Sự Thật Về Lên Men Ướt,

Đây là giải thuyết của BOSGAURUS COFFEE sự trên thực nghiệm và quan điểm cá nhân, không phải là bài nghiên cứu khoa học.

Lên Men Ướt trong Sơ Chế Cà Phê: Môi Trường Gần Yếm Khí (Near-Anaerobic) và Yếm Khí (Anaerobic) Thay Vì Hiếu Khí

Quá trình lên men ướt (Submerged fermentation) là bước cốt lõi trong sơ chế cà phê ướt, nhằm tách lớp thịt quả (mucilage) bao quanh hạt cà phê, tạo điều kiện cho việc phơi sấy và rang sau này. Trong ngành cà phê Specialty, nhiều người lầm tưởng rằng lên men ướt (ngập nước) diễn ra trong môi trường hiếu khí (aerobic) do sử dụng bể hở tiếp xúc với không khí. Tuy nhiên, dựa trên các quan sát thực tế và dữ liệu khoa học thực địa, đặc biệt với mức oxy hòa tan giảm mạnh xuống 5 ppb (0.005 mg/L - w/w) trong 16-36 giờ và thậm chí dưới 1 ppb (0.001 mg/L) khi kéo dài trên 60 giờ, môi trường lên men ướt thường tiến đến trạng thái gần yếm khí (near-anaerobic) hoặc thậm chí yếm khí hoàn toàn (anaerobic) ở các lớp sâu của bể.

Sơ chế ướt công nghiệp

Sơ Chế Cà Phê Ướt và Vai Trò của Lên Men

Sau khi thu hoạch, quả cà phê được tách vỏ (depulping) để lộ lớp thịt quả (mucilage) giàu pectin, chứa đường, axit hữu cơ, và các hợp chất khác. Lớp thịt quả (lớp nhầy) này được phân giải thông qua lên men trong các bể hở hoặc bán hở, thường kéo dài 20- 36 giờ (hoặc trên 60 giờ trong một số trường hợp - DeepWashed của BOS. là 168h), trước khi hạt được rửa sạch và phơi sấy. Lên men không chỉ loại bỏ lớp thịt quả mà còn tạo ra các hợp chất hương vị phức tạp, như ester, rượu, và axit hữu cơ, góp phần định hình hồ sơ hương vị của cà phê.

Quan niệm truyền thống rằng lên men ướt diễn ra trong môi trường hiếu khí bắt nguồn từ thiết kế bể hở. Tuy nhiên, các quan sát thực tế khi sử dụng nấm men khởi động “starter culture” cho thấy nồng độ oxy hòa tan giảm mạnh (từ 10 ppm xuống 5 ppb trong 16-36 giờ, hoặc dưới 1 ppb sau 60 giờ), kết hợp với lớp bọt dày màu nâu trên bề mặt bể cản trở khuếch tán oxy, cho thấy môi trường này nghiêng về gần yếm khí hoặc yếm khí hoàn toàn, đặc biệt ở các lớp sâu của bể.

Bể lên men ướt tối ưu yếm khí

Môi Trường Gần Yếm Khí và Yếm Khí: Dữ Liệu Thực Tế

Quan sát thực tế từ các trang trại cà phê (sử dụng thiết bị đo oxy trong bia, oxy2go/oDGM của Haffmans cho dải cao và cực thấp) cho thấy nồng độ oxy hòa tan trong bể lên men ướt giảm đáng kể trong quá trình lên men:

• Trong 16-36 giờ: Nồng độ oxy hòa tan giảm từ 10 ppm (10 mg/L, nước bể men ở 20-25°C) xuống khoảng 5 ppb (0.005 mg/L), tức là giảm khoảng 2000 lần. Mức oxy cực thấp này cho thấy môi trường ở các lớp sâu của bể đạt trạng thái gần yếm khí, nơi vi khuẩn hiếu khí không thể hoạt động hiệu quả, và vi sinh vật yếm khí tùy nghi hoặc nấm men chiếm ưu thế.
• Trên 60 giờ: Khi kéo dài thời gian lên men trên 60 giờ, nồng độ oxy hòa tan giảm xuống dưới 1 ppb (0.001 mg/L), tương đương với điều kiện trong lên men yếm khí có kiểm soát (anaerobic fermentation). Ở mức này, bể có thể được coi là yếm khí hoàn toàn, đặc biệt ở các lớp sâu, nơi vi sinh vật hoạt động trong môi trường gần như không có oxy.

