Nhiều người có thói quen bắt đầu buổi sáng bằng một tách cà phê thơm nồng để tìm kiếm sự tỉnh táo và bổ sung các hoạt chất thực vật tốt cho sức khỏe. Tuy nhiên, sự đa dạng của các mức độ rang trên thị trường, từ rang nhạt thanh thoát đến rang đậm đượm vị đắng, thường khiến người tiêu dùng băn khoăn về giá trị dinh dưỡng còn lại bên trong hạt cà phê. Một thắc mắc rất phổ biến là liệu quá trình rang hạt ở nhiệt độ cao và kéo dài cho đến khi chuyển màu nâu sẫm hay đen bóng có làm phá hủy toàn bộ các chất chống oxy hóa tự nhiên hay không.
Câu trả lời ngắn gọn là nhiệt độ cao quả thực làm suy giảm mạnh mẽ các chất chống oxy hóa tự nhiên ban đầu, đặc biệt là nhóm axit chlorogenic. Tuy nhiên, quá trình rang đậm màu không triệt tiêu hoàn toàn khả năng chống oxy hóa của ly cà phê, bởi sự nhiệt phân đồng thời kích hoạt các phản ứng hóa học mới, tạo ra các hợp chất bù trừ một phần cho lượng thiếu hụt.
Axit chlorogenic: Lá chắn tự nhiên của hạt cà phê
Axit chlorogenic là một nhóm các este phenolic cấu thành từ axit caffeic và axit quinic hoặc axit ferulic, phân bố rộng rãi trong nhiều loài thực vật, trái cây và rau củ [1]. Trong số các nguồn thực vật tự nhiên, cà phê được ghi nhận là nguồn cung cấp dồi dào hàng đầu, mang lại từ 70 đến 350 mg axit chlorogenic trong mỗi tách cà phê thông thường [1]. Các nhà khoa học đã phát hiện hơn 80 dạng đồng phân axit chlorogenic khác nhau bên trong hạt cà phê xanh chưa qua xử lý nhiệt, trong đó axit 5-caffeoylquinic là thành phần chiếm tỷ lệ áp đảo nhất [1].
Về mặt sinh học, axit chlorogenic đóng vai trò là hợp chất phenolic chủ chốt quyết định màu sắc, hương vị đặc trưng cũng như giá trị bảo vệ sức khỏe của hạt cà phê [2], [1]. Các nghiên cứu trong nhiều năm qua đã chứng minh nhóm hoạt chất này mang lại tiềm năng chống oxy hóa, kháng virus, hỗ trợ ổn định đường huyết và bảo vệ hệ thần kinh [1]. Axit chlorogenic cùng với axit caffeic và axit quinic thậm chí đã được ghi nhận có hoạt tính chống lại virus viêm gan B [1]. Hoạt tính chống oxy hóa của dịch chiết cà phê phần lớn được quyết định trực tiếp bởi hàm lượng axit chlorogenic hiện diện [1], [3].
Quá trình rang nhiệt làm suy giảm axit chlorogenic ra sao?
Khi đưa hạt cà phê vào máy rang, nhiệt lượng tác động trực tiếp lên cấu trúc tế bào và kích hoạt sự phân rã của các hợp chất nhạy cảm với nhiệt độ [2]. Nhiệt độ rang càng cao và thời gian rang càng kéo dài thì hàm lượng phenolic tự nhiên càng bị phá hủy nghiêm trọng [2], [1]. Các phân tích động học nhiệt chứng minh rằng axit chlorogenic là hợp chất rất kém bền nhiệt so với các thành phần khác như caffeine [2].
Một nghiên cứu công bố năm 2020 đã theo dõi sát sao sự thay đổi của hạt cà phê khi rang ở nhiệt độ 220 độ C trong vòng 40 phút [2]. Kết quả cho thấy hàm lượng axit chlorogenic sụt giảm nghiêm trọng từ mức ban đầu là 34,181 mg/g mẫu xuống chỉ còn vỏn vