Hiểu đúng về độ ẩm – yếu tố quan trọng trong quá trình rang

Độ ẩm là một trong những yếu tố vật lý quan trọng nhất của cà phê nhân xanh, và được xem là chỉ số chất lượng thiết yếu ở mọi giai đoạn trong chuỗi cung ứng – từ người trồng, đơn vị thu mua cho đến nhà rang xay. Với người sản xuất và kinh doanh, độ ẩm không chỉ phản ánh mức độ ổn định của cà phê trong bảo quản, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị thương mại và thời hạn sử dụng của hạt cà phê. Nếu độ ẩm quá cao – ví dụ vượt quá 12,5% – cà phê sẽ dễ bị xuống cấp, mất hương vị và có nguy cơ phát sinh nấm mốc trong quá trình lưu kho và vận chuyển.

Ngược lại, nếu làm khô cà phê quá mức chỉ để kéo dài thời gian bảo quản, người sản xuất có thể chịu thiệt về mặt tài chính. Bởi trong kinh doanh số lượng lớn, chỉ cần chênh lệch 1% độ ẩm cũng có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về trọng lượng hàng hóa và giá trị đơn hàng.

Là một mắt xích gần cuối trong chuỗi cung ứng, các nhà rang xay có trách nhiệm kép khi nói đến quản lý độ ẩm trong cà phê nhân xanh.

Một mặt, họ cần duy trì độ ẩm ổn định trong kho lưu trữ, đảm bảo hạt cà phê luôn nằm trong phạm vi cho phép để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế. Mặt khác – và quan trọng hơn – trong vòng chỉ vài phút ngắn ngủi khi rang, máy rang phải loại bỏ gần như toàn bộ lượng ẩm còn lại trong hạt cà phê thông qua nhiệt độ và áp suất cao. Chính trong khoảng thời gian này, hạt cà phê hấp thụ một lượng năng lượng lớn hơn bất kỳ giai đoạn nào khác trong toàn bộ chuỗi cung ứng. Và thành công hay thất bại của một mẻ rang phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả của quá trình khử ẩm ban đầu – bao gồm cả cách năng lượng được truyền vào hạt, lẫn hàm lượng ẩm thực tế có trong từng hạt cà phê.

Với vai trò đặc biệt như vậy, không khó hiểu vì sao các nhà rang xay cần quan tâm đến độ ẩm nhiều hơn chỉ là một con số kỹ thuật. Tuy nhiên, giá trị thực tế của thông số độ ẩm do nhà sản xuất cung cấp – và vai trò thật sự của nó trong các phản ứng vật lý, hoá học trong quá trình rang – vẫn còn là câu hỏi mở.

Bài viết này từ Le Cafe được thực hiện nhằm cung cấp một góc nhìn mới – giúp bạn hiểu rõ hơn về cơ chế khử ẩm, cách độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, biến đổi nội tại của hạt cà phê, và cách dự đoán – điều chỉnh – kiểm soát những yếu tố này trong từng mẻ rang.

Đo độ ẩm đúng cách để đảm bảo chất lượng rang

Phương pháp tiêu chuẩn quốc tế để đo độ ẩm cà phê nhân xanh là phương pháp sấy khô – được xem là độ tham chiếu chính xác cao nhất, thường dùng để hiệu chuẩn các thiết bị đo nhanh khác (theo ISO, 2012).

Nguyên tắc rất đơn giản:

• Cân một mẫu cà phê nhân, khoảng 10 gram
• Đưa vào lò sấy ở 105°C trong 16 giờ
• Cân mẫu sau khi sấy
• Chênh lệch khối lượng được quy đổi thành phần trăm độ ẩm

Phương pháp này giả định rằng sự mất khối lượng là do nước bốc hơi, tuy nhiên trong một số trường hợp, có thể có một phần nhỏ khối lượng mất đi là do các hợp chất dễ bay hơi hoặc bị phân hủy trong quá trình sấy.

