Sử Dụng Tia Cực Tím (UV) để Kiểm Soát Chất Lượng Cà Phê

Phân loại cà phê bằng đèn cực tím (Ultraviolet) có thể là một thước đo hữu ích về chất lượng cho các nhà kinh doanh cà phê, nhưng cho đến nay vẫn còn nhiều hạn chế trong lĩnh vực nghiên cứu này. Chúng ta không chắc ánh sáng cực tím có thể cho biết cà phê có già, kém phát triển hoặc chế biến không đúng cách hay không. Nhưng các nhà rang xay đã và đang áp dụng phương pháp này để cải thiện chất lượng hạt rang của họ. Với một số nhà rang xay xem chất lượng là tương đối, bước bổ sung này là không cần thiết nếu các quyết định mua hàng chính xác được đưa ra trước tiên.

Tuy vậy, kiểm tra hạt phát quang dưới tia UV thực sự chỉ tốn vài trăm nghìn cho một chiếc đèn cực tím. Kỹ thuật này có một sự hấp dẫn để thử nghiệm, với rất nhiều điều chưa rõ.

Để có được ánh sáng

Nếu vẫn nhớ các kiến thức về ánh sáng khả kiến, tia cực tím & sự phát huỳnh quang trong môn Vật Lý 12, bài đăng này sẽ rất dễ dàng (và hãy bỏ quan phần này). Ngược lại chỉ cần vài phút để bạn có thể bắt đầu hiểu một số nguyên lý mà thôi!

Trước tiên, “Ánh sáng” là chữ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380nm đến 760nm), còn gọi là vùng khả kiến. Về mặt tần số, điều này tương ứng với một dải tần số trong khoảng 400-790 THz. Một con mắt thích nghi với ánh sáng thường có độ nhạy tối đa của nó vào khoảng 555 nm (540 THz), tương ứng khu vực màu xanh của quang phổ quang học – Đó là lý do chúng ta rất ưa nhìn với màu xanh lá.

Như vậy, con người chỉ có thể cảm nhận được một phần của quang phổ điện từ – được biết đến với cách gọi khá rắc rối là “quang phổ ánh sáng khả kiến”. Phần còn lại – bao gồm tia hồng ngoại, ở phía bước sóng cao (hơn 760nm) ​​và tia cực tím ở bước sóng thấp (hơn 380nm) – có thể cảm nhận được theo một cách nào đó đối với các sinh vật khác. Con người cần có các thiết bị đặc biệt để cảm nhận nó – Ngoại trừ, trong trường hợp ánh sáng cực tím. Các chất như Phosphor có thể làm cho chúng ta nhận biết được sự hiện diện của tia cực tím thông qua hiện tượng huỳnh quang – Và đây chính là mấu chốt của bài viết này!

Tóm lại: Tia cực tím hay tia tử ngoại, tia UV (từ tiếng Anh Ultraviolet) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy. Nó có bước sóng từ 380 đến 200 nm với tần số cao hơn 790 THz

Wikipedia

Hiện tượng huỳnh quang trên hạt cà phê

Huỳnh quang là nguyên tắc hoạt động của những chiếc đèn tuýp ồn ào, khó chịu (bóng đèn huỳnh quang) mà chúng ta biết tới. Hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia cực tím (UV) với bước sóng ngắn mà chúng ta không nhìn thấy được. Sau đó, tia UV này đi qua một lớp phủ trên bóng đèn (thường là phosphor), lớp phủ hấp thụ một phần năng lượng của tia UV, làm giảm sóng từ tần số cao trước khi phát lại trở lại chúng ở tần số thấp hơn: ánh sáng nhìn thấy.

Đèn cực tím (Blacklight) được làm theo cách tương tự như đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh quang, nhưng vỏ hoặc lớp phủ thủy tinh sử dụng các vật liệu khác nhau. Điều này có nghĩa là hầu hết ánh sáng phát ra là tia UV chỉ với một chút ánh sáng nhìn thấy được ở các bước sóng gần nhất với quang phổ UV (màu chàm và màu tím). Đó là lý do tại sao đèn cực tím thường có màu xanh đậm hoặc tím.

Như vậy chúng ta cơ bản đã hiểu được ánh sáng cực tím là gì, vì sao một số hạt cà phê có thể “phát sáng” dưới ánh sáng cực tím. Nhưng vấn đề hóc búa nhất lúc này – Là vì sao những hạt cà phê kém chất lượng (hoặc được cho là kém chất lượng) lại có khả năng phát huỳnh quang dưới tia UV? Và chúng ta có thể kết luận gì với những hạt cà phê này – Điều này quyết định cách chúng ta phân loại cà phê với đèn cực tím. Nhưng trước tiên, hãy thử việc phân loại cà phê với một chiếc đèn cực tím.

