Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê

Cà phê nguyên chất là một trong những cây trồng thương mại quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi trên thế giới.

Sau khi anh đào cà phê chín được thu hoạch, cà phê phải trải qua một vài bước để trở thành hạt cà phê thô (xanh).

Thông thường, có ba phương pháp chế biến khác nhau được sử dụng để thu được hạt cà phê xanh từ quả anh đào cà phê, đó là phương pháp ướt, khô và bán nguyệt.

Các vi sinh vật (nấm men và vi khuẩn) đóng vai trò chính trong quá trình lên men cà phê bằng cách làm giảm chất nhầy bằng cách sản xuất các enzyme khác nhau (pectinase), axit và rượu.

Phát triển nuôi cấy khởi đầu là rất quan trọng và được thực hiện bằng cách chọn các vi sinh vật có một số đặc điểm nhất định, chẳng hạn như khả năng phân hủy chất nhầy, khả năng chịu stress trong quá trình lên men, khả năng ngăn chặn sự phát triển của nấm gây bệnh và tác động tích cực đến chất lượng cảm quan của cà phê.

Hiện nay, hạt cà phê xanh thu được từ các trang trại sử dụng bất kỳ phương pháp chế biến nào ở trên được lên men với các vi sinh vật được chọn để cải thiện hương vị và mùi thơm của cà phê.

Đây là kết quả của một cái nhìn sâu sắc mới về sự phát triển của cà phê có hương vị độc đáo và tham gia vào thị trường cà phê để mang lại lợi ích tốt hơn.

Đánh giá này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về quá trình lên men, vi sinh vật và nuôi cấy khởi động và lên men ảnh hưởng đến chất lượng cà phê.

Triển vọng trong tương lai cũng được thảo luận thông qua việc kết hợp các nghiên cứu gần đây.

Lên men cà phê
Lên men cà phê

Giới thiệu

Cà phê là một trong những đồ uống không cồn được sử dụng rộng rãi nhất và mức tiêu thụ của nó đang lan rộng trên toàn cầu.

Đây là hàng hóa quan trọng thứ hai được trao đổi trên thị trường thế giới, bên cạnh dầu thô.

Brazil là nhà sản xuất và xuất khẩu hàng đầu của Coffea arabica, tiếp theo là Indonesia, Ethiopia, Philippines, Mexico, Việt Nam và 40 quốc gia khác.

Mọi người uống cà phê để thư giãn và thưởng thức hương vị đa dạng và hương vị của nó. Nó có tác dụng sinh lý và tâm lý vượt ra ngoài lợi ích dinh dưỡng của nó.

Xem thêm: Cách sử dụng Vòng tròn hương vị cà phê trong 8 bước

Trong những năm gần đây, sự đánh giá cao về chất lượng cà phê có tầm quan trọng đối với cà phê đặc sản, có mùi thơm độc đáo và hương vị đáng chú ý.

Những đặc điểm này được liên kết với các khu vực nơi cà phê được trồng và kiểu gen được trồng

Một số nhà nghiên cứu báo cáo sự khác biệt đáng kể giữa các loại đồ uống từ cà phê được chế biến bằng các phương pháp khác nhau

Hiện tại người ta tin rằng các phương pháp chế biến khác nhau tạo ra các phản ứng trao đổi chất khác nhau trong quả cà phê, có thể ảnh hưởng đến thành phần hóa học của hạt cà phê và do đó chất lượng tách của chúng

Lên men là một quá trình trao đổi chất sử dụng đường, hoặc trong trường hợp không có (kỵ khí) hoặc hiện diện (hiếu khí) của oxy.

Lên men cà phê là rất quan trọng để loại bỏ chất nhầy từ cà phê giấy da.

Chất nhầy cà phê có chứa polysacarit (pectin), cellulose và tinh bột.

Chất nhầy có thể kéo dài thời gian cần thiết để làm khô hạt cà phê và, trong một số trường hợp, cũng dẫn đến sự phát triển của nấm mốc, làm giảm chất lượng cuối cùng của cà phê.

Quá trình lên men được tạo điều kiện bởi các enzyme xuất hiện tự nhiên trong quả cà phê và hệ vi sinh vật thu được từ môi trường.

Các vi sinh vật (nấm men, vi khuẩn và nấm) đóng vai trò chính trong việc làm giảm chất nhầy bằng cách sản xuất các loại enzyme, rượu và axit khác nhau trong quá trình lên men.

Có một số enzyme có sẵn trên thị trường để lên men cà phê.

Sớm nhất được bán trên thị trường dưới tên thương mại là lợi ích.

Các nhãn hiệu sau này đã bao gồm Pectozyme, Cofepec và Ultrazym, là các hỗn hợp của pectinase, hemiaellulose và cellulose

Nghiên cứu hiện tại chỉ ra rằng quá trình lên men cà phê đang trở nên phổ biến hơn để sản xuất cà phê đặc sản. Vaast et al, đã báo cáo rằng những thay đổi sinh lý khác nhau xảy ra trong các loại ngũ cốc trong quá trình lên men, chẳng hạn như giảm hàm lượng nước và đường đơn giản và sự phát triển của tiền chất hương liệu và hương vị.

Do đó, mục đích của tổng quan này là giải thích ngắn gọn về nhu cầu lên men cà phê và tác động của nó đối với các thuộc tính chất lượng cà phê chính, trong kết quả nghiên cứu gần đây.

Đánh giá này sẽ cung cấp một sự hiểu biết rõ ràng về vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê và có thể hướng nghiên cứu trong tương lai vào việc thương mại hóa các nền văn hóa khởi đầu tiềm năng.

Quy trình lên men cà phê

Lên men là một quá trình hóa học trong đó các phân tử phức tạp được phân hủy thành các phân tử đơn giản hơn, tạo ra các sản phẩm lỏng và khí (hợp chất dễ bay hơi).

Quả cà phê được chế biến bằng một trong ba phương pháp ngay sau khi thu hoạch để cho phép quá trình lên men tự phát hoặc bản địa xảy ra.

Ba phương pháp chế biến cà phê khác nhau được gọi là khô, ướt và bán nguyệt.

Tùy thuộc vào loại chế biến, thời gian cần thiết cho quá trình lên men khác nhau.

Mục đích chính của quá trình lên men trong tất cả các phương pháp là loại bỏ lớp chất nhầy, rất giàu polysacarit (pectin) và làm giảm hàm lượng nước của hạt cà phê.

Tuy nhiên, nếu được quản lý cẩn thận, quá trình lên men cũng có tác động tích cực đến các thuộc tính chất lượng cà phê.

Chế biến ướt phần lớn được sử dụng cho cà phê Arabica.

Ngay sau khi thu hoạch, quả cà phê chín trải qua quy trình tuyển nổi để làm sạch các mảnh vụn và loại bỏ phao (trái cây có mật độ thấp).

Quả cà phê sau đó được nghiền thành bột, trải qua quá trình lên men bể dưới nước 24 đến 48 giờ và sấy khô cho đến khi độ ẩm đạt 10% 12% 12%.

Trong chế biến khô, quả cà phê được làm sạch và phao được tách ra ngay sau khi thu hoạch, và toàn bộ quả cà phê được sấy khô dưới ánh nắng mặt trời trên bục và / hoặc trên sàn mà không cần loại bỏ bột giấy trước.

Chế biến semidry là sự kết hợp của cả hai phương pháp, trong đó các loại cà phê được loại bỏ nhưng quá trình lên men xảy ra trực tiếp dưới ánh mặt trời trên một nền tảng

Thành phần của Mucilage

Chất nhầy cà phê là một dư lượng chất lỏng nhớt được sản xuất trong ngành công nghiệp cà phê được xử lý mà không được xử lý trực tiếp vào nguồn nước, gây ra vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng.

Các tính chất vật lý và hóa học của chất nhầy cà phê thay đổi tùy theo loài và giống.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ chất nhầy / nước tăng khi độ cao tăng

Chất nhầy bao gồm nước (84,2%), protein (8,9%), giảm đường (4,1%), pectate (0,91%) và tro (0,7%).

Biết các thành phần này là cần thiết cho sự hiểu biết về lên men cà phê. Thành phần hóa học và thành phần của chất nhầy trước và sau khi lên men được mô tả tương ứng trong Bảng 1 và 2.

Enzyme vi sinh vật và nuôi cấy khởi đầu cho quá trình lên men cà phê

Enzyme được sản xuất trong quá trình lên men cà phê

Các báo cáo trước đây đã xác định được hơn 50 loại nấm men và các loài vi khuẩn có mặt trong quá trình lên men cà phê.

Silva et al đề cập rằng các vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê góp phần vào việc sản xuất ethanol và axit lactic, butyric, acetic và các axit cacboxylic cao hơn khác trong quá trình lên men đường pectinaceous.

Coughlan và Mayer báo cáo rằng một loạt các enzyme ngoại bào được tạo ra bởi các loài Bacillus phân giải tế bào, có khả năng góp phần phá vỡ các chất cellulose và pectin tồn tại trong da, bột giấy và chất nhầy của anh đào cà phê

Ba enzyme quan trọng nhất được sản xuất bởi các vi sinh vật để làm giảm các chất pectin trong quá trình lên men cà phê là pectin lyase, polygalacturonase và pectin methyl esterase.

Pectin lyase xúc tác sự thoái hóa pectin bằng cách loại bỏ trans, giải phóng axit galacturonic không bão hòa.

Polygalacturonase là enzyme chính tham gia vào quá trình lên men cà phê. Nó xúc tác quá trình thủy phân các liên kết α-1,4 glycosid thành axit pectic (axit polygalacturonic).

Pectin methyl esterase chịu trách nhiệm khử ester của nhóm methoxyl của pectin, tạo thành axit pectic và metanol

Văn hóa khởi đầu cho quá trình lên men cà phê

Nuôi cấy bắt đầu là nuôi cấy vi sinh làm tăng tốc quá trình lên men. Trong ngành công nghiệp lên men thực phẩm, các nền văn hóa khởi đầu được biết đến rộng rãi để sử dụng trong phô mai, sữa chua, bia và rượu vang

Việc sử dụng nuôi cấy trong quá trình lên men cà phê có kiểm soát có thể đảm bảo chất lượng cà phê tốt nhất và tăng lợi ích kinh tế cho người trồng

Như Corsetti và cộng sự, đã đề cập các vi sinh vật được lựa chọn cho nuôi cấy khởi động dự kiến ​​sẽ có một số đặc điểm nhất định, chẳng hạn như không gây bệnh, không độc hại và thích nghi với các nguyên liệu và quy trình.

Họ cũng nên tạo ra chất lượng cảm quan, kéo dài thời gian bảo quản, giảm thời gian xử lý và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh liên quan đến thực phẩm.

Chỉ có những nghiên cứu hạn chế đã được báo cáo về việc sử dụng nuôi cấy khởi đầu cho quá trình lên men cà phê.

Nghiên cứu đầu tiên, bởi Agate và Bhat, giới thiệu hiệu quả một nền văn hóa khởi động cà phê lên men.

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc bổ sung hỗn hợp của ba loài Saccharomyces, tạo điều kiện cho quá trình lên men bằng cách nhanh chóng làm suy thoái lớp chất nhầy.

Một nghiên cứu cũng được thực hiện về các đặc tính vi sinh và hóa lý của quá trình lên men cà phê bằng cách tiêm vi khuẩn pectinolytic phân lập từ tự nhiên lên men

Tuy nhiên, các tác giả đã báo cáo rằng việc tiêm vi khuẩn pectinolytic không làm tăng tốc độ thoái hóa của các hợp chất polysacarit hoặc thay đổi các đặc tính organoleptic của đồ uống.

Họ đề nghị rằng tốt hơn là sử dụng vi khuẩn axit lactic thay vào đó để giữ càng gần càng tốt với quá trình lên men tự nhiên.

Gần đây, quá trình lên men cà phê sử dụng men thơm để phát triển hương vị đã được nghiên cứu trong quá trình sấy khô, bán tinh và chế biến ướt.

Một sự đa dạng vi sinh vật lớn thường được quan sát thấy trong quá trình lên men cà phê; tuy nhiên, hầu hết các vi sinh vật bản địa này có lẽ không có các đặc điểm quan trọng để cải thiện sản phẩm cà phê cuối cùng, và một số loài đã được chọn dựa trên tác động cuối cùng của chúng đối với hương vị và hương vị cà phê.

Hệ sinh thái vi sinh vật của nấm men bản địa mà từ đó nuôi cấy bắt đầu được chọn được báo cáo trong Bảng 3 và 4.

Tác động lên men cà phê lên hương vị và hương thơm

Tác động tích cực của quá trình lên men đối với hương vị cà phê và hương thơm

Trên toàn cầu, cà phê là một thức uống không cồn vì hương vị dễ chịu và hương vị tươi mát của nó, báo cáo rằng bản thân hạt cà phê chứa tất cả các tiền chất cần thiết để cung cấp hương vị cà phê tiêu chuẩn và hương thơm trong quá trình rang.

Tuy nhiên, quá trình lên men có thể làm tăng sự đa dạng của hương cà phê và các hợp chất hương vị.

Như Tressi và Farah và cộng sự đã đề cập, hơn 700 hợp chất dễ bay hơi và không bay hơi góp phần tạo nên hương vị cà phê đã được xác định.