Máy đo điện dung – Công cụ phổ biến tại các xưởng rang

Trong thực tế, đặc biệt tại các xưởng rang, máy đo độ ẩm bằng điện dung là công cụ được sử dụng rộng rãi nhất. Đây là thiết bị giúp ước tính nhanh độ ẩm của cà phê nhân bằng cách đo khả năng tích điện của mẫu cà phê nằm giữa hai tấm kim loại trong buồng đo.

Nguyên lý hoạt động:

Máy đo mức điện tích mà mẫu cà phê có thể giữ lại – chỉ số này phụ thuộc trực tiếp vào độ ẩm và khối lượng riêng của cà phê. Vì lý do đó, việc nạp đầy buồng đo đúng cách là cực kỳ quan trọng. Nếu mẫu không đủ đầy hoặc không đều, máy có thể đưa ra kết quả sai lệch do mật độ không phản ánh chính xác toàn bộ mẻ cà phê.

Không phải hạt cà phê nào cũng có cùng độ ẩm

Trong suốt quá trình rang, độ ẩm trong hạt cà phê liên tục giảm dần, tuy nhiên ngay cả khi rang đậm, một lượng nhỏ hơi ẩm vẫn còn lại bên trong hạt. Theo nghiên cứu của Wang & Lim (2015), cà phê rang thường giữ lại độ ẩm ở mức 1–3%, tùy thuộc vào giống cà phê và điều kiện rang cụ thể.

Trong nhiều tài liệu hướng dẫn kỹ thuật, giai đoạn đầu tiên của quá trình rang – trước khi hạt bắt đầu thay đổi màu sắc – thường được gọi là “giai đoạn làm khô” (drying phase). Tuy nhiên, tên gọi này đôi khi gây hiểu nhầm, khiến người học nghĩ rằng việc bay hơi nước chỉ xảy ra ở giai đoạn đầu, và sau đó là các quá trình khác không liên quan đến độ ẩm.

Trên thực tế, hơi nước vẫn tiếp tục thoát ra trong suốt toàn bộ quá trình rang, chỉ là tốc độ bay hơi cao nhất thường xảy ra ở giai đoạn đầu – khi nhiệt độ được truyền dần vào lõi hạt (Eggers & Pietsch, 2001). Ngoài ra, thời gian và mức độ của giai đoạn này có thể thay đổi tùy theo cấu hình rang và loại hạt sử dụng.

Trong bất kỳ lô cà phê nào, luôn tồn tại sự khác biệt về độ ẩm giữa các hạt, thậm chí ngay trên cùng một hạt, các vùng khác nhau cũng có thể giữ độ ẩm không đồng đều (Caporaso et al., 20). Chính điều này khiến mỗi hạt phản ứng khác nhau với nhiệt độ và thời gian trong quá trình rang – một yếu tố phức tạp mà các nhà rang xay cần hiểu rõ để tối ưu hoá kỹ thuật rang.

Độ ẩm không đồng nhất có thể gây nên sự không đều màu, phát triển hương vị không đồng nhất hoặc mất kiểm soát giai đoạn nổ (crack). Việc hiểu rõ đặc điểm độ ẩm nội tại và cơ chế bay hơi sẽ giúp nhà rang chủ động hơn trong việc thiết kế profile rang phù hợp với từng loại cà phê.

Độ ẩm trong cà phê không chỉ khác nhau giữa các loại hạt mà còn biến thiên ngay trong một hạt cà phê đơn lẻ. Những hạt có độ ẩm cao hơn khi bắt đầu rang thường sẽ mất nước nhanh hơn trong giai đoạn đầu của quá trình rang, do chênh lệch nhiệt độ và áp suất hơi nước lớn hơn.

