việc giảm thêm mức độ rang không dẫn đến tăng thêm axit axetic.
Chỉ số axit chuẩn độ (giá trị axit) thường được chấp nhận trong phân tích cà phê như một đánh giá về độ axit. Một mối quan hệ tuyến tính phát sinh giữa độ axit cảm nhận được và giá trị axit. Mức tiêu thụ dung dịch chuẩn độ cao hơn tượng trưng cho cường độ axit cao hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây là một phương pháp phân tích được chúng tôi thực hiện theo kinh nghiệm. Hỗn hợp của nhiều loại axit khác nhau, tất cả đều có những đặc điểm riêng, khiến việc đưa ra tuyên bố dứt khoát trở nên khó khăn hơn.
Hình dưới đây (Hình 35) minh họa ảnh hưởng của quá trình rang đến sự hình thành axit. Điều này xảy ra gần như đồng thời với sự hình thành furfural. Khi nhiệt độ cà phê xấp xỉ. 170°C, giá trị axit bắt đầu giảm liên tục.
Như đã đề cập, axit bị phân hủy khi mức độ rang tăng lên (giá trị thang đo thấp hơn). Mối quan hệ giữa mức độ axit và giá trị màu sắc, tức là mức độ rang, mặt khác được thể hiện trong hình sau (Hình 36).
Thời gian rang cũng có ảnh hưởng đến hàm lượng axit. Xu hướng nổi lên là hàm lượng axit và do đó vị chua của cà phê tăng lên khi giảm thời gian rang. Độ axit cho các thời điểm rang khác nhau được thể hiện trong hình sau (Hình 37) cho 2 hỗn hợp cà phê khác nhau. Ngẫu nhiên, ảnh hưởng của thời gian rang đến độ axit của cà phê rang nhạt lớn hơn so với cà phê rang đậm.
Thủy phân
Thủy phân là một phản ứng hóa học trong đó một hợp chất hóa học bị phân hủy dưới tác dụng của nước. Ví dụ, một phần axit chlorogen được chuyển hóa thông qua quá trình thủy phân thành axit quinic và axit caffeic.
Axit quinic có trong cà phê thô tăng lên trong quá trình rang. Không giống như axit axetic, sự gia tăng này diễn ra ở giai đoạn đầu của quá trình rang. Sau khoảng 2/3 thời gian rang, màu của cà phê, ở thang 180 độ, rất nhạt và hàm lượng axit quinic vẫn không đổi cho đến màu ở thang 120 độ. Hơn nữa trong quá trình này, tức là khi cà phê tăng trong bóng tối, nồng độ axit quinic lại tăng lên. Ở thang màu 70 độ, hàm lượng axit quinic nằm ở khoảng. 3% trọng lượng (Hình 38).
Ngoài ra, axit citric và axit malic có trong cà phê thô bị phân hủy một phần (Hình 39). Điều này dẫn đến sự hình thành các axit mới như axit succinic, axit fumaric, axit itaconic, axit citraconic và axit maleic
Chuyển đổi thành Caramel
Thông qua việc đun nóng, một số loại đường đơn giản có mặt sẽ được caramen hóa thành các sản phẩm có màu nâu. Những sản phẩm hóa nâu này do sự tách nước phần lớn thuộc nhóm furan. Một ví dụ điển hình về sự chuyển hóa thành caramen là sự hình thành maltol từ fructose. Maltol, tức là axit larixinic, là một hợp chất điển hình, có mùi caramel dễ chịu, nhân tiện, dễ hòa tan trong nước, một điều không thể nói đối với tất cả các sản phẩm caramel được tạo thành.
Các sản phẩm caramel cùng với melanoidin được hình thành trong phản ứng Maillard góp phần tạo nên màu nâu của hạt cà phê, tức là đồ uống cà phê.
Quá trình oxy hóa
Quá trình oxy hóa là sự kết hợp hóa học của các nguyên tố hoặc hợp chất với oxy. Năng lượng được giải phóng trong phản ứng này. Trong quá trình rang, quá trình oxy hóa diễn ra với tinh dầu không bay hơi. Ví dụ, các loại tinh dầu không bay hơi sẽ oxy hóa ở nhiệt độ cà phê cao hơn thành các aldehyd dễ bay hơi như pentanol và hexanol. Lượng aldehyde hình thành từ dầu là rất nhỏ. Tuy nhiên, aldehyd có ảnh hưởng đáng kể đến mùi thơm thực sự của cà phê.
Sự phân hủy nhẹ của lipid trong quá trình rang không chỉ xảy ra thông qua quá trình oxy hóa mà còn thông qua quá trình nhiệt phân.
