Làm thế nào để rang cà phê "chuẩn vị"? Bí mật từ UC Davis sẽ giúp bạn tiết kiệm hàng tấn tiền và cà phê.

Đầy là bài lược dịch, có trình bày quan điểm. Vui lòng truy cập đường link dưới đây để có tài liệu nguyên bản.

Vấn đề cốt lõi của ngành công nghiệp cà phê

Nghiên cứu của Đại học California Davis, với tiêu đề đột phá "Đường cong màu sắc phổ quát cho cà phê rang arabica" đã giải quyết một trong những thách thức lâu đời nhất trong ngành công nghiệp cà phê: làm thế nào để định lượng và chuẩn hóa một cách khách quan quá trình rang, vốn từ trước đến nay vẫn phụ thuộc nhiều vào cảm quan chủ quan của người rang và đội ngũ QC.

Màu sắc - Hơn cả vẻ bề ngoài:

Màu sắc của hạt cà phê không chỉ đơn thuần là một chỉ số về mức độ rang mà còn là một "tấm gương" phản chiếu hàng loạt các thay đổi hóa học phức tạp diễn ra bên trong hạt. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng màu sắc có mối tương quan chặt chẽ với:

• Hàm lượng acrylamide: Một hợp chất có thể gây hại, được hình thành trong quá trình rang.
• Thành phần hương thơm: Quá trình Maillard và caramel hóa, tạo ra hàng trăm hợp chất dễ bay hơi, chính là yếu tố quyết định hương thơm và vị của cà phê.
• Hoạt tính chống oxy hóa: Các chất chống oxy hóa tự nhiên trong cà phê cũng thay đổi theo mức độ rang.
• Hàm lượng caffeine và axit chlorogenic: Những hợp chất quan trọng này cũng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian rang.

Giới hạn của các nghiên cứu trước đây:

Trước nghiên cứu này, các công trình khoa học đã có một số điểm hạn chế đáng kể:

• Phương pháp đo lường chủ quan: Việc đánh giá bằng mắt thường hoặc so sánh với các đĩa màu SCAA phụ thuộc vào ánh sáng, góc nhìn và kinh nghiệm của người quan sát, dẫn đến kết quả không nhất quán.
• Thiếu dữ liệu động học: Hầu hết các nghiên cứu chỉ đo màu ở đầu và cuối quá trình rang, hoặc ở các mốc không đều đặn, không thể cung cấp một bức tranh toàn diện về cách màu sắc thay đổi liên tục theo thời gian.
• Sử dụng mô hình rang không thực tế: Các nghiên cứu trước thường dùng phương pháp rang trong lò sấy hoặc máy rang nhỏ, vốn không phản ánh được "hồ sơ rang" phức tạp với sự thay đổi nhiệt độ liên tục của máy rang thương mại.

Với những hạn chế này, mục tiêu của nghiên cứu của UC Davis là cung cấp một cái nhìn toàn diện và định lượng hơn về mối quan hệ giữa các yếu tố: hồ sơ rang, nguồn gốc cà phê và sự thay đổi màu sắc, từ đó tìm ra một nguyên lý chung có thể áp dụng rộng rãi.

Phương pháp nghiên cứu chi tiết

Để đạt được mục tiêu này, các nhà khoa học đã thiết kế một thí nghiệm quy mô lớn và có hệ thống tại Trung tâm Cà phê UC Davis.

Thiết bị và Vật liệu:

• Máy rang: Một máy rang trống thương mại Probat P5 (dung tích 5 kg), được sử dụng để tái hiện chính xác các điều kiện sản xuất thực tế.
• Hồ sơ rang (Roast Profiles): Bảy hồ sơ rang rất khác nhau đã được phát triển bằng cách điều chỉnh các thông số như lưu lượng khí và dòng khí đốt để tạo ra các "đường cong nhiệt độ" độc đáo. Các hồ sơ này bao gồm: "khởi đầu nhanh" (Fast Start - FS), "khởi đầu chậm" (Slow Start - SS), "Trung bình" (MD), "Sản xuất" (PR), "flick triệt để" (exaggerated flick - EF), "Tăng nhiệt tăng âm" (Negative RoR NR), và "Maillard kéo dài" (Extended Maillard - EM). Mỗi hồ sơ được thiết kế để kiểm tra một khía cạnh cụ thể của động lực rang.
• Nguồn gốc cà phê: Ba loại cà phê arabica từ các nguồn gốc và phương pháp chế biến khác nhau đã được chọn để kiểm tra tính phổ quát của các kết quả:
  • Cà phê Uganda (USF) chế biến ướt.

  • Cà phê Indonesia (SUM) chế biến ướt.

  • Cà phê Trung Mỹ (ELS) chế biến theo phương pháp mật ong.