Tuy nhiên, khi tiến gần đến cuối quá trình rang, độ ẩm trong toàn bộ mẻ rang có xu hướng cân bằng, với đa số hạt tiệm cận mức độ ẩm của những hạt khô nhất trong mẻ. Điều này cho thấy sự không đồng nhất ban đầu dần được san bằng, nhưng vẫn có ảnh hưởng nhất định đến tốc độ phát triển và phản ứng bên trong từng hạt.

Luồng không khí (airflow) trong máy rang cũng đóng vai trò trong việc kiểm soát tốc độ mất ẩm. Theo nghiên cứu của Eggers & Pietsch (2001), luồng khí lớn hơn giúp đẩy nhanh quá trình bay hơi và làm tăng tốc độ khử ẩm của hạt. Tuy nhiên, theo Scott Rao – chuyên gia rang xay và tác giả cuốn The Coffee Roaster’s Companion (2014), ảnh hưởng này chỉ đáng kể khi so sánh giữa các dòng máy khác nhau, chẳng hạn như:

• Máy rang không khí (fluid-bed): tốc độ mất ẩm nhanh và mạnh hơn.
• Máy rang trống (drum roaster): tốc độ khử ẩm chậm hơn và ổn định hơn.

Với máy rang trống truyền thống, những thay đổi nhỏ trong cài đặt luồng không khí không tạo ra khác biệt đáng kể trong tốc độ mất ẩm hoặc độ ẩm cuối cùng của hạt.

Nhiệt độ sôi của nước không phải lúc nào cũng là 100°C

Ảnh hưởng quan trọng nhất của độ ẩm trong quá trình rang cà phê không đơn giản là sự bay hơi, mà là những gì xảy ra khi nước rời khỏi hạt dưới dạng hơi nước.

Khi rang bắt đầu, loại nước đầu tiên bay hơi là “nước tự do” – tức là phần nước không liên kết với bất kỳ cấu trúc hoặc hợp chất nào trong hạt cà phê. Đây chính là loại nước sẵn sàng tham gia vào các phản ứng hóa học, và cũng là phần được phản ánh trong các phép đo hoạt độ nước (water activity). Tuy nhiên, khi nhiệt độ trong hạt tăng lên, hơi nước bắt đầu tích tụ nhanh hơn tốc độ thoát ra, khiến áp suất bên trong hạt tăng dần. Và điều thú vị là: ở áp suất cao hơn, điểm sôi của nước cũng tăng theo. Chính vì vậy, trong nồi hơi của máy pha espresso, nước có thể đạt đến nhiệt độ 120°C hoặc cao hơn mà vẫn ở dạng lỏng.

Trở lại với hạt cà phê – khi nhiệt độ tiếp tục tăng, áp suất bên trong hạt trở nên đủ lớn để giữ nước tự do lại, làm cho nước chuyển hóa thành hơi nước ở nhiệt độ cao hơn 100°C. Áp suất tích tụ này không chỉ làm cho hạt nở ra, mà còn là nguyên nhân chính gây nên vết nứt đầu tiên (first crack) – cột mốc quan trọng trong rang cà phê.

Đồng thời, áp suất và nhiệt độ cao cũng tạo điều kiện thúc đẩy một loạt phản ứng hóa học như caramel hóa, Maillard và phân hủy đường – những phản ứng quyết định hương vị cuối cùng của cà phê rang.

Không chỉ nước tự do – nước “liên kết” cũng đóng vai trò quan trọng

Bên cạnh nước tự do – phần có thể dễ dàng bay hơi trong giai đoạn đầu khi rang, hạt cà phê còn chứa nước liên kết – là các phân tử nước gắn chặt với cấu trúc hóa học bên trong hạt, chẳng hạn như protein, carbohydrate hoặc thành tế bào.