Lớp bọt dày màu nâu trên bề mặt bể, hình thành từ CO2 và các sản phẩm phụ của nấm men, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trạng thái gần yếm khí hoặc yếm khí. Bọt này làm giảm tốc độ khuếch tán oxy từ không khí vào chất lỏng, theo định luật Henry (C = kP), đồng thời CO2 tích tụ làm tăng áp suất riêng phần của CO2, đẩy oxy ra khỏi bể. Nghiên cứu về lên men bia cho thấy lớp bọt dày có thể giảm trao đổi khí đến 50-70%, và trong cà phê, với bọt “rất rất dày” như mô tả, hiệu ứng này còn mạnh hơn.

Vì Sao Không Phải Hiếu Khí Hoàn Toàn?

Quan niệm rằng lên men ướt là hiếu khí hoàn toàn không chính xác do các yếu tố sau:

Sự Suy Giảm Oxy Hòa Tan

Trong giai đoạn đầu (0-12 giờ), vi khuẩn hiếu khí và nấm men tiêu thụ oxy hòa tan để phân giải lớp nhầy, sản sinh axit acetic, CO2, và ethanol. Sau 12-36 giờ, oxy hòa tan giảm xuống 5 ppb ở các lớp sâu, và sau 60 giờ, mức oxy có thể giảm dưới 1 ppb. Mức oxy này quá thấp để duy trì hoạt động hiếu khí đầy đủ, khiến vi sinh vật yếm khí tùy nghi và nấm men chiếm ưu thế. Nghiên cứu của Evangelista et al. (2014) xác nhận rằng ở các lớp sâu, điều kiện gần yếm khí chi phối, trong khi lớp bề mặt có thể duy trì mức oxy 0.01-0.1 mg/L do khuếch tán từ không khí.

Vai Trò của Lớp Bọt và CO2

Lớp bọt dày màu nâu, hình thành từ hoạt động của nấm men, là rào cản vật lý làm giảm khuếch tán oxy. CO2 thoát ra từ quá trình lên men tích tụ trong bọt, làm tăng áp suất riêng phần của CO2 và giảm khả năng oxy hòa tan vào chất lỏng. Trong bể hở, khuếch tán oxy vẫn xảy ra ở lớp bề mặt, nhưng với bọt dày và thời gian kéo dài, hiệu ứng này bị hạn chế đáng kể, dẫn đến trạng thái gần yếm khí (5 ppb) hoặc yếm khí hoàn toàn (<1 ppb) ở các lớp sâu.

Lớp bọt nâu trên bề mặt bể lên men.

Gradient Oxy trong Bể

Bể lên men ướt không đồng nhất về nồng độ oxy. Lớp bề mặt, tiếp xúc với không khí, duy trì điều kiện vi yếm khí (microaerophilic, 0.01-0.1 mg/L), hỗ trợ vi khuẩn hiếu khí/nấm men. Tuy nhiên, ở các lớp giữa và đáy, nơi oxy khuếch tán chậm và bị tiêu thụ nhanh, môi trường đạt gần yếm khí (5 ppb) hoặc yếm khí hoàn toàn (<1 ppb) sau 60 giờ. Gradient oxy này giải thích tại sao lên men ướt không phải hiếu khí hoàn toàn mà là một hệ thống hỗn hợp.

Thời Gian Lên Men và Yếm Khí

Trong sơ chế ướt tiêu chuẩn (20-36 giờ), thời gian không đủ dài để cạn kiệt hoàn toàn oxy, dẫn đến trạng thái gần yếm khí. Tuy nhiên, khi kéo dài trên 60 giờ, như chúng tôi quan sát, sự tiêu thụ oxy bởi vi sinh vật và tích tụ CO2/bọt đẩy bể vào trạng thái yếm khí hoàn toàn, đặc biệt nếu không khuấy trộn. Nghiên cứu của Jackels và Jackels (2005) chỉ ra rằng thời gian lên men dài hơn làm tăng điều kiện vi yếm khí, và dữ liệu <1 ppb của chúng tôi xác nhận khả năng đạt yếm khí toàn phần.

Vi Sinh Vật trong Môi Trường Gần Yếm Khí/Yếm Khí

Hệ vi sinh vật trong lên men ướt rất đa dạng, bao gồm:

• Nấm men: Ở điều kiện gần yếm khí (5 ppb) hoặc yếm khí (<1 ppb), nấm men chuyển sang con đường lên men yếm khí, sản sinh ethanol, CO2, và ester, tạo hương vị hoa, trái cây, hoặc rượu. Sau 60 giờ, các hợp chất này trở nên đậm đà hơn, tương tự lên men anaerobic có kiểm soát.
• Vi khuẩn axit lactic: Hoạt động trong điều kiện oxy thấp, sản sinh axit lactic, làm giảm pH (3.5-4.5), ức chế vi sinh vật không mong muốn và tạo độ chua thanh.
• Vi khuẩn hiếu khí: Hoạt động chủ yếu ở lớp bề mặt trong 12-36 giờ, sản sinh axit acetic. Ở mức <1 ppb sau 60 giờ, hoạt động của chúng bị hạn chế đáng kể, đặc biệt ở các lớp sâu.

Sự chuyển dịch từ vi sinh vật hiếu khí sang yếm khí tùy nghi khi oxy giảm giải thích tại sao lên men ướt kéo dài tạo ra hồ sơ hương vị phức tạp, gần với cà phê anaerobic.

So Sánh với Lên Men Anaerobic Có Kiểm Soát

Lên men anaerobic có kiểm soát sử dụng bể kín, khi bơm khí trơ (N2, CO2), để đạt mức oxy <1 ppb, tạo môi trường yếm khí hoàn toàn. Trong khi đó, lên men ướt:

• 16-36 giờ: Đạt trạng thái gần yếm khí (5 ppb) ở các lớp sâu, nhưng lớp bề mặt vẫn vi yếm khí do khuếch tán oxy.
• Trên 60 giờ: Đạt yếm khí hoàn toàn (<1 ppb), đặc biệt nếu không khuấy trộn và bọt dày. Tuy nhiên, do bể hở, lớp bề mặt có thể giữ một lượng oxy tối thiểu, trừ khi bể rất sâu hoặc có nắp bán kín.

Hương vị từ lên men ướt kéo dài (>60 giờ) tương tự lên men anaerobic, nhưng có nguy cơ lên men quá mức, tạo mùi “funky” hoặc lỗi cảm quan nếu không kiểm soát pH và thời gian.

Thiết bị đo Oxy

Kết Luận

Lên men ướt trong sơ chế cà phê không phải là hiếu khí hoàn toàn mà tiến đến trạng thái gần yếm khí (5 ppb, 16-36 giờ) hoặc yếm khí hoàn toàn (<1 ppb, >60 giờ), đặc biệt ở các lớp sâu của bể. Sự suy giảm oxy hòa tan, lớp bọt dày, và thời gian lên men dài là yếu tố then chốt, được xác nhận bởi dữ liệu thực tế. Điều này mở ra cơ hội tạo ra các hương vị phức tạp trong cà phê Specialty, nhưng đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ để tránh lên men lỗi.