Khử Carboxyl
Sự phát triển của carbon dioxide và carbon monoxide phần lớn diễn ra thông qua quá trình khử carboxyl và ít hơn thông qua quá trình đốt cháy. Ở nhiệt độ cà phê từ khoảng. 195°C, giải phóng carbon dioxide. tăng đột ngột và nước được hình thành. Thông qua phản ứng Maillard, tổng hợp Strecker, phân hủy nhiệt phân và oxy hóa, không chỉ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được hình thành mà còn là sản phẩm phụ, carbon dioxide và carbon monoxide.
Về số lượng, hỗn hợp bao gồm nitơ, carbon dioxide và carbon monoxide vượt xa tất cả các chất dễ bay hơi khác trong cà phê. Do sự hình thành hơi nước và khí, áp suất trong tế bào tăng lên. Kết quả là thể tích của tế bào sưng lên và mô tế bào lỏng ra. Do áp suất bên trong cao, phần lớn khí được hình thành sẽ thoát ra ngoài qua thành tế bào bán thấm và các vết nứt hình thành do quá trình sấy khô.
Một tỷ lệ phần trăm khí nhất định, dưới áp suất tổng thể đáng kể, vẫn còn trong các tế bào của hạt cà phê. Phần khí còn lại này có thể lên tới 2 phần trăm trọng lượng. Kiến thức về thể tích khoang và lượng khí dư cho một loại cà phê rất cụ thể, được rang trong một khoảng thời gian rất cụ thể ở một mức độ rang cụ thể giúp có thể tính toán áp suất bên trong các ô liên quan.
Lượng khí còn lại trong các tế bào ngay sau khi rang cũng phụ thuộc vào loại cà phê, vào mức độ rang và thời gian rang. Khi tăng mức độ rang và giảm thời gian rang thì lượng cặn trong hạt cà phê tăng lên.
Một loại cà phê Arabica trung bình, được rang trong khoảng 8 phút ở mức độ rang Trung Âu là 120 độ (được đo bằng đơn vị đo màu Colorette 3a} và phù hợp để lọc, có tỷ lệ khí xấp xỉ 0,8% trọng lượng ngay sau khi rang. và quy trình làm nguội.
Theo mô tả của Stefan Schenker trong luận án của mình (ETH số 13620, Ziirich 2000), hỗn hợp khí thoát ra sau thời gian bảo quản 4 tháng đối với một loại cà phê cụ thể được rang trong thời gian rang khoảng 10 phút bao gồm 72,8% carbon dioxide, 17,1% carbon monoxide bao gồm các nguyên tố còn lại, 9% nitơ và 1,1% argon và oxy.
Tỷ lệ thể tích khoang tế bào (độ xốp) là 42% và lượng khí chứa trong tế bào là 0,8% trọng lượng sẽ tạo ra áp suất quá mức xấp xỉ. 8 bar theo tính toán. Trạng thái này đề cập đến hạt cà phê nguyên hạt ngay sau khi quá trình làm mát kết thúc.
Theo thời gian, khí chứa trong tế bào được giải phóng bằng cách khuếch tán cho đến khi đạt được sự cân bằng áp suất với môi trường xung quanh. Tốc độ khử khí của hạt cà phê rang rất chậm do bề mặt bên ngoài tương đối nhỏ và đường khuếch tán dài. Hoạt động khử khí trong 24 giờ đầu tiên có thể được thấy trong hình tiếp theo (Hình 40) đối với hai mức độ rang khác nhau.
Tổng thời gian khử khí là 2400 giờ cho đến khi cân bằng áp suất tuyệt đối không phải là điều bất thường. Các loại cà phê, mức độ rang, thời gian rang, tức là đặc tính nhiệt độ của cà phê trong quá trình rang, tất cả đều có ảnh hưởng đáng kể đến lượng khí được tạo ra, đến cấu trúc của ngoại vi tế bào, đến thể tích trong tế bào và do đó đến hoạt động khử khí.
Do lượng khí còn lại trong cà phê xay không đáng kể, đường khuếch tán ngắn hơn và bề mặt riêng lớn hơn nên thời gian khử khí ngắn hơn nhiều so với hạt cà phê nguyên hạt. Tùy thuộc vào độ mịn của quá trình nghiền, một phần khí kèm theo được giải phóng ngay trong quá trình nghiền thông qua sự phá hủy tế bào. Cà phê được xay càng mịn thì càng có nhiều tế bào bị phá hủy và càng ít khí còn sót lại trong hạt cà phê. Quá trình khử khí trong cà phê xay diễn ra ở trạng thái cân bằng với áp suất xung quanh khí quyển, tức là nhanh hơn so với hạt cà phê rang nguyên hạt.
