Đối với những người yêu mến cà phê, quá trình rang cà phê thực sự là điều gì đó mê hoặc và huyền bì: biến đổi từ một hạt cà phê thô cứng trở thành một hạt cà phê với những hương vị tuyệt vời. Trong quá trình rang, rất nhiều phản ứng hoá học diễn ra, bao gồm phản ứng Mailard, phản ứng caramel hoá, làm hạt cà phê chuyển sang màu nâu và tạo ra hàng trăm hợp chất hương vị mới. Quá trình rang cũng làm hạt cà phê trở nên xốp hơn, giúp việc xay nhỏ thành các hạt trở nên dễ dàng từ đó giúp nước thẩm thấu vào cà phê và thúc đẩy quá trình chiết xuất.
Sự thay đổi của các hợp chất hoá học
Một phần ba trọng lượng của hạt cà phê đã rang là các chất có thể hoà tan trong nước. Nếu chiết suất đúng kĩ thuật thì sẽ lấy được từ 19% tới 22% tổng lượng ( hoặc từ 55% tới 60% lượng chất hoá tan được trong nước, cộng thêm một phần nhỏ lipid và các sợi cellulose nhỏ được gọi là fines)
Sự phát triển của các Axit
Tính axit giúp cà phê trở nên sống động, phong phú và tươi sáng hơn. Mặc dù một số người cho rằng tính axit sẽ làm cà phê đắng và khó chịu, nhưng thực tế thì cà phê không có vị chua sẽ trở nên vô vị và nhàm chán. Chúng ta có thể trải nghiệm cà phê có tính axit thấp khi pha chúng bằng nước lạnh qua nhiều giờ. Loại cà phê này có thể mượt mà và có hương sô cô là nhưng lại thiếu sự tinh tế và trở nên đơn điệu với khách hàng thông thường.
Axit Chlorogenic (CGA) có lẽ là loại axit phổ biến nhất trong hạt cà phê nhân, khoảng 6% tới 8% khối lượng, cà phê là loại cây có lượng CGA cao nhất. CGA đóng góp rất nhiều vào tính axit và độ tươi sáng trong ly cà phê, bên cạnh đó là một số yếu tố kích thích khác.
Quá trình rang sẽ bẻ gãy CGA, khoảng 50% sẽ còn lại khi rang nhạt và chừng 20% khi rang đậm. CGA sẽ bị bẻ gãy thành axit quinic và caffeic, đây là hai hợp chất phenolic cũng đóng góp vào thể chất của cà phê. Với lượng nhỏ, hai chất này giúp bổ sung tính tươi sáng và tính axit của cà phê, nhưng nếu quá nhiều, sẽ tạo ra vị chua và gắt khó chịu.
Cà phê cũng chứa một lượng axit hữu cơ khác và cũng tương tự như CGA, với một lượng vừa đủ chúng sẽ giúp ly cà phê có được hương vị tốt hơn nhưng khi vượt ngưỡng cân bằng thì tác động lại trở nên tiêu cực. Các axit này thường có cường độ cao khi cà phê được rang nhạt và giảm dần khi cà phê được rang đậm hơn. Sự giảm của các axit hữu cơ trong quá trình rang là điều làm cho cà phê rang đậm ít chua hơn cà phê rang nhạt.
Bên cạnh đó, mỗi loại axit sẽ có những tính chất hương vị đi kèm đặc trưng, ví dụ citric thì đi kèm với lemony (chanh), latic thì có hương vị buttery (bơ), malic thì có hương vị như apple- like (táo), tuy nhiên chúng ta sẽ dễ cảm nhận về sự tương đồng này trong mùi hương hơn là vị. Acetic là trường hợp đặc biệt, sự hiện diện của nó là kết quả của quá trình lên men trong cà phê chế biến washed (ướt). Kiểm soát sự lên men là một khía cạnh quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng. Nếu quá nhiều axit acetic được hình thành, cà phê nhân sẽ phát triển mùi trái cây (fruity) mà sau đó sẽ chuyển thành vị fermented (men, chua) trong cà phê sau khi pha, vị này thường không được yêu thích (objectionable).
Khi đo tính axit của cà phê bằng độ pH, thì pH thấp ám chỉ tính axit cao và ngược lại. Thời điểm tính Axit đạt điểm cao nhất là trong giai đoạn nổ đầu và giảm dần khi quá trình rang kéo dài. Độ pH của cà phê nhân vào khoảng 5.8, khi vào nổ đầu, pH có thể đạt khoảng 4.8 sau đó sẽ tăng dần khi quá trình rang kéo dài. Độ pH của cà phê kết hợp với tính cân bằng của các loại axit là những yếu tố đóng góp vào ấn tượng của người uống về tính axit của một loại cà phê nào đó.