Các loài cà phê, giống, nguồn gốc địa lý và mức độ rang xác định hiến pháp và số lượng hương vị từ các hợp chất này.

Một báo cáo hỗ trợ chỉ ra rằng các yếu tố trong quá trình trước thu hoạch và sau thu hoạch cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến mùi hương cà phê

Trong quá trình lên men cà phê, vi sinh vật tạo ra các chất chuyển hóa đa dạng. Hoạt động của vi sinh vật và mức độ lên men xác định nồng độ đường tự do (ví dụ: glucose và fructose) và các axit amin tự do tiếp tục bao quanh hạt đậu và sau đó góp phần vào việc sản xuất các hợp chất Maillard và chất bay hơi trong quá trình rang.

Pederson và Breed đã tóm tắt những nghiên cứu ban đầu về hàm ý rằng quá trình lên men giúp cải thiện chất lượng cà phê.

Cà phê chế biến ướt có chất lượng hương thơm vượt trội so với cà phê chế biến khô vì các hợp chất thơm được tạo ra trong quá trình loại bỏ lớp chất nhầy trong chế biến ướt.

Việc lựa chọn các vi sinh vật thích hợp có tác động tích cực đến hương vị cà phê và mùi thơm trong quá trình lên men là rất quan trọng, và quá trình lên men cần được kiểm soát để đạt được tác động tích cực này.

Xem thêm: Điều gì làm nên sự khác biệt giữa cà phê Arabica và Robusta?

Tác động tiêu cực của quá trình lên men đối với hương vị cà phê và hương thơm

Thách thức lớn trong quá trình lên men cà phê, theo một số nghiên cứu, là khó kiểm soát quá trình.

Đánh giá quá mức là một trong một số vấn đề nan giải được mô tả bởi nông dân và các nhà khoa học.

Quá trình lên men phải được kiểm soát tốt để đảm bảo sự phát triển của các vi sinh vật có lợi tạo ra một loại đồ uống chất lượng cao với mùi thơm tốt.

Khi quá trình lên men thất bại, dẫn đến sự phát triển của các vi sinh vật hư hỏng ảnh hưởng xấu đến hương vị và hương vị cà phê.

Hạt cà phê được tạo ra từ quá trình lên men như vậy thường được gọi là stinkers đá.

Hạt cà phê bị đánh giá thấp có chứa chất nhầy và đường còn sót lại, giúp làm khô và tạo môi trường thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn và nấm hư hỏng.

Sự đánh giá quá mức khuyến khích sản xuất các hợp chất hóa học không mong muốn, đáng chú ý là axit propionic và butyric, tạo ra mùi vị, chẳng hạn như hương vị hành tây.

Lopez và cộng sự báo cáo rằng các axit này không nên có mặt ở nồng độ lớn hơn 1 mg · mL 1.

Các loài thuộc chi Bacillus, đặc biệt là B. megaterium, có thể chịu trách nhiệm về axit propionic được tìm thấy trong cà phê được chế biến thông qua chế biến khô hoặc tự nhiên.

Theo mô tả của Silva et al. axit propionic được phát hiện ở nồng độ cao chỉ khi quá trình lên men diễn ra lâu hơn thời gian tối ưu của nó.

Enterobacteriaceae và vi khuẩn axit axetic dẫn đến việc sản xuất axit axetic quá mức trong quá trình lên men kéo dài trong chế biến khô.

Bade-Wegner và cộng sự. nói rằng sự đánh giá quá mức cũng có thể tạo ra các axit béo chuỗi ngắn và các este của chúng, chẳng hạn như este ethyl 2-methyl butanoic acid, este ethyl 3-methyl butanoic và ethyl ester axit cyclohexanoic.

Theo mô tả của Silva et al. axit propionic được phát hiện ở nồng độ cao chỉ khi quá trình lên men diễn ra lâu hơn thời gian tối ưu của nó.

Enterobacteriaceae và vi khuẩn axit axetic dẫn đến việc sản xuất axit axetic quá mức trong quá trình lên men kéo dài trong chế biến khô. Bade-Wegner và cộng sự. nói rằng sự đánh giá quá mức cũng có thể tạo ra các axit béo chuỗi ngắn và các este của chúng, chẳng hạn như este ethyl 2-methyl butanoic acid, este ethyl 3-methyl butanoic và ethyl ester axit cyclohexanoic.

Những thứ này có thể gây bất lợi cho chất lượng cà phê nếu chúng có mặt ở nồng độ cao hơn 1,8, 13,9 và 14 mg · kg 1

Lên men hạt cà phê xanh với các vi sinh vật được chọn và triển vọng tương lai của nó

Một nghiên cứu được thực hiện bởi Kwak et al. về ảnh hưởng của quá trình lên men của hạt cà phê xanh đối với hoạt động chống oxy hóa và khả năng chấp nhận của người tiêu dùng.

