Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê: Cơ chế nào khiến cấu trúc cellulose đứt gãy?

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê là gì? Khám phá nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê và sự thay đổi của cấu trúc cellulose cùng ILOTA. 

Trong một mẻ rang, người rang thường theo dõi những tín hiệu quen thuộc như màu hạt, mùi thơm, RoR hay tiếng First Crack. Tuy nhiên, phía sau những thay đổi có thể quan sát và nghe thấy là một chuỗi biến đổi phức tạp diễn ra bên trong hạt: nhiệt được truyền vào, nước di chuyển và thoát ra, khí hình thành, áp suất tăng lên, cấu trúc tế bào biến dạng và hạt liên tục thay đổi tính chất cơ học.

Một khái niệm đặc biệt quan trọng để lý giải quá trình này là chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê (glass transition). Khi vượt qua vùng chuyển pha, nền vật liệu trong hạt có thể thay đổi từ trạng thái cứng, giòn sang trạng thái linh động và dễ biến dạng hơn. Sự thay đổi này có liên hệ chặt chẽ với nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê, trạng thái ẩm và lịch sử nhiệt mà hạt đã trải qua.

Ở cấp độ cấu trúc, cấu trúc cellulose hạt cà phê đóng vai trò như một bộ khung chịu lực. Khi hạt tiếp tục nóng lên, hơi nước và khí tích tụ bên trong tạo áp suất, trong khi cấu trúc tế bào phải chịu sự giãn nở và biến dạng. Mô hình cơ học cho thấy sự tích tụ ứng suất và biến dạng của cấu trúc cellulose có thể góp phần giải thích cơ chế First Crack 

Vì vậy, First Crack không đơn thuần là một tiếng “nổ” báo hiệu hạt đã rang đến một mốc nhiệt nhất định. Đó có thể được xem là biểu hiện vĩ mô của một quá trình tương tác giữa nhiệt, ẩm, áp suất và cơ học vật liệu diễn ra trước đó bên trong hạt.

Trong bài viết này, ILOTA sẽ cùng bạn đi sâu vào chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, từ cơ chế của glass transition, nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê đến những thay đổi trong cấu trúc cellulose hạt cà phê và mối liên hệ giữa biến dạng cấu trúc với First Crack.

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê là gì?

Để hiểu chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, trước hết cần làm rõ một cách hiểu khá phổ biến: glass transition không có nghĩa là hạt cà phê “tan chảy” hay chuyển thành thủy tinh. Đây là một hiện tượng liên quan đến sự thay đổi trạng thái vật lý và tính chất cơ học của nền vật liệu khi nhiệt độ và trạng thái ẩm thay đổi.

Trong trạng thái dưới vùng chuyển pha, các thành phần vô định hình trong hạt có độ linh động thấp hơn. Cấu trúc có xu hướng cứng, kém biến dạng và tương đối giòn. Khi nhiệt độ tăng và hệ vượt qua vùng glass transition, mức độ linh động của vật liệu tăng lên, khiến cấu trúc có thể chuyển sang trạng thái mềm và dễ biến dạng hơn, thường được mô tả bằng sự chuyển từ trạng thái glassy sang rubbery.

Điểm đáng chú ý là hạt cà phê không phải một vật liệu đồng nhất. Bên trong hạt đồng thời có carbohydrate, protein, lipid, khoáng chất, axit hữu cơ, nước và hệ thống cấu trúc tế bào. Vì vậy, chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê nên được hiểu như một sự thay đổi về tính chất của một hệ vật liệu phức tạp, thay vì một “mốc nhiệt độ” đơn lẻ.

Điều này cũng giải thích tại sao nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê không thể được xem là một con số cố định cho mọi loại hạt. Trạng thái nước, hoạt độ nước, thành phần hóa học, điều kiện đo và lịch sử nhiệt đều có thể ảnh hưởng đến Tg của hệ.

Từ trạng thái “glassy” sang “rubbery”

Có thể hình dung hạt cà phê như một hệ cấu trúc đang thay đổi liên tục dưới tác động của nhiệt.

Ở trạng thái có tính glassy cao, các thành phần trong nền vật liệu bị hạn chế chuyển động hơn. Hạt có xu hướng cứng và khó biến dạng. Khi nhiệt độ tăng, sự linh động của hệ tăng lên. Nếu điều kiện phù hợp để vượt qua vùng chuyển pha, vật liệu có thể trở nên mềm và có khả năng biến dạng lớn hơn.

Đây là điểm quan trọng khi nghiên cứu chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê bởi quá trình này diễn ra trong bối cảnh hạt đồng thời mất ẩm, tạo khí và giãn nở.

Nói cách khác, khi nhiệt độ tăng, không chỉ có một biến số thay đổi. Cả nhiệt độ, nước, áp suất và tính chất cơ học của cấu trúc hạt đều đang biến đổi cùng lúc.

Vì vậy, glass transition có thể được xem như một ranh giới về trạng thái vật liệu, cho biết cấu trúc đang phản ứng với nhiệt theo cách khác trước. Nó không phải là một “nút bật” báo hiệu một sự kiện cụ thể sẽ xảy ra ngay lập tức.

Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê có phải là một con số cố định?

Không. Đây là điểm rất quan trọng khi tìm hiểu nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê. Tg (glass transition temperature) không phải một hằng số cố định của mọi hạt cà phê, mà phụ thuộc vào trạng thái của hệ vật liệu và điều kiện mà hạt đang tồn tại. Với cà phê, hoạt độ nước (aw) là một trong những yếu tố có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến Tg.