Lượng đường sucrose cũng ảnh hưởng rất nhiều đến tính axit và độ ngọt của cà phê sau khi rang. Đường sucrose đóng góp vào tính axit vì quá trình caramel hoá loại đường này sẽ làm tăng axit acetic. Vì vậy, hái cà phê khi trái chín mọng là rất quan trọng, khi đó hạt cà phê có được lượng đường sucrose cao nhất. Cà phê rang đạm sẽ phân huỷ khoảng 90% lượng đường, trong khí đó rang nhạt sẽ là 87%.
Sự phát triển hương ướt (aroma)
Sự phát triển các hợp chất hương thơm cà phê chỉ bắt đầu sau vài phút rang. Sự phát triển các hợp chất hương dễ bay hơi sẽ diễn ra mạnh mẽ nhất khi độ ẩm hạt cà phê ở múc 5%. Quá trình caramel hoá và phản ứng Mailard, cũng như sự phân huỷ các amino aixt, đường, axit phenolic và lipid, đều đóng góp vào quá trình tạo hương. Quá trình caramel sẽ tạo ra các hương trái cây, hương caramel, hương các loại hạt và các loại hương khác, trong khi đó phản ứng mailard sẽ tạo ra các hương rau thơm, hoa, socola, đất và một số hương khác.
Lượng dầu trong cà phê sẽ giữ các hợp chất hương dễ bay hơi và chỉ phát tán các hương này trong và sau quá trình pha chế. Lượng và cường độ hương sẽ đạt đỉnh điểm khi rang nhạt cho tới vừa. Khi rang đậm lên, quá trình phân huỷ sẽ diễn ra nhanh hơn, các hương còn lại sẽ chỉ là các hương khói và nhựa cây. Cà phê rang rồi sẽ mất hương dần dần theo quá trình thoát khí. Cà phê rang đậm có cấu trúc rỗng và xốp hơn vì thế chúng mất hương nhanh hơn cà phê rang nhạt.
Phản ứng Maillard và phản ứng Caramel hoá
Như đã được ghi chú bên trên, phản ứng Maillard là phản ứng làm nâu không sử dụng các enzym, phản ứng chủ yếu xảy ra giữa các axit amino tự do và đường khử, giúp cà phê chuyển nâu và nhiều loại hương vị đặc trưng. Phản ứng maillard cũng diễn ra trong quá trình nấu nhiều loại thực phẩm khác, mà rõ ràng nhất là quá trình chuyển màu nâu của thịt. Để hiểu được tầm quan trọng của phản ứng Maillard thì chúng ta có thể thấy rõ là thịt được chiên sẽ có hương thơm hơn thịt được luộc.
Trong quá trình rang, khi nhiệt độ bên trong hạt cà phê nóng đến ngưỡng đủ để làm sôi nước bên trong hạt, thì nhiệt độ hạt sẽ tăng một cách nhanh chóng giúp thúc đẩy phản ứng Maillard. Đó là lý do vì sao sự phát triển hương sẽ tăng tốc khi rang đến độ rang trung bình, phản ứng Maillard sẽ bắt đầu ổn định từ 160 độ C.
Không giống như phản ứng Maillard, phản ứng caramel hoá là một dạng nhiệt phân, bắt đầu vào khoảng 171 độ C, khi nhiệt độ bắt đầu bẻ gãy các phân tử đường và tạo ra hàng trăm hợp chất mới, bao gồm việc tạo ra các phân tử nhỏ hơn, đắng hơn, chua hơn và có hương tốt hơn cũng như các phân tử lớn hơn, màu nâu hơn và không có hương vị. Mặc dù nhiều người liên hệ từ caramel với một loại thức ăn tráng miệng có vị ngọt thì sự thât trớ trêu là quá trình này lại làm giảm độ ngọt và tăng độ đắng của thực phẩm. Cà phê rang nhạt có độ ngọt cao hơn và cà phê rang đậm sẽ đăng hơn chủ yếu là do quá trình caramel hoá.
Lượng Caffeine trong quá trình rang
Mặc dù nhiều người nói rang đậm làm giảm lương caffeine nhưng sự thật lại không như vậy. Lượng caffeine gần như không đổi trong quá trình rang do nhiệt độ rang thông thường không ảnh hưởng đến caffeine. Vì cà phê giảm khối lượng sau khi rang, nên tỉ lệ phần trăm của caffeine theo khối lượng lại tăng. Vì vậy khi bạn pha cùng một khối lượng cà phê với cùng một tỉ lệ nước nhất định thì cà phê rang đậm sẽ cho ra ly cà phê có lượng caffeine cao hơn.