CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về cây cà phê Cà phê là tên một chi thực vật thuộc ngành Magloniophyta, lớp Magnoliopsida, họ Thiên Thảo, chi Coffea. Các loài cà phê thường trồng ở Việt Nam gồm có: Cà phê chè hay còn gọi là cà phê Arabica (Coffea arabica) Cà phê vối hay còn gọi là cà phê Robusta (Coffea robusta) Cà phê mít (Coffea excelsa) Cà phê dâu da (Coffea liberica) Ngoài ra còn có 2 loài: Coffea arabusta và Coffea catimor là kết quả của sự tạp giao nhân tạo và tự nhiên giữa 2 loài Arabica – Robusta. Coffea arabusta có hàm lượng caffeine thấp, cho chất lượng cà phê tốt hơn Robusta và sức đề kháng bệnh cao hơn so với Arabica [1, 2].
Dưới đây là chi tiết về 4 loài cà phê thường trồng tại Việt Nam.1 Cà phê Arabica Cây có nguồn gốc ở cao nguyên Jimma, thuộc nước Ethiopia, vùng nhiệt đới phía đông Châu Phi. Cà phê Arabica là loại được trồng lâu đời nhất và được tiêu thụ nhiều nhất, chiếm 70% sản lượng cà phê toàn thế giới, vì có hương vị thơm ngon, dịu nhẹ. Cây có một số đặc điểm như sau: Thân cây cao 3 – 4 m ở điều kiện thường và có thể cao 6 – 7 m khi ở điều kiện thuận lợi; cành mọc thành từng đôi đối xứng nhau, có nhiều cành thứ cấp và tạo với cành cơ bản một mặt phẳng cắt ngang thân cây; lá có màu xanh đậm mọc đối xứng, có hình bầu dục dài, đầu lá nhọn, rìa lá quăn, gồm 9 – 12 cặp gân lá trong đó mỗi gân dài 10 – 15 cm và rộng 4 – 6 cm; hoa có màu trắng, hương thơm dịu, mọc thành chùm ở nách lá; hạt cà phê có 2 lớp vỏ, lớp ngoài cứng gọi là vỏ trấu, lớp trong mỏng bám sát vào hạt gọi là vỏ lụa; quả hình trứng khi chín có màu đỏ, có đường kính 10 – 18 mm (hình 1.1); hàm lượng caffeine trong hạt trung bình là 1,3 %. Cà phê Arabica có đặc tính tự thụ phấn cho nên có độ thuần chủng cao, cây có nhiều giống khác nhau như: Coffea Arabica Var typica Coffea Arabica Var bourbon Coffea Arabica Var amarello Coffea Arabica Var managogype 2 do an Coffea Arabica Var laurina Coffea Arabica Var catimor Coffea Arabica Var mokka Coffea Arabica Var mundonovo Coffea Arabica Var catuai [2] 1.2 Cà phê Robusta Loài cà phê này được phát hiện ở vùng rừng thấp thuộc châu thổ sông Công gô, miền vùng xích đạo và nhiệt đới Tây Châu Phi vào đầu thế kỷ XX.
Cây có một số đặc điểm như: Cây có một hoặc nhiều thân, cao từ 8 – 12 m; cành dài, cành thứ cấp ít; lá hình bầu hoặc hình mũi mác, đầu lá nhọn, phiến lá gợn sóng mạnh; hoa mọc thành chùm ở nách lá, gồm 1 – 3 cụm, mỗi cụm có 15 – 30 hoa, tràng hoa trắng có 5 – 7 cánh hoa; cây có hạt màu xám xanh đục hoặc ngả vàng tùy theo giống và hạt thường nhỏ hơn cà phê Arabica, nhưng có tỷ lệ nhân/quả tươi cao hơn cà phê Arabica; quả có hình tròn hoặc hình trứng, trên quả có nhiều gân dọc, khi chín quả có màu đỏ hoặc màu hồng (hình 1. Hàm lượng caffeine trung bình trong hạt là 1,5 – 3% ( tỉ lệ cao nhất trong 3 loại cà phê) và cây không tự thụ phấn được. Cà phê Robusta gồm 3 giống chính sau: Coffea canephora Var robusta Coffea canephora Var kouilou Coffea canephora Var niaouli [2] 1.3 Cà phê Excelsa Năm 1902, lần đầu tiên cây cà phê Excelsa được phát hiện ở xứ Ubangui – Chari, xứ Biển Hồ Sát, sa mạc Sahara, nên thường được gọi là cà phê Chari. Cây có một số đặc điểm như: Có chiều cao 15 – 20 m; lá to và dài tới 25 – 40 cm, hình trứng hoặc mũi mác, đầu lá có mũi ngắn, bẹt, có 6 – 9 đôi gân lá; hoa thường mọc thành chùm ở nách lá gồm 1 – 5 xim, mỗi xim có 2 – 4 hoa; hạt có màu xanh ngả vàng, phần vỏ lụa bám rất chặt vào hạt nên rất khó để làm tróc; quả có hình trứng, hơi dẹt, núm quả lồi, khi chín có màu đỏ sẫm, thịt quả giòn và ít ngọt (hình 1.3); hàm lượng caffeine trong cà phê Excelsa thấp, đạt khoảng 1,02 – 1,15% trong khi cà phê Arabica là 1,8 – 2% và cà phê Robusta là 2,5 – 3%; loài này thường sinh trưởng tốt, ít sâu bệnh, chịu nắng hạn khá, ít chiếm diện tích đất trồng.