Phân loại cà phê với đèn cực tím

Để bắt đầu, bạn cần có một đèn cực tím (dễ dàng mua online), một không gian tương đối tối và lô cà phê cần kiểm định. Ngay sau đó hãy rọi đèn trên mẫu cà phê của bạn. Từ từ di chuyển đèn lên và xuống cho đến khi bạn tìm thấy những hạt cà phê phát quang.

Các loại cà phê khác nhau sẽ trông khác nhau dưới ánh sáng nhưng trong một mẻ cà phê, tất cả sẽ giống nhau, chỉ khác có những hạt khiếm khuyết (hoặc có vấn đề) là trông nổi bật với khả năng phát quang tùy mức độ. Bạn sẽ thấy một số hạt hoàn toàn phát quang; trong khi một số hạt chỉ lốm đốm, có chấm, hoặc phát quang một phần, vì vậy hãy nhặt và phân loại riêng chúng (chúng ta sẽ phân tích chúng sau).

Sau khi kiểm tra không còn gì bất thường trong lô hạt và chắc rằng bạn đã chọn hết những hạt xấu, hãy bật lại đèn và đánh giá những gì bạn có. Thông thường, những khiếm khuyết có thể nhìn thấy bao gồm hạt nhỏ, không phát triển, hạt bị sâu bọ đục lỗ, hạt đổi màu hoặc các sứt mẻ, vỡ.

Không giống như trong các sản phẩm nông nghiệp khác (ngô, hạnh nhân, đậu phộng), đèn UV được dùng để tìm kiếm sự hiện diện của Aflatoxin – chất độc gây ung thư và đột biến được tạo ra bởi một số loại nấm mốc; May thay cà phê của chúng ta không có hợp chất này.

christopherferan.com

Nghiên cứu về sự phát quang của cà phê

Đây là lý do khiến bài đăng này mất một thời gian khá dài để hoàn thành – nguyên lý của sự phát quang ở cà phê. Những thứ dễ thấy nhất trên internet là mua một chiếc đèn UV, hoặc cách nhận diện cà phê hỏng với đèn UV, có rất ít những lý giải khoa học cho kỹ thuật này, (cảm giác như chúng ta đang tìm kiếm vật chất tối trong hạt cà phê).

Có một thực tế mình nhận ra khi nghiên cứu chủ đề này: Kỹ thuật này đã được biết đến từ lâu! Đánh giá chất lượng cà phê bằng đèn cực tím đã diễn ra trong nhiều thập kỷ, trên khắp thế giới, nhưng hầu hết những người mua cà phê không có cơ sở kỹ thuật rõ ràng. Tuy nhiên, khoa học về điều này đã được thành lập nhiều năm trước.

Ủy ban Cà phê của Kenya đã xuất bản một sổ tay vào năm 1981 đề cập đến việc phân loại bằng đèn UV. Trong khi đó trang trại Daterra tại Brazil đã sử dụng phân loại bằng đèn cực tím cho cà phê nhân xanh trong hơn một thập kỷ. Và quay trở lại tháng 6 năm 1975, Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp Đông Phi ở Nairobi (Kenya) trình bày một bài báo tại Hội đàm Khoa học Quốc tế lần thứ 7 về Cà phê ở Hamburg cho thấy rằng đèn cực tím có thể phát hiện hạt “stinker” – hạt bị lên men quá mức trong chế biến ướt.

Giờ đây, các nhà nhập khẩu lớn như Sucafina có phòng riêng dành riêng cho việc phân loại bằng tia UV; Và thông lệ tiêu chuẩn của Caravela là thực hiện phân tích tia cực tím đối với các mẫu mà hãng nhận được.

christopherferan.com

Ảnh hưởng của quá trình chế biến đến sự phát quang của cà phê

Trên thực tế, có rất nhiều hợp chất trong cà phê phản chiếu màu xanh lam dưới tia cực tím như: phenylalanin, tyrosine, protein, axit p-coumaric, axit caffeic, axit ferulic, axit chlorogenic, axit nucleic, theobromine, axit quinic, caffeine và scopoletin,.. (🧐 bạn chỉ cần quan tâm chỗ in đậm). Đồng thời có những hợp chất khác trong cà phê có thể hấp thụ hoặc che chắn khỏi tia UV; Vì tia UV có thể gây hại ở cấp độ tế bào, nên cây trồng cũng cần một cơ chế kháng tia UV của mặt trời, (từ annualreviews).

Tuy nhiên, có một số điều chúng ta biết, về mặt vật lý, dựa trên dữ liệu nghiên cứu của Christopher Feran, những hạt cà phê hoàn toàn phát quang, bất kể nguyên nhân nào, có xu hướng:

• Mật độ thấp hơn (ít đặc hơn ~10%).
• Độ ẩm thấp hơn (hoạt độ nước thấp hơn).
• Màu bị phai nhạt hơn; Và có thường không nguyên vẹn.

Mặt khác, phân loại bằng tia UV trở nên không chính xác sau thời gian bảo quản dài vì độ huỳnh quang của hạt cà phê giảm mạnh theo thời gian. Khi cà phê được bảo quản lâu, phospholipid giảm dần do sự thủy phân lipid trung tính làm tăng nồng độ của các axit béo tự do, chúng sẽ liên kết với các hợp chất gây huỳnh quang. Vì vậy, kết quả đánh giá từ tia cực tím chính xác nhất đối với ​​cà phê tươi – càng tươi càng tốt (từ onlinelibrary.wiley.com).

Cũng theo Christopher Feran, hai yếu tố thường tác động đến cà phê, đặc biệt là trong lĩnh vực chế biến, là nhiệt và độ ẩm. Chúng ta có thể “sản xuất” cà phê huỳnh quang UV nếu muốn, chỉ bằng cách thao tác với hai biến này.

Ví dụ: Nếu bạn lấy một lô cà phê El Salvador và chia nó ra làm hai – sau khi chế biến ướt, một nửa cà phê được làm khô thành lớp mỏng trên các luống cao (nơi nó đạt đến nhiệt độ tối đa 33°C) và một nửa để khô trên sân lót bạt (với nhiệt độ tối đa là 46°C). Trong khi cà phê được sấy ở nhiệt độ thấp hơn sẽ không có huỳnh quang (hoặc rất ít), thì cà phê được sấy khô ở nhiệt độ cao hơn sẽ như một “vũ trường”, (thực nghiệm bởi Timothy Hill từ Counter Culture).

Cà phê làm khô kém làm tăng tỷ lệ huỳnh quang

Thông thường khi cà phê bị khô quá nhanh (nhiệt độ quá cao) trước tiên sẽ làm chết phôi và có thể là cả mô nội nhũ, sau đó – nhiều hợp chất nội bào sẽ di chuyển từ bên trong ra bên ngoài không gian giữa màng sinh chất và thành tế bào (vách ngăn cellulose). Trong điều kiện quá ẩm, vi sinh vật và hoạt động của enzym có thể cũng đóng một vai trò thúc đẩy, qua đó làm tăng khả năng tiếp xúc với không khí, dẫn đến sự oxy hóa và làm hạt phát quang dưới tia UV (Cocoa and Coffee Fermentations p.386).

Lưu ý: Hạt cà phê Arabica được sấy khô ở 40°C, đảm bảo các tế bào bên trong vẫn còn nguyên vẹn, chứa đầy vật chất tế bào. Tuy nhiên, khi được sấy khô ở nhiệt độ 60°C, người ta quan sát thấy hiện tượng vỡ tế bào, lipid sẽ hợp nhất tạo thành các giọt lớn, một phần nguyên sinh chất bị rò rỉ ra ngoài và “kết tinh” bên ngoài tế bào hạt, điều này có thể khiến bề mặt cà phê “không thể thấm ẩm” dẫn đến sự không ổn định trong lưu trữ (sciencedirect).

Trong quá trình chế biến khô, cà phê có thể tăng nhiệt độ nhanh chóng. Đặc biệt nếu chúng được phơi mà không có bóng râm, trong điều kiện khí hậu nóng hoặc không được cào đảo thường xuyên.

• Xem thêm: Làm khô cà phê; Tổng quan về quá trình phơi, sấy

Hạt huỳnh quang do lên men quá mức

Có một số tài liệu với nhiều cách giải thích khác nhau cho sự phát quang ở cà phê liên quan đến quá trình lên men trong khâu chế biến. Điển hình là Gibson và Butty, trong nghiên cứu của họ về việc sử dụng huỳnh quang trong phân loại cà phê nhân, được trình bày (một cách khó hiểu) vào năm 1975 đã viết “Hiện tượng này được suy ra là do những thay đổi vật lý và hóa học tế bào trong mô hạt cà phê. Và tổn thương tế bào vật lý là một biểu hiện của cà phê lên men quá mức.”