Trong nghiên cứu sử dụng phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) trên cà phê xanh và cà phê rang, các mẫu được cân bằng ở nhiều mức hoạt độ nước trước khi xác định Tg. Kết quả cho thấy khi aw tăng từ 0,155 lên 0,512, Tg của cà phê xanh giảm từ khoảng 48,76 ± 0,04°C xuống 34,89 ± 0,02°C. Ở cà phê rang, Tg giảm từ khoảng 45,73 ± 0,05°C xuống 40,15 ± 0,10°C trong cùng khoảng hoạt độ nước được khảo sát.

Những con số này cho thấy một điều rất đáng chú ý: nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê thay đổi theo trạng thái nước của hạt. Vì vậy, không thể lấy một giá trị Tg duy nhất từ một nghiên cứu rồi áp dụng nguyên xi cho mọi nguồn cà phê, mọi mức độ ẩm, mọi điều kiện bảo quản hay mọi profile rang.

Quan trọng hơn, Tg cũng không nên bị đồng nhất với một mốc nhiệt độ vận hành như First Crack. Tg mô tả sự thay đổi về độ linh động và tính chất cơ học của nền vật liệu, trong khi First Crack là một sự kiện cấu trúc xảy ra khi nhiều yếu tố như nhiệt, khí, áp suất và khả năng biến dạng của hạt tương tác với nhau.

Nói cách khác, câu hỏi đúng không phải là:

“Cà phê chuyển pha thủy tinh ở chính xác bao nhiêu độ?”

Mà nên là:

“Ở trạng thái ẩm và điều kiện vật liệu cụ thể này, hạt bắt đầu thay đổi tính chất cơ học như thế nào khi nhiệt độ tăng?”

Tuy nhiên các giá trị trên được xác định trong điều kiện thí nghiệm cụ thể và không nên được xem là nhiệt độ vận hành chung cho mọi mẻ rang.  

Muốn hiểu rõ hơn vì sao mỗi lô cà phê có thể phản ứng khác nhau khi đưa vào máy rang, cần bắt đầu từ chính trạng thái của nhân xanh. Độ ẩm, hoạt độ nước, mật độ, kích thước và các biến số vật lý của hạt đều có thể ảnh hưởng đến cách hạt nhận nhiệt và phát triển trong quá trình rang.

👉 Tìm hiểu thêm: [Biến số vật lý của cà phê nhân xanh: Nền tảng quyết định một mẻ rang ổn định]

ILOTA chia sẻ các góc nhìn chuyên sâu về nguyên liệu, quá trình rang và kiểm soát chất lượng, giúp người rang hiểu không chỉ hạt đang ở bao nhiêu độ mà còn vì sao hạt phản ứng như vậy.

Nước ảnh hưởng đến Tg như thế nào?

Nước trong hạt cà phê không chỉ là thành phần sẽ được loại bỏ trong quá trình rang. Ở cấp độ vật liệu, nước có thể hoạt động như một chất hóa dẻo (plasticizer), làm tăng độ linh động của một số thành phần trong nền vật chất vô định hình. Nghiên cứu về glass transition của cà phê cũng xác định nước và glycerol là những tác nhân hóa dẻo quan trọng đối với hệ vật liệu này.

Khi trạng thái của nước thay đổi, khả năng chuyển động của các thành phần trong nền vật liệu cũng thay đổi. Điều này ảnh hưởng đến cách hạt phản ứng trước nhiệt và biến dạng. Có thể hình dung một cách đơn giản:

Trạng thái nước thay đổi → độ linh động của vật liệu thay đổi → Tg thay đổi → tính chất cơ học của hạt thay đổi.

Đó là lý do nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê cần được nhìn cùng với độ ẩm và hoạt độ nước, thay vì tách thành một chỉ số độc lập.

Đặc biệt, moisture content và water activity không phải là hai khái niệm có thể dùng thay thế cho nhau. Moisture content cho biết lượng nước trong mẫu, còn hoạt độ nước phản ánh trạng thái năng lượng và mức độ “sẵn sàng” của nước trong hệ. Với một vật liệu phức tạp như cà phê, sự khác biệt này có thể ảnh hưởng đến tính chất vật lý và độ ổn định của hạt.

Cấu trúc cellulose hạt cà phê giữ vai trò gì?

Khi nói đến cấu trúc cellulose hạt cà phê, nhiều người dễ hình dung cellulose như một lớp vật liệu đơn giản bao quanh hạt. Thực tế, cấu trúc cellulose hạt cà phê phức tạp hơn nhiều. Hạt cà phê là một hệ vật liệu xốp gồm mạng tế bào, thành tế bào, khoảng rỗng và nhiều hợp chất hữu cơ cùng tồn tại. Trong quá trình rang, toàn bộ hệ này liên tục thay đổi dưới tác động đồng thời của nhiệt, độ ẩm, khí và áp suất.

Chính vì vậy, để hiểu chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, không thể chỉ nhìn vào thành phần hóa học của cellulose. Cần xem hạt cà phê như một hệ vật liệu có khả năng biến dạng, chịu lực và giãn nở khi nhiệt độ và trạng thái ẩm thay đổi.

Trong mô hình cơ học của Fadai và cộng sự, cấu trúc hạt cà phê được mô tả theo hướng poro viscoelastic — tức có sự kết hợp giữa đặc tính đàn hồi, đặc tính nhớt và hệ lỗ rỗng. Cách tiếp cận này đặc biệt quan trọng khi phân tích cấu trúc cellulose hạt cà phê, bởi hạt không phản ứng như một vật liệu hoàn toàn cứng.