Họ báo cáo rằng quá trình lên men 24 giờ gây ra sự gia tăng đáng chú ý trong hoạt động chống oxy hóa và tổng hàm lượng polyphenol và flavonoid.

Sự chấp nhận của người tiêu dùng đối với hạt cà phê lên men thấp hơn một chút so với đối chứng (không lên men), ngoại trừ một hạt cà phê lên men (lên men với các loài Saccharomyces), đạt được khoảng 39,4% sự ưa thích của người tiêu dùng so với đối chứng.

Rhizopus oligosporus là một loại nấm phổ biến được sử dụng rộng rãi như là một nền văn hóa khởi đầu trong thực phẩm lên men, chẳng hạn như đậu nành tempeh (một sản phẩm đậu nành lên men truyền thống).

Trong quá trình lên men bởi R. oligosporus, các enzyme ngoại bào, như protease, , và các enzyme phân hủy polysacarit, như xylanase, polygalacturonase, cellulase, arabinase, b-D-glucosidase, và a-D galactase.

Một nghiên cứu đã được thực hiện về ảnh hưởng của quá trình lên men trạng thái rắn của hạt cà phê xanh của R. oligosporus trên hồ sơ dễ bay hơi và không bay hơi của chúng.

Theo báo cáo của Lee et al, trong quá trình lên men, một số chất bay hơi đã bị phá vỡ, trong khi việc sản xuất những chất khác có thể tương quan với sự chuyển hóa của tiền chất hương thơm của R. oligosporus.

Lên men với R. oligosporus đã cải thiện đáng kể các thành phần của tiền chất hương thơm trong hạt cà phê xanh và các hợp chất này chịu trách nhiệm sản xuất các loại chất tạo mùi mạnh (pyrazine, thiols, furanones và guaiacols) tạo ra mùi cà phê đặc trưng trong quá trình rang.

Cà phê được chấp nhận rộng rãi trên toàn cầu và những cải tiến nhỏ về chất lượng cà phê có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể và mở rộng cơ hội thị trường.

Bởi vì hạt cà phê xanh được sử dụng để lên men thay vì cà phê giấy da (có chất nhầy), điều này có thể được thực hiện bởi các công ty chế biến cà phê.’

Tuy nhiên, việc phân lập và xác định các vi sinh vật ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cảm quan cà phê cần được nghiên cứu thêm để phát triển văn hóa khởi đầu.

Nghiên cứu trong tương lai cũng có thể điều tra việc thương mại hóa hương liệu và điều chế hương vị của hạt cà phê xanh thông qua quá trình lên men.

Kết luận

Lên men là rất quan trọng trong chế biến cà phê, không chỉ để loại bỏ chất nhầy, mà còn, nếu được kiểm soát tốt, để tạo ra các đặc tính chất lượng cảm quan thiết yếu.

Tuy nhiên, có một nhược điểm là nếu quá trình lên men vượt quá thời gian khuyến nghị, vi sinh vật cũng có thể làm giảm chất lượng bằng cách tạo ra mùi vị và các đặc tính không mong muốn.

Trong số các hệ vi sinh vật đa dạng được tìm thấy trong quá trình lên men cà phê tự nhiên, một số ít có thể được chọn để sử dụng làm văn hóa khởi đầu.

Tuy nhiên, tiềm năng sử dụng các nền văn hóa khởi đầu cho quá trình lên men cà phê vẫn chưa được nghiên cứu kỹ.

Hầu hết các vi sinh vật được phân lập từ quá trình lên men cà phê tự phát thiếu các thuộc tính để cải thiện chất lượng cảm quan cà phê.

Việc lựa chọn các vi sinh vật cấp thực phẩm và sử dụng chúng trong lên men hạt cà phê xanh cần phải nghiên cứu thêm.

Đánh giá này cung cấp thông tin chính xác về vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê và tác động của chúng đối với hương vị và mùi thơm của cà phê.

Các ngành khoa học phân tử khác có thể đóng góp vào sự hiểu biết về các hợp chất hóa học được tạo ra trong quá trình lên men và tác động của chúng đến chất lượng cà phê, dẫn đến sự sẵn có của thông tin đáng tin cậy và tiên tiến hơn.

Tích hợp nghiên cứu đa ngành sẽ hữu ích trong các nghiên cứu chi tiết hơn.