Người ta còn phát hiện ra rằng một số khuyết tật khó nhìn thấy bằng mắt thường, như hạt bị tấn công bởi nấm mốc hoặc vi khuẩn (chủng Streptococcus) sẽ phát huỳnh quang khi được chiếu bằng tia cực tím. Thuộc tính này có thể được sử dụng làm cơ sở để phân loại hạt “stinker” (nhân chua, hoặc bị lên men quá mức) như đã đề cập (Espresso Coffee, p.107-108).

Dưới tia cực tím, hạt bị lên men quá mức cho thấy huỳnh quang màu trắng hoặc trắng xanh do lượng axit caffeic tự do lớn hơn so với hạt lành. Cần lưu ý rằng axit caffeic là tiền thân của axit ferulic gây phát quang cao (Espresso Coffee p.130).

Sự hiện diện của Scopoletin – một trong các thành phần gây phát quang ở cà phê (đã nêu trên) vốn có trong cà phê xanh, cũng có thể được tạo ra do nhiễm vi sinh vật. Khi các mô hạt bị mất nước và stress oxy hóa sau khi thu hoạch sẽ dẫn đến sự tích tụ của scopoletin, đặc biệt là ở những vị trí bị tổn thương cơ học (R.J. Clarke, Coffee: Physiology, p.23). Vì vậy, cà phê cần được chế biến nhanh nhất có thể sau thu hoạch, và hạn chế tốt đa các tổn hại cơ học lên mô quả.

• Xem thêm: Quá trình lên men cà phê và tác động đến tiềm năng hương vị

Cuối cùng. Sự phát quang của hạt, tuy dễ nhận diện dưới ánh sáng cực tím, nhưng nó lại cực kỳ phức tạp về mặt lý – hóa, và bất kể nguyên nhân là gì – đều có xuất phát điểm chung của sự lên men quá mức & làm khô không đúng cách trong khâu chế biến. Đây không phải là nghiên cứu cuối cùng, nhưng bằng cách xây dựng một lịch sử kỹ lưỡng về cách cà phê được xử lý, chế biến, sấy khô, bảo quản, xay xát, vận chuyển và lưu trữ, bạn có thể suy ra các chi tiết giúp cải thiện chất lượng hạt.

Chất lượng hạt và tia cực tím

Chúng ta có thể thấy tầm quan trọng của việc giảm tỷ lệ cà phê lỗi bằng đèn cực tím để đạt được chất lượng cao hơn (và với mức giá tốt hơn) một cách hiệu quả. Tuy nhiên, cách duy nhất để thông tin này trở nên thực sự hữu ích là thông qua việc chia sẻ kiến ​​thức và kỹ thuật phân tích cà phê nhân của bạn với các nhà sản xuất, nông dân để họ có thể chẩn đoán chính xác bất kỳ vấn đề nào tại nguồn.

Cần biết rằng nhiều người không có khả năng tiếp cận các nguồn lực để đầu tư vào máy móc phân loại quang học tiên tiến; Mục đích của chúng ta là cung cấp khả năng tiếp cận tốt hơn với tài liệu giáo dục và công nghệ có thể cải thiện chất lượng cà phê và cuộc sống của những người làm ra nó. Một chiếc đèn UV có giá không đáng kể so với nhà rang, tỷ lệ hạt thất thoát do phân loại bằng đèn UV có thể không đáng quan tâm. Nhưng ở cấp độ sản xuất, thậm chí với rất nhiều sức lao động và sự đầu tư tốn kém thì vẫn không thể loại bỏ hoàn toàn các khiếm khuyết có thể thấy bằng đèn UV.

Mặc dù tốn không ít công sức để đi đến kết thúc bài đăng này, bạn chỉ nên sử dụng kết quả phân loại bằng đèn cực tím để lập kế hoạch rang của chính mình; Cung cấp phản hồi cho các nhà sản xuất; Và giúp ngành phát triển kỹ thuật mới được phát hiện và tương đối mới mẻ này bằng cách chia sẻ những phát hiện của riêng bạn. Đơn giản là chúng ta chưa đủ hiểu ứng dụng của nó đối với cà phê ở mức đáng tin cậy.

Nguồn tham khảo:

• Phần lớn thông tin trong bài đăng này đến từ dữ liệu và nghiên cứu của Christopher Feran; Under the blacklight (“The UV light post”).
• www.annualreviews.org/ Fluorescent Substances in Plants
• www.onlinelibrary.wiley.com/ Oxidative stress, phospholipid loss and lipid hydrolysis during drying and storage of intermediate seeds