Đáng chú ý là hoa quả phát triển cả trên các mắt ngủ của cành già, kể cả trên thân cây, nơi phân cành. Hương vị cà phê Excelsa kém, vị chua, ít thơm hoặc không có mùi thơm [2].4 Cà phê Liberica Loài cà phê này có nguồn gốc ở Liberia, cây có một số đặc điểm như sau: Cây cao từ 15 – 18 m, cành khỏe bền; lá to hình bầu dục, dài 15 – 35 cm, rộng 8 – 15 cm, phiến lá xanh đậm, có 8 – 12 đôi gân; hoa mọc thành cụm, tràng hoa có màu trắng; quả mọc thưa, to giống quả dâu da, thịt quả dày và nhiều xơ, nhân có màu vàng [2] (hình 1. Lá, quả và hoa cây cà phê Arabica Hình 1. Lá, quả và hoa cây cà phê Robusta Hình 1.
Lá, quả và hoa cây cà phê Excelsa Hình 1. Lá, quả và hoa cây cà phê Liberica 4 do an 1.2 Thành phần hóa học và tác dụng sinh học của cây cà phê 1.1 Thành phần hóa học cây cà phê Từ các bộ phận của các loài cà phê, người ta đã phân lập được một số lớp chất như: Alkaloid, diterpene, amide, glycoside, acid béo [9, 10]. Alkaloid Allantoic acid (1) Caffeine (2) Paraxanthine (3) O O N N N N O N N N O N H O 3,7-dimethylxanthine (4) 1,3-dimethylxanthine (5) Theacrine (6) 3-methylindolin-2-one (7.a) 3-methyl-3H-indol-2-ol (7.b) Liberin (8) Methylberin (9) 5 do an Glycoside Acylsucrose-6-O-(3-Methylbutanoyl) (10) 6-O- -D-Apiofuranosyl- 1-O-3-Methylbutanoyl-D-glucose (11) 6-O- -D-Apiofuranosyl- Mozambioside (13) 1-O-3-Methyl-2-butenoyl-D-glucose (12) Mascaroside (14) 6 do an Amide N-Coumaroyltryptophan (16) N-Caffeoyltryptophan (17) R= C19H39 Eicosanoylserotonin (18) Acrylamid (20) R= C23H45 Tetracosanoylserotonin (19) Chất chống oxi hóa O O O O O O O O O Cholorogenic acid (22) Ascorbic acid (23) Quinine (25) Tocopherol (24) 7 do an Diterpene Cafestol (26) Kahweol (27) 16-O-Methyl-cafestol (28) Dehydrocafestol (29) Dehydrokahweol (30) Cafestal (31) Kahweal (32) 1-Methylpyridinium-3-carboxylate (21) Acid béo Stearic acid (33) Myristic acid (34) Panmitic acid (35) Oleic acid (36) Palmitoleic acid (37) Arachidic acid (38) 8 do an Đối với cây cà phê, hạt cà phê là đối tượng thu hoạch chủ yếu và chứa nhiều hợp chất có tác dụng sinh học quan trọng. Hạt cà phê xanh giàu glucide (chiếm hơn 50 %), phần lớn là các polysaccharide, lipid (4 – 18 %), protein (9 – 16 %) và acid hữu cơ, đặc biệt là các cafeoylquinic acid hay chlorogenic acid [4].