Quy trình lấy mẫu và đo lường:

• Lấy mẫu theo thời gian thực: Trong mỗi lần rang kéo dài 16 phút, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dụng cụ lấy mẫu (trier) để thu thập mẫu cà phê khoảng 13g sau mỗi phút.
• Làm lạnh đột ngột: Để "đóng băng" quá trình rang và giữ nguyên trạng thái màu sắc tại thời điểm lấy mẫu, các hạt cà phê được làm lạnh tức thì trong nitơ lỏng (N2) trong khoảng 15 giây.
• Đo màu chính xác: Các mẫu được xay và đo màu bằng Máy quang phổ HunterLab ColorFlex EZ. Thiết bị này không dựa vào cảm nhận của mắt người mà sử dụng hệ thống đo lường quang học để cung cấp các giá trị màu Lab* một cách khách quan.
  • L:Độ sáng (từ 0-đen đến 100-trắng).

  • a:Trục màu xanh lục (-) đến đỏ (+).

  • b:Trục màu xanh lam (-) đến vàng (+).

Tổng cộng, 39 mẻ rang thí nghiệm đã được thực hiện, tạo ra 663 mẫu, mỗi mẫu được đo màu ba lần, tạo ra một bộ dữ liệu khổng lồ và chi tiết.

Những phát hiện đột phá: "Đường cong màu sắc phổ quát"

Nghiên cứu đã mang lại một kết quả vô cùng ý nghĩa và có thể thay đổi cách chúng ta nghĩ về quá trình rang.

3.1. Sự nhất quán đáng ngạc nhiên của đường cong màu:

Phân tích dữ liệu cho thấy, khi các giá trị màu L*, a* và b* được vẽ trong không gian ba chiều, chúng luôn đi theo một lộ trình (đường cong) gần như giống hệt nhau, bất kể:

• Hồ sơ rang: Từ "khởi đầu nhanh" (FS) đến "Maillard kéo dài" (EM), các hồ sơ rang rất khác nhau nhưng đều dẫn đến cùng một lộ trình thay đổi màu sắc.
• Nguồn gốc cà phê: Mặc dù cà phê từ Uganda, Indonesia và Trung Mỹ có cấu trúc và thành phần hóa học khác nhau, chúng vẫn đi theo cùng một "đường cong" này.

Điều này có ý nghĩa to lớn: quá trình thay đổi màu sắc từ hạt xanh sang hạt rang nâu sẫm không phải là ngẫu nhiên mà tuân theo một quy luật hóa học và vật lý rất nhất quán. Nghiên cứu đã chứng minh rằng các cơ chế hóa học tạo ra màu sắc cà phê là phổ quát đối với tất cả các loại cà phê arabica.

3.2. Động lực học thay đổi màu sắc:

Mặc dù lộ trình là giống nhau, tốc độ di chuyển trên lộ trình đó lại hoàn toàn phụ thuộc vào hồ sơ rang.

• Hồ sơ "khởi đầu nhanh" (FS): Cà phê rang theo hồ sơ này di chuyển rất nhanh dọc theo đường cong màu sắc, đạt đến mức độ rang mong muốn trong thời gian ngắn hơn.
• Hồ sơ "khởi đầu chậm" (SS): Ngược lại, hồ sơ SS làm cho cà phê thay đổi màu sắc chậm hơn, kéo dài quá trình rang.
• Hồ sơ "Maillard kéo dài" (EM): Hồ sơ này được thiết kế để giữ cà phê ở một nhiệt độ trung bình trong một thời gian dài hơn, cho phép các phản ứng Maillard diễn ra sâu sắc hơn, tạo ra sự phức tạp trong hương vị, mà vẫn giữ được sự kiểm soát về màu sắc.

Những phát hiện này cho thấy rằng người rang xay không thể "phát minh" ra một màu sắc mới, mà chỉ có thể điều khiển tốc độ và thời gian để cà phê đi qua các giai đoạn màu sắc đã định sẵn.

Fig. (A) Direct comparison of the L*a*b* values during roasting of the washed Ugandan coffee (USF) using seven different roast profiles: fast start (FS), slow start (SS), medium (MD), production (PR), exaggerated flick (EF), negative rate of rise (NR), and extended Maillard (EM). Each colored line represents a different roast profile, and the error bars indicate one standard deviation from the mean within three roasting replicates. (B) Direct comparison of the L*a*b* values for the three green coffees (USF, SUM, and ELS) roasted using FS, SS, and EM roast profiles. The lines with slightly different shades (e.g., dark red, bright red, and orange-red) denote the three different origins for that same roast profile, with red indicating FS, green indicating SS, and blue indicating EM profiles.

3.3. Các mốc rang chính xác:

Một điểm đáng chú ý khác là các giá trị L*a*b* tại các mốc rang quan trọng (như "lần nổ đầu tiên" và "lần nổ thứ hai") có sự tương đồng đáng ngạc nhiên giữa các hồ sơ rang và các loại cà phê khác nhau. Điều này xác nhận rằng các sự kiện vật lý và hóa học quan trọng trong quá trình rang có mối liên hệ trực tiếp và nhất quán với các giá trị màu có thể đo lường được.

Bài học và ứng dụng thực tế cho Nhà rang

Kết quả nghiên cứu này không chỉ mang tính học thuật mà còn mở ra những cơ hội và bài học quý giá cho bất kỳ ai làm việc trong ngành cà phê, từ nhà rang xay quy mô lớn đến người pha chế tại gia.