Khi nhiệt độ thay đổi, khả năng biến dạng của cấu trúc cũng thay đổi. Khi nước và khí di chuyển trong hệ lỗ rỗng, trạng thái ứng suất bên trong hạt tiếp tục biến đổi. Đây cũng là một trong những lý do nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê không nên được hiểu như một con số cố định cho mọi hạt và mọi điều kiện rang.

Có thể hình dung hạt cà phê như một cấu trúc vừa phải chịu lực, vừa phải cho phép giãn nở. Khi nhiệt truyền vào, nước dần thoát ra, khí được hình thành và thể tích bên trong có xu hướng tăng. Trong khi đó, mạng cấu trúc tế bào vẫn phải duy trì tính liên kết.

Chính sự tương tác giữa khả năng giãn nở và khả năng chịu tải này tạo nên một phần nền tảng cơ học của quá trình rang. Khi đặt trong bối cảnh chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, sự thay đổi tính chất cơ học của vật liệu trở thành một mắt xích quan trọng để giải thích vì sao cùng một hạt nhưng ở những giai đoạn rang khác nhau lại phản ứng khác nhau trước cùng một mức ứng suất.

Điểm đáng chú ý là cấu trúc cellulose hạt cà phê không có tính chất cố định trong suốt mẻ rang. Nhiệt độ và trạng thái ẩm thay đổi liên tục khiến vật liệu chuyển từ trạng thái tương đối cứng sang linh động hơn, sau đó lại có thể trở nên giòn hơn khi hạt được làm nguội.

Vì vậy, chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê không phải là một sự kiện tách biệt khỏi cấu trúc cellulose. Nó liên quan đến cách nền vật liệu thay đổi khả năng biến dạng khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi.

Cellulose là một phần của “bộ khung” chịu lực trong hạt

Cellulose không nên được hiểu như một lớp vỏ riêng biệt bao quanh toàn bộ hạt. Trong bối cảnh cơ học của hạt cà phê, điều quan trọng hơn là mạng cấu trúc giàu cellulose của thành tế bào góp phần tạo nên bộ khung có khả năng chịu và truyền lực.

Khi hạt bắt đầu được gia nhiệt, cấu trúc cellulose hạt cà phê phải đối mặt với nhiều thay đổi cùng lúc. Nhiệt làm thay đổi tính chất vật liệu; nước thay đổi trạng thái và di chuyển; khí sinh ra bên trong làm áp suất tăng; thể tích hạt tăng lên và tạo ra biến dạng.

Nếu sự biến dạng còn nằm trong giới hạn chịu tải, cấu trúc có thể tiếp tục hấp thụ ứng suất. Nhưng khi ứng suất vượt quá khả năng thích nghi của mạng tế bào, các vùng yếu có thể bắt đầu xuất hiện nứt và lan truyền.

Đây là lý do khi nghiên cứu đứt gãy cellulose cà phê, cần nhìn cả khả năng biến dạng của mạng tế bào chứ không chỉ nhìn vào thành phần hóa học của cellulose.

Nói cách khác, đứt gãy cellulose cà phê trong bối cảnh rang nên được hiểu thận trọng hơn là sự phá vỡ hoặc biến dạng lớn của mạng cấu trúc giàu cellulose. Không nên đơn giản hóa thành việc toàn bộ phân tử cellulose đồng loạt “bị gãy” tại một mức nhiệt cụ thể.

Cellulose không “gãy” chỉ vì nhiệt độ cao

Cụm từ đứt gãy cellulose cà phê rất dễ khiến người đọc hình dung rằng cellulose sẽ bị phá hủy ngay khi hạt đạt đến một nhiệt độ nhất định. Tuy nhiên, cách hiểu này quá đơn giản nếu đặt trong bối cảnh cơ học của quá trình rang. Điều quan trọng hơn là cấu trúc có khả năng chịu tải đến đâu trước khi xảy ra phá vỡ.

Nhiệt độ cao có thể làm thay đổi tính chất cơ học của vật liệu, nhưng nhiệt độ tự nó không phải nguyên nhân duy nhất tạo ra vết nứt. Hạt còn phải đồng thời chịu tác động của áp suất khí, sự giãn nở thể tích, độ ẩm và sự phân bố nhiệt không đồng đều giữa các vùng bên trong.

Vì vậy, cần phân biệt: nhiệt độ cao → thay đổi tính chất vật liệu với ứng suất vượt giới hạn chịu tải → biến dạng lớn và phá vỡ cấu trúc.

Sự phân biệt này đặc biệt quan trọng khi liên hệ chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê với First Crack.

Nghiên cứu mô hình hóa của Fadai và cộng sự xem First Crack có liên quan đến sự biến dạng và phá vỡ ở quy mô lớn của cấu trúc giàu cellulose. Trong mô hình này, sự gia tăng ứng suất bên trong hạt đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi vùng bên trong có xu hướng giãn nở nhưng bị giới hạn bởi cấu trúc xung quanh.

Vì vậy, đứt gãy cellulose cà phê nên được hiểu theo nghĩa phá vỡ hoặc biến dạng lớn của mạng cấu trúc tế bào giàu cellulose, thay vì hiểu rằng toàn bộ phân tử cellulose đồng loạt bị phân hủy tại một điểm nhiệt.

Mối liên hệ giữa chuyển pha thủy tinh và cấu trúc cellulose

Đây là điểm mà chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê bắt đầu liên kết trực tiếp với cơ học của hạt. Khi còn ở trạng thái glassy, nền vật liệu có độ linh động thấp, tương đối cứng và khả năng biến dạng bị hạn chế.