Khác với nước tự do, nước liên kết cần nhiều năng lượng hơn để bốc hơi, và quá trình thoát ra khỏi hạt diễn ra muộn hơn trong quá trình rang. Khi nhiệt độ hạt tăng lên, một phần nước liên kết sẽ tách khỏi cấu trúc hạt và hòa vào “bể nước tự do”, từ đó làm tăng hoạt độ nước bên trong hạt. Điều này lý giải vì sao hoạt độ nước thường cao hơn ở nhiệt độ cao hơn, ngay cả khi tổng độ ẩm đã giảm.

Độ ẩm không khí và vai trò trong truyền nhiệt

Không chỉ độ ẩm trong hạt, mà độ ẩm của không khí bên trong máy rang cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả rang cà phê. Theo nghiên cứu của Schenker (2000), không khí ẩm có nhiệt dung riêng cao hơn không khí khô – tức là ở cùng một mức nhiệt độ, không khí ẩm mang nhiều năng lượng hơn.

Kết quả là, không khí ẩm truyền năng lượng cho hạt cà phê hiệu quả hơn, giúp quá trình rang diễn ra nhanh hơn một chút so với điều kiện không khí khô. Đặc biệt, các loại máy rang tuần hoàn khí nóng (recirculation roasters) thường có độ ẩm trong buồng rang cao hơn, do khí nóng được tái sử dụng liên tục. Điều này cũng giúp tăng hiệu suất truyền nhiệt và ảnh hưởng đến sự phát triển của hương vị.

Hoạt độ nước – Những điều cần lưu ý

Lưu ý về hoạt độ nước (Water Activity – aw) trong cà phê nhân

Hoạt độ nước (ký hiệu là aw) là thước đo lượng nước “tự do” – tức phần nước không liên kết hóa học với các thành phần khác trong hạt cà phê. Theo định nghĩa kỹ thuật, hoạt độ nước là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của nước trong sản phẩm (p) so với *áp suất hơi riêng phần của nước tinh khiết ở cùng điều kiện (p)**, hay:

aw=pp∗aw = \frac{p}{p^*}aw=p∗p​

Ở điều kiện tiêu chuẩn, nước tinh khiết có aw = 1, vì vậy hoạt độ nước trong các sản phẩm thực phẩm luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1. Với cà phê nhân đã được làm khô về mức độ ẩm 10–12%, hoạt độ nước thường nằm trong khoảng 0.45 – 0.55.

Vì sao hoạt độ nước quan trọng?

Cả độ ẩm và hoạt độ nước đều ảnh hưởng lớn đến khả năng bảo quản và chất lượng cà phê nhân, nhưng chúng không giống nhau:

• Độ ẩm đo tổng lượng nước trong hạt
• Hoạt độ nước chỉ đo phần nước có thể “di động” – tức là có khả năng tham gia vào phản ứng hóa học và tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển

Ví dụ:

• Hầu hết vi khuẩn cần aw ≥ 0.91 để tồn tại
• Vi nấm cần aw ≥ 0.70
• aw < 0.60, vi sinh vật gần như không thể phát triển

Chính vì thế, Hiệp hội Cà phê Đặc sản (SCA) quy định rằng:

• Độ ẩm tiêu chuẩn cho specialty coffee: 10–12.5%
• Hoạt độ nước phải < 0.70

Khó khăn khi đo aw và giới hạn hiện tại

Khác với đo độ ẩm – vốn dễ thực hiện chỉ trong vài giây bằng máy đo điện dung, việc đo hoạt độ nước thường mất từ 5 đến 20 phút tùy theo loại thiết bị. Một số dòng máy đo chuyên dụng còn yêu cầu hiệu chuẩn hoặc xử lý mẫu kỹ lưỡng.

Vì lý do đó, mối tương quan giữa hoạt độ nước và quá trình rang cà phê vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Dù ai cũng biết aw ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi và phản ứng hóa học khi rang, nhưng vẫn cần thêm nhiều thử nghiệm thực tế để hiểu rõ hơn cách aw tác động đến cấu trúc và hương vị cà phê sau khi rang.