4.1. Chuyển đổi từ "Nghệ thuật" sang "Khoa học" trong rang cà phê:

• Bài học: Đường cong màu phổ quát cung cấp một "bản đồ" khách quan và đáng tin cậy. Thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác, người rang xay có thể sử dụng dữ liệu đo màu L*a*b* để định lượng chính xác quá trình của mình.
• Ứng dụng: Các nhà rang xay có thể đặt ra các tiêu chuẩn cụ thể, chẳng hạn như "tất cả cà phê rang vừa phải của chúng tôi phải đạt giá trị L* là 65 ± 2." Điều này đảm bảo mỗi mẻ rang, mỗi túi cà phê được bán ra đều có chất lượng và mức độ rang nhất quán, xây dựng lòng tin với khách hàng.

Fig. Boxplots showing the distributions of L*, a*, and b* values (A-C, respectively) at each roast milestone for all seven roast profiles and three coffee origins. The bottom and top edge of the boxes represent the 25 and 75th percentiles, respectively, the line inside the box represents the median, and the whiskers denote the range of the observed values. Lowercase letters indicate statistically significant differences among roast milestones according to Tukey HSD test.

4.2. Tối ưu hóa hương vị mà vẫn giữ vững chất lượng:

• Bài học: Nghiên cứu chỉ ra rằng các hồ sơ rang khác nhau không thay đổi "màu sắc cuối cùng" tại một mốc cụ thể, mà thay đổi "con đường" để đến đó. Tốc độ rang chính là yếu tố quyết định sự phát triển của các hợp chất hương vị. Rang nhanh có thể giữ lại hương vị trái cây và chua tươi, trong khi rang chậm có thể phát triển hương vị sô cô la, caramel và vị đậm.
• Ứng dụng: Một nhà rang xay có thể thử nghiệm các hồ sơ rang khác nhau (ví dụ: kéo dài giai đoạn Maillard với hồ sơ EM) để tạo ra các hồ sơ hương vị độc đáo, đặc trưng của thương hiệu, mà vẫn có thể kiểm soát chặt chẽ mức độ rang cuối cùng dựa trên các giá trị Lab*. Điều này cho phép sự sáng tạo không giới hạn mà không đánh mất sự kiểm soát.

Fig. Correlations between the L*a*b* color coordinates for the seven roast profiles and three coffee origins. (a) a* vs. L*, (b) b* vs. L* (c) a* vs. b*, and (d) L* vs. a* vs. b*. Three-dimensional plot of the L*a*b* values for all roast profiles and coffee origins. The black curved lines represent second-order polynomial regression curves, with red dashed lines marking the start and end of each roast milestone, and the thick red line indicating the median of each milestone.

4.3. Tiêu chuẩn hóa trong sản xuất và giao tiếp:

• Bài học: Dữ liệu Lab* là một ngôn ngữ chung và khách quan để mô tả màu sắc. Điều này giúp loại bỏ sự mơ hồ trong giao tiếp giữa các bên liên quan.
• Ứng dụng: Chủ quán cà phê có thể yêu cầu nhà cung cấp của mình cung cấp thông số Lab* cho từng loại cà phê. Khi phản hồi về sản phẩm, thay vì nói "Cà phê này rang hơi tối," họ có thể nói "Giá trị L* của mẻ này thấp hơn 5 đơn vị so với yêu cầu của chúng tôi," giúp nhà rang xay dễ dàng điều chỉnh hơn.

4.4. Hướng tới tự động hóa và công nghệ:

• Bài học: Sự nhất quán của đường cong màu mở ra một tiềm năng lớn cho việc tự động hóa.
• Ứng dụng: Với sự hỗ trợ của các cảm biến quang học, các máy rang cà phê thế hệ mới có thể được lập trình để theo dõi màu sắc theo thời gian thực và tự động điều chỉnh nhiệt độ/dòng khí để đảm bảo cà phê đi theo đúng "đường cong" đã định. Điều này không chỉ tăng hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu lỗi do con người.

Fig. Direct comparison of our L*a*b* values with data from other publications. (a) a* vs. L*, (b) b* vs. L* (c) a* vs. b*, and (d) Three-dimensional plot of the L*a*b* values.

Kết luận:

Nghiên cứu của UC Davis đã chứng minh rằng rang cà phê, mặc dù mang yếu tố nghệ thuật, nhưng lại được chi phối bởi các quy luật khoa học nhất quán. Việc khám phá ra "đường cong màu sắc phổ quát" không làm giảm đi sự sáng tạo mà ngược lại, cung cấp cho các nhà rang xay một công cụ mạnh mẽ để hiểu, kiểm soát và tối ưu hóa quá trình của họ. Từ việc đảm bảo chất lượng đồng đều đến việc phát triển các hồ sơ hương vị độc đáo, những phát hiện này có thể được áp dụng vào mọi khía cạnh của ngành công nghiệp cà phê, giúp nâng cao tiêu chuẩn và mang lại những trải nghiệm tốt hơn cho người thưởng thức.