Khi nhiệt độ và trạng thái ẩm thay đổi, độ linh động của hệ tăng lên, khiến cấu trúc có thể biến dạng dưới tác động của ứng suất dễ hơn. Đây chính là lý do nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê có ý nghĩa khi phân tích sự thay đổi tính chất cơ học của hạt.

Tuy nhiên, vượt qua vùng glass transition không đồng nghĩa với việc cấu trúc sẽ lập tức nứt hoặc phá vỡ. Trong một khoảng nhất định, khả năng biến dạng cao hơn còn giúp hạt hấp thụ và phân bổ một phần ứng suất phát sinh khi thể tích bên trong tăng lên.

Vấn đề chỉ trở nên nghiêm trọng khi quá trình rang tiếp tục.

Khí và hơi nước vẫn được hình thành, áp suất bên trong tiếp tục tăng, trong khi cấu trúc cellulose hạt cà phê phải chống lại xu hướng giãn nở. Khi đó, câu hỏi quan trọng không còn đơn giản là “vật liệu mềm hay cứng?”, mà là:

Cấu trúc còn đủ khả năng biến dạng để hấp thụ mức ứng suất đang hình thành hay không?

Nếu khả năng biến dạng không còn đủ, ứng suất bắt đầu tập trung tại những vùng yếu của mạng tế bào. Cấu trúc tiến gần giới hạn chịu tải, từ đó có thể xuất hiện biến dạng lớn, hình thành vết nứt và cuối cùng dẫn đến phá vỡ cấu trúc.

Vì vậy, chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê nên được xem là một mắt xích trong chuỗi thay đổi tính chất cơ học của hạt. Nó góp phần quyết định cách cấu trúc phản ứng trước nhiệt và áp suất, nhưng không phải nguyên nhân duy nhất của First Crack.

Các mô hình cơ học cho thấy sự gia tăng áp suất, biến dạng và ứng suất trong cấu trúc hạt có thể góp phần tạo ra điều kiện dẫn đến First Crack. Tuy nhiên, cơ chế vật lý đầy đủ của hiện tượng này vẫn chưa được giải thích hoàn toàn.

Từ chuyển pha thủy tinh đến First Crack

Một trong những điểm thú vị nhất của chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê là mối liên hệ của nó với First Crack. Tuy nhiên, hai hiện tượng này không nên được xem là một.

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê liên quan đến sự thay đổi tính chất cơ học của nền vật liệu, còn First Crack là biểu hiện vĩ mô của quá trình biến dạng và phá vỡ cấu trúc khi hạt tiếp tục được gia nhiệt.

Trong giai đoạn đầu của mẻ rang, hạt cà phê liên tục hấp thụ năng lượng từ môi trường xung quanh. Nước trong hạt bắt đầu di chuyển và thoát ra ngoài, đồng thời các phản ứng nhiệt hóa học ngày càng mạnh hơn.

Khi nhiệt tiếp tục truyền vào phần lõi, khí và hơi nước hình thành, thể tích bên trong có xu hướng tăng và áp suất nội tại bắt đầu trở thành một yếu tố quan trọng.

Ở thời điểm này, hạt không còn đơn thuần là một vật thể đang nóng lên. Nó trở thành một hệ vật liệu chịu đồng thời tác động của nhiệt, ẩm, áp suất và biến dạng.

Khi trạng thái vật liệu thay đổi do nhiệt, khả năng biến dạng của cấu trúc cellulose hạt cà phê cũng thay đổi. Đây là nơi chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê trở nên đáng chú ý.

Khi nền vật liệu chuyển từ trạng thái có tính glassy sang trạng thái linh động hơn, cấu trúc có khả năng hấp thụ biến dạng theo một cách khác so với giai đoạn đầu của quá trình rang.

Nhưng khả năng biến dạng không phải là vô hạn.

Khi khí tiếp tục hình thành, áp suất bên trong tăng lên trong khi mạng tế bào vẫn phải chống lại sự giãn nở. Ứng suất bắt đầu tích tụ trong hạt. Nếu khả năng biến dạng của cấu trúc không còn đủ để hấp thụ mức ứng suất mới, các vùng yếu có thể bắt đầu chịu tải lớn hơn.

Từ đây, quá trình có thể chuyển từ biến dạng → tập trung ứng suất → hình thành nứt → phá vỡ cấu trúc.

Đó là lý do khi giải thích đứt gãy cellulose cà phê, không nên chỉ đặt một câu hỏi như “hạt đạt bao nhiêu độ thì cellulose gãy?”. Câu hỏi chính xác hơn phải là: tại thời điểm đó, cấu trúc tế bào của hạt còn khả năng chịu và phân tán ứng suất đến đâu?

Và đây cũng chính là điểm liên kết quan trọng giữa nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê, cấu trúc cellulose hạt cà phê và quá trình dẫn đến First Crack.

First Crack không chỉ là một tín hiệu âm thanh mà còn là cột mốc quan trọng để đánh giá quá trình phát triển của hạt 

👉 Tìm hiểu thêm: [First Crack là gì? Hiểu đúng về “tiếng nổ đầu tiên” trong 5 phút]

Áp suất bên trong làm thay đổi bài toán cơ học

Có thể hình dung hạt cà phê như một cấu trúc xốp có thành tế bào bao quanh các khoảng rỗng bên trong.

Ở phía trong, khí và hơi nước có xu hướng giãn nở khi nhiệt độ tăng.

Ở phía ngoài, mạng cấu trúc của hạt phải chống lại xu hướng tăng thể tích đó.

Hai xu hướng này tạo nên một bài toán cơ học liên tục thay đổi theo thời gian.

Khi phần bên trong muốn giãn nở nhưng bị giới hạn bởi cấu trúc xung quanh, ứng suất có thể tích tụ. Đặc biệt, nếu các vùng khác nhau trong hạt có tính chất cơ học khác nhau, mức độ biến dạng cũng không đồng đều. Mô hình cơ học của Fadai và cộng sự mô tả cấu trúc hạt theo hướng poroviscoelastic, cho phép xem xét đồng thời tính đàn hồi, tính nhớt và hệ lỗ rỗng của hạt.

Điều này giúp giải thích một điểm rất quan trọng: áp suất bên trong không chỉ làm hạt “phồng lên”, mà còn tạo ra sự phân bố ứng suất trong toàn bộ cấu trúc.

Khi nhiệt độ tăng, nền vật liệu thay đổi tính chất. Khi nước tiếp tục thoát ra, trạng thái của vật liệu tiếp tục thay đổi. Khi khí hình thành, áp suất tăng. Tất cả những yếu tố này diễn ra đồng thời và tác động qua lại với nhau.

Có thể đơn giản hóa chuỗi biến đổi thành:

Nhiệt tăng → trạng thái vật liệu thay đổi → khí và hơi hình thành → áp suất tăng → hạt giãn nở → ứng suất tích tụ → cấu trúc biến dạng.

Khi khả năng hấp thụ biến dạng của cấu trúc không còn đủ để chống lại mức ứng suất đang hình thành, những vùng yếu trong mạng tế bào có thể bắt đầu xuất hiện và lan truyền vết nứt.

Đây chính là lý do cấu trúc cellulose hạt cà phê có liên quan chặt chẽ đến First Crack. Cellulose không đơn giản là một thành phần hóa học đứng riêng lẻ, mà là một phần của mạng cấu trúc phải chịu lực trong suốt quá trình hạt giãn nở và biến dạng.

First Crack không phải một nút “bật/tắt”

Trong thực tế rang, First Crack thường được dùng như một cột mốc để người rang đánh giá giai đoạn phát triển của hạt. Tuy nhiên, về mặt vật lý, First Crack không phải một công tắc bật lên tại một nhiệt độ duy nhất.

Không có một con số nào có thể áp dụng giống nhau cho mọi loại cà phê.

Thời điểm First Crack chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: đặc tính nguyên liệu, độ ẩm, mật độ, kích thước hạt, lịch sử truyền nhiệt, tốc độ gia nhiệt, trạng thái của cấu trúc bên trong và mức độ tích tụ áp suất.

Vì vậy, hai lô cà phê có thể được rang bằng những điều kiện tương đối giống nhau nhưng vẫn có thời điểm First Crack khác nhau.

Quan trọng hơn, First Crack cũng không bắt đầu đúng tại khoảnh khắc người rang nghe thấy tiếng “tách” đầu tiên. Tiếng crack là tín hiệu âm thanh xuất hiện khi quá trình biến dạng và phá vỡ cấu trúc đã phát triển đến mức đủ lớn, trong khi những thay đổi về nhiệt, ẩm, áp suất và tính chất vật liệu đã diễn ra từ trước đó.

Có thể hình dung First Crack như phần “nổi” của một quá trình bắt đầu âm thầm bên trong hạt.

Trước khi người rang nghe thấy crack:

hạt đã nhận nhiệt → nước đã thay đổi trạng thái → vật liệu đã thay đổi tính chất → khí đã hình thành → áp suất đã tăng → cấu trúc đã chịu biến dạng.

Do đó, nếu chỉ giải thích First Crack bằng câu “nước sôi làm hạt nổ”, chúng ta đang bỏ qua phần lớn bài toán vật lý bên trong hạt.

Vì sao hạt cà phê lại nở khi cấu trúc bắt đầu phá vỡ?

Khi rang, hạt cà phê đồng thời trải qua hai thay đổi tưởng như trái ngược: khối lượng giảm nhưng thể tích lại tăng. Nước tiếp tục được giải phóng, một phần các chất dễ bay hơi bị mất đi, trong khi khí và hơi nước hình thành bên trong tạo lực đẩy khiến cấu trúc tế bào giãn nở. Vì vậy, hạt sau rang trở nên nhẹ hơn, xốp hơn và có thể tích lớn hơn đáng kể so với trạng thái nhân xanh.

Ở giai đoạn đầu, sự gia nhiệt chủ yếu thúc đẩy quá trình mất ẩm và làm thay đổi tính chất vật liệu. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các phản ứng nhiệt hóa học diễn ra mạnh hơn, đồng thời khí được hình thành và tích tụ trong hệ thống lỗ rỗng của hạt. Áp suất bên trong tăng lên tạo ra lực tác động lên thành tế bào, khiến cấu trúc bắt đầu biến dạng và giãn ra.

Điều đáng chú ý là cấu trúc cellulose hạt cà phê không giãn nở một cách tự do. Mạng lưới thành tế bào phải đồng thời chịu lực từ bên trong và duy trì liên kết cấu trúc. Khi áp suất tiếp tục tăng nhưng khả năng chịu biến dạng của vật liệu bị giới hạn, ứng suất có thể tập trung tại những vùng yếu. Đây là một trong những điều kiện góp phần dẫn tới nứt và phá vỡ cấu trúc, liên quan trực tiếp đến quá trình đứt gãy cellulose cà phê ở quy mô cấu trúc.

Điều gì xảy ra với hạt sau khi First Crack?

First Crack không phải là điểm kết thúc của quá trình biến đổi cấu trúc, mà chỉ là một cột mốc cho thấy hạt đã bước sang một trạng thái cơ học khác. Sau những tiếng crack đầu tiên, hạt vẫn tiếp tục nhận năng lượng, giải phóng khí và trải qua những thay đổi về cấu trúc tế bào, độ xốp, màu sắc và tính chất cơ học.

Trong giai đoạn sau First Crack, cấu trúc hạt đã xuất hiện những vùng nứt và khoảng rỗng mới. Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt, các phản ứng nhiệt hóa học vẫn diễn ra, đồng thời thành tế bào tiếp tục chịu tác động của nhiệt và áp suất khí còn lại bên trong. Vì vậy, mức độ phát triển sau First Crack có thể tiếp tục làm thay đổi đáng kể đặc tính cuối cùng của hạt.

Một nghiên cứu về tính chất cơ học của cà phê rang cho thấy độ bền và khả năng chịu biến dạng của hạt thay đổi đáng kể trong quá trình rang. Hạt dần mất đi tính dai ban đầu, trở nên giòn hơn và dễ phá vỡ hơn khi mức độ rang tăng. Sự thay đổi này liên quan đến mất nước, biến đổi cấu trúc mô và các quá trình nhiệt hóa học diễn ra đồng thời trong hạt.

Sau First Crack, cấu trúc hạt vẫn tiếp tục phát triển

Khi First Crack bắt đầu, một phần áp suất bên trong đã được giải phóng thông qua các vết nứt và sự giãn nở của cấu trúc. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa toàn bộ hạt đã đạt trạng thái ổn định.

Phần cấu trúc chưa bị phá vỡ vẫn tiếp tục chịu nhiệt. Các khoảng rỗng có thể tiếp tục mở rộng, những vùng liên kết yếu có thể tiếp tục biến dạng và lượng khí còn lại tiếp tục được giải phóng.

Do đó, khoảng thời gian từ First Crack đến khi kết thúc mẻ rang rất quan trọng.

Có thể hình dung:

First Crack = cấu trúc bắt đầu giải phóng ứng suất mạnh.

Development = cấu trúc tiếp tục thay đổi dưới tác động của nhiệt sau khi crack đã xuất hiện.

Đây là lý do hai mẻ cà phê cùng có First Crack nhưng có thời gian development khác nhau vẫn có thể cho ra những hạt có độ giòn, mức độ xốp, màu sắc và đặc tính chiết xuất khác nhau.

Độ xốp tiếp tục thay đổi sau khi hạt nứt

Một trong những hệ quả rõ rệt của quá trình rang là sự gia tăng độ xốp của hạt.

Ở trạng thái nhân xanh, cấu trúc tế bào tương đối chặt và chứa lượng ẩm đáng kể. Khi rang, nước thoát ra, khí được tạo thành và áp suất nội tại thúc đẩy quá trình giãn nở. Sau First Crack, sự phá vỡ cấu trúc tiếp tục góp phần tạo ra nhiều khoảng rỗng hơn.

Những khoảng rỗng này không chỉ làm hạt nở lớn hơn mà còn ảnh hưởng đến cách hạt bị phá vỡ trong quá trình xay.

Hạt rang càng có cấu trúc xốp và giòn, lực cần thiết để nghiền nhỏ càng thay đổi. Đồng thời, sự phân bố lỗ rỗng cũng ảnh hưởng đến cách nước tiếp cận vật liệu hòa tan khi bước sang công đoạn chiết xuất.

Vì vậy, độ xốp không chỉ là kết quả của quá trình rang mà còn là một trong những cầu nối giữa rang, xay và chiết xuất.

Những yếu tố có thể làm thay đổi quá trình đứt gãy cấu trúc

Không có một nguyên nhân duy nhất giải thích đứt gãy cellulose cà phê. Hiện tượng này là kết quả của nhiều yếu tố cùng tác động lên hạt trong suốt quá trình rang. Nhiệt độ, trạng thái nước, cấu trúc vật liệu, áp suất khí và đặc tính ban đầu của nguyên liệu đều có thể làm thay đổi cách hạt biến dạng và tích lũy ứng suất.

Độ ẩm và hoạt độ nước

Nước không chỉ được giải phóng trong quá trình rang mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học của vật liệu. Khi trạng thái nước trong hạt thay đổi, độ linh động của nền vật liệu và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê cũng có thể thay đổi.

Ở cùng một mức nhiệt, hai hạt có trạng thái ẩm khác nhau chưa chắc có khả năng biến dạng giống nhau. Một hạt có thể trở nên linh động hơn và hấp thụ biến dạng tốt hơn, trong khi hạt khác có thể tích lũy ứng suất nhanh hơn.

Vì vậy, khi nghiên cứu chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, độ ẩm và hoạt độ nước cần được xem là những biến số nền tảng chứ không chỉ là thông số kiểm tra trước khi rang.

Mật độ và kích thước hạt

Mật độ và kích thước ảnh hưởng đến cách nhiệt và ẩm truyền qua hạt. Hạt có cấu trúc đặc hơn, lớn hơn hoặc có phân bố vật chất khác nhau có thể cần thời gian khác nhau để nhiệt truyền vào phần lõi.

Điều này tạo ra sự khác biệt về lịch sử nhiệt giữa các vùng trong cùng một hạt. Trong quá trình gia nhiệt, phần ngoài có thể đã thay đổi tính chất cơ học trong khi phần lõi vẫn đang tiếp tục nhận nhiệt và giải phóng ẩm.

Các mô hình truyền nhiệt và truyền ẩm cho hạt cà phê cũng phải tính đến hình học và kích thước hạt, bởi đây là những yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt và ẩm bên trong.

Do đó, không nên giả định rằng mọi hạt trong cùng một mẻ đều đạt cùng một trạng thái vật lý chỉ vì chúng đang được rang trong cùng một môi trường.

Tốc độ gia nhiệt

Tốc độ gia nhiệt quyết định tốc độ mà hạt đi qua các biến đổi vật lý và hóa học.

Nếu năng lượng được đưa vào quá nhanh, sự chênh lệch giữa bề mặt và lõi có thể trở nên đáng kể. Bề mặt có thể tăng nhiệt nhanh trong khi phần bên trong chưa kịp phản ứng tương ứng. Ngược lại, tốc độ gia nhiệt quá chậm sẽ tạo ra một lịch sử nhiệt hoàn toàn khác và làm thay đổi thời gian hạt trải qua từng giai đoạn.

Điều quan trọng không chỉ là hạt đạt bao nhiêu độ, mà còn là hạt đã đi đến nhiệt độ đó bằng cách nào.

Lịch sử nhiệt khác nhau có thể dẫn đến trạng thái vật liệu khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến khả năng biến dạng, tích lũy ứng suất và thời điểm xuất hiện phá vỡ cấu trúc.

Cách năng lượng được đưa vào hạt cũng ảnh hưởng đến lịch sử nhiệt và trạng thái của hạt trong từng giai đoạn.

👉 Tìm hiểu thêm: [Tốc độ rang cà phê: Mối liên hệ giữa nhiệt, thời gian và cảm quan]

Áp suất khí bên trong

Khi rang, nước và các chất dễ bay hơi được giải phóng, đồng thời nhiều khí được hình thành. Những khí này tích tụ trong hệ thống lỗ rỗng của hạt và góp phần làm tăng áp suất bên trong.

Trong khi đó, cấu trúc tế bào và mạng vật liệu của hạt phải chống lại xu hướng giãn nở từ bên trong. Khi áp suất tăng cùng với sự thay đổi tính chất cơ học do nhiệt, ứng suất trong cấu trúc có thể tăng nhanh.

Có thể hình dung quá trình theo chuỗi:

Gia nhiệt → hình thành khí → áp suất tăng → giãn nở → ứng suất tích tụ → biến dạng → phá vỡ cấu trúc.

Đây là một trong những lý do áp suất bên trong cần được xem xét cùng với cấu trúc cellulose hạt cà phê khi giải thích First Crack và đứt gãy cellulose cà phê.

Tính đồng nhất của nguyên liệu

Độ đồng đều của nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng đều của quá trình rang.

Nếu trong cùng một mẻ có sự khác biệt lớn về kích thước, mật độ, độ ẩm hoặc trạng thái vật lý, các hạt sẽ không nhận và truyền nhiệt giống nhau. Một số hạt có thể đạt trạng thái biến dạng mạnh sớm hơn, trong khi những hạt khác vẫn đang ở giai đoạn phát triển trước đó.

Kết quả là First Crack có thể diễn ra không đồng đều, mức độ giãn nở khác nhau và cấu trúc cuối cùng của hạt cũng không giống nhau.

Vì vậy, khi kiểm soát đứt gãy cellulose cà phê, không thể chỉ tập trung vào profile của máy rang. Chất lượng và độ đồng nhất của nhân xanh chính là điều kiện đầu vào quyết định một phần cách cấu trúc hạt phản ứng với nhiệt.

5 hiểu lầm phổ biến về chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê

Khi tìm hiểu chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, rất dễ xuất hiện những cách diễn giải quá đơn giản. Đặc biệt, việc đồng nhất Tg với First Crack hoặc xem nhiệt độ là yếu tố duy nhất quyết định sự thay đổi cấu trúc có thể khiến người đọc hiểu sai cơ chế vật lý của hạt. Dưới đây là 5 hiểu lầm phổ biến cần phân biệt rõ.

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê có ý nghĩa gì với cà phê chất lượng cao?

Với cà phê chất lượng cao, mục tiêu không chỉ là tạo ra một mẻ rang có hương vị tốt mà còn phải tái lập được kết quả giữa các mẻ. Muốn vậy, người rang cần hiểu rằng hạt cà phê không phải một khối vật liệu đồng nhất. Mỗi hạt mang theo những khác biệt về kích thước, mật độ, độ ẩm và trạng thái vật lý, nên cách chúng tiếp nhận và phân phối nhiệt cũng có thể khác nhau.

Đây là lý do chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê có giá trị về mặt thực hành. Hiểu sự thay đổi trạng thái của vật liệu giúp người rang nhìn First Crack và quá trình biến dạng của hạt dưới góc độ sâu hơn, thay vì chỉ dựa vào một mốc nhiệt độ cố định.

Đồng thời, cấu trúc cellulose hạt cà phê cũng cần được xem xét như một phần của hệ cơ học. Khi nhiệt độ, độ ẩm và áp suất thay đổi, khả năng biến dạng của cấu trúc cũng thay đổi. Nghiên cứu về đặc tính cơ học của hạt cho thấy những thay đổi này có thể cung cấp thêm thông tin về tiến trình rang và trạng thái cấu trúc bên trong.

Vì vậy, kiến thức về cellulose không chỉ dành cho phòng thí nghiệm. Nó giúp người rang hiểu rõ hơn vì sao cùng một mức nhiệt nhưng những hạt hoặc những lô nguyên liệu khác nhau vẫn có thể phản ứng khác nhau.

Nguồn ILOTA tham khảo thông tin trong bài

Thông tin trong bài được ILOTA tổng hợp và đối chiếu từ các nghiên cứu khoa học về chuyển pha thủy tinh, tính chất cơ học, truyền nhiệt – truyền ẩm và biến dạng cấu trúc của hạt cà phê trong quá trình rang. Các nguồn được sử dụng nhằm giải thích mối liên hệ giữa trạng thái vật liệu, áp suất bên trong, cấu trúc cellulose và First Crack.

1. Food Chemistry – Chuyển pha thủy tinh của cà phê xanh và cà phê rang

Iaccheri, E. et al. (2019). “Glass transition of green and roasted coffee investigated by calorimetric and dielectric techniques.”

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) kết hợp với đo điện môi để khảo sát chuyển pha thủy tinh của cà phê xanh và cà phê rang ở các mức hoạt độ nước khác nhau. Kết quả cho thấy Tg thay đổi theo hoạt độ nước, qua đó giúp giải thích vai trò của trạng thái nước đối với tính chất vật lý của hạt. Đây là nguồn tham khảo chính cho phần chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê, nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê và mối quan hệ giữa Tg với nước.

Link: Glass transition of green and roasted coffee investigated by calorimetric and dielectric techniques. 

2. International Journal of Non-Linear Mechanics – Mô hình biến dạng cấu trúc hạt cà phê khi rang

Fadai, N. T., Please, C. P., & Van Gorder, R. A. (2019). “Modelling structural deformations in a roasting coffee bean.”

Nghiên cứu xây dựng mô hình mô tả ứng suất và biến dạng trong cấu trúc cellulose của hạt cà phê rang bằng phương trình vật liệu phụ thuộc nhiệt độ theo hướng poroviscoelastic. Mô hình đồng thời xem xét ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ và áp suất khí bên trong hạt, đồng thời cho thấy sự gia tăng ứng suất nội tại khi hạt biến dạng trong quá trình rang. Đây là nguồn quan trọng nhất cho phần cấu trúc cellulose hạt cà phê, đứt gãy cellulose cà phê, áp suất bên trong và cơ chế liên quan đến First Crack.

Link: Modelling structural deformations in a roasting coffee bean. 

3. Journal of Food Engineering – Tính đàn hồi của hạt cà phê trong quá trình rang

Severin, H. G. & Lindemann, B. (2024). “Elasticity of coffee beans: A novel approach to understanding the roasting process.”

Nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi tính chất cơ học và tính đàn hồi của hạt cà phê trong quá trình rang. Tác giả cho thấy quá trình sấy ban đầu, thay đổi cấu trúc khi nhiệt độ tăng, phản ứng hóa học và sự giải phóng khí đều làm thay đổi đáng kể đặc tính cơ học của hạt.

Nghiên cứu cũng đề xuất sử dụng phép đo tính đàn hồi như một chỉ dấu bổ sung để theo dõi tiến trình rang và những thay đổi bên trong hạt. Đây là nguồn tham khảo cho phần giải thích hạt thay đổi tính chất cơ học sau First Crack và vì sao các tín hiệu cơ học có thể cung cấp thêm thông tin ngoài màu sắc bề mặt.

Link: Elasticity of coffee beans: A novel approach to understanding the roasting process. 

Kết luận

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê giúp mở rộng cách nhìn về quá trình rang: từ việc chỉ theo dõi nhiệt độ và màu sắc sang việc quan sát sự thay đổi của vật liệu bên trong hạt. Khi nhiệt độ và trạng thái nước thay đổi, độ linh động và khả năng biến dạng của nền vật liệu cũng thay đổi theo.

Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê vì vậy không phải một con số cố định để đồng nhất với First Crack. Tg phụ thuộc vào trạng thái của hệ, đặc biệt là nước và hoạt độ nước, trong khi First Crack là kết quả của nhiều quá trình xảy ra đồng thời.

Khi hạt tiếp tục nhận nhiệt, khí và hơi nước làm áp suất bên trong tăng lên. Cấu trúc cellulose hạt cà phê phải chống lại sự giãn nở và hấp thụ ứng suất. Khi khả năng biến dạng không còn đủ, đứt gãy cellulose cà phê ở quy mô cấu trúc có thể xảy ra và góp phần tạo nên First Crack.

Do đó, First Crack không nên được hiểu đơn giản là một tiếng nổ xảy ra tại một nhiệt độ cố định. Nó là biểu hiện vĩ mô của sự tương tác giữa nhiệt, ẩm, áp suất, biến dạng và tính chất cơ học của hạt.

Với ILOTA, hiểu được chuỗi biến đổi này giúp người rang tiến từ việc “đọc nhiệt độ” sang “đọc trạng thái của hạt” — biết hạt đang thay đổi như thế nào, cấu trúc đang chịu tác động ra sao và vì sao mỗi nguyên liệu có thể phản ứng khác nhau trong cùng một profile rang.

Chuyển pha thủy tinh trong rang cà phê chỉ là một phần trong bức tranh vật lý của hạt. Khi kết hợp kiến thức về nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cà phê, cấu trúc cellulose hạt cà phê, độ ẩm và các biến số vật lý của nhân xanh, người rang có thể xây dựng profile phù hợp với từng nguyên liệu thay vì áp dụng một công thức cố định. 

👉 Khám phá thêm các bài viết chuyên sâu về cà phê và rang tại ILOTA: [Tại đây]

ILOTA – Nhà rang Cà phê “May đo” 

1. Tham gia ILOTA ACADEMY để cập nhật kiến thức chuyên sâu về Trà & Cà phê mỗi ngày. 👉 [Tham gia nhóm tại đây]
2. Tư vấn & Đặt hàng:

👉 Mua sỉ, kênh quán, OEM: 0989 099 033 (Anh Thắng)

👉 Mua lẻ: 0988 345 175 (Thái Sơn)

Facebook: ILOTA Coffee Roasters

Địa chỉ: Biệt thự 3, ngõ 2A Chế Lan Viên, phường Đông Ngạc, Hà Nội