Thành phần hóa học trong quả cà phê được trình bày trong Bảng 1. Thành phần hóa học trong quả cà phê [4] Hàm lượng Thành phần g/100 g mg/100 g Nước 8 – 12 Chất dầu 4 – 18 Đạm 1.5 Proteine 9 – 16 Caffeine 1 (Arabica), 2 (robusta) Chlorogenic acid 2 Trigonelline 1 Tannin 2 Caffetanic acid 8–9 Caffeic acid 1 Pentosane 5 Tinh bột 5 – 23 Saccharose 5 – 10 Cellulose 10 – 20 Hemicelllulose 20 Lignine 4 Calcium 85 – 100 Phosphur 130 – 165 Sắt 3 – 10 Sodium 4 Manganese 1 – 45 9 do an Một số hợp chất chính có trong hạt cà phê: - Caffeine (2) Caffeine (C8H10O2N4.H2O) kết tinh với một phân tử nước nhưng trở nên khan khi nung nóng đến nhiệt độ 80 – 100 oC. Caffeine khan chứa 28,8 % N. Caffeine khan ở dạng tinh thể trắng hình kim, tan trong nước và chloroform.
Caffeine (1,3,7– trimethylxanthine) (2) là purine chính trong hạt cà phê. Ngoài ra còn có theobromine (3,7-dimethylxanthine) (4) và rất ít theophylline (1,3-dimethylxanthine) (5) [15]. - Trigonelline (21) Trigonelline (1-methylpyridinium-3-carboxylate) là một trong những thành phần quan trọng trong hạt cà phê nhưng lại rất ít khi được biết tới. Hàm lượng trigonelline được tìm thấy trong cà phê Arabica là khoảng 1 % và trong cà phê Robusta là khoảng 0.
Nhiệm vụ quan trong nhất của trigonelline trong hạt cà phê là tạo hương vị trong quá trình rang. Khi gặp nhiệt độ trên 160oC, trigonelline phản ứng dần trong điều kiện nhiệt độ cao để tạo thành khí CO2, nước và phức hợp các chất tạo mùi thơm thuộc nhóm pyridine. Các chất thuộc nhóm pyridine này là tác nhân chính để tạo hương vị ngọt ngào, hương caramel và hương đất cho các sản phẩm cà phê rang [15]. - Chất chống oxi hóa Những hợp chất chống oxi hóa dễ tìm thấy nhất là ascorbic acid (23) (một dạng vitamin C), tocopherol (24) (một dạng Vitamin E).
Người ta còn tìm thấy rất nhiều dạng hợp chất chống oxi hóa trong cà phê như chlorogenic acid (22) và quinine (25) - những hợp chất có khả năng tăng cường sức để kháng của cơ thể. Các chất này khi vào cơ thể giúp tăng cao nồng độ các chất chống oxi hóa trong máu. Tuy nhiên hàm lượng của các hợp chất chống oxi hóa lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ rang, lượng đường/sữa dùng kèm cà phê, tỷ lệ cà phê và nước khi pha chế,…. Vì thế chưa thể có một thống kê chính xác về hàm lượng của các chất chống oxi hóa trong cà phê [15].
- Diterpene Các hợp chất thuộc nhóm diterpene như cafestol (C20H28O3) (26) và kahweol (C20H26O3) (27) là những hợp chất được tìm thấy nhiều nhất trong dầu cà phê. Việc dùng nhiều các hợp chất thuộc nhóm diterpene làm tăng hàm lượng huyết thanh và cholesterol xấu (LDL cholesterol) trong máu. 10 do an Các hợp chất này hầu hết được giữ lại khi pha chế cà phê bằng phin giấy hoặc các loại giấy lọc, miếng lọc. Vì thế các phương pháp pha chế cà phê không qua quá trình lọc như cà phê kho, bình Percolator,… sẽ giữ lại các hợp chất này.
Tuy nhiên cũng có trường hợp ngoại lệ là cà phê hòa tan và cà phê Espresso. Trong khi cà phê hòa tan hầu như không giữ lại các chất thuộc nhóm diterpene thì cà phê Espresso chỉ giữ lại một lượng không đáng kể. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu về công dụng của các hợp chất thuộc nhóm diterpene trong việc điều trị các tế bào ung thư như ung thư trực tràng [15]. - Protein Hàm lượng protein có trong cà phê nhân đạt khoảng 9 – 16 %.
Mặc dù hàm lượng protein trong hạt cà phê khác nhau trong mỗi hạt, nhưng những hàm lượng này đều được kiểm soát bởi 3 yếu tố: độ trưởng thành của hạt, loại hạt và điều kiện bảo quản. Trong quá trình rang, protein hết hợp với các hợp chất thuộc nhóm carbohydrate trong phản ứng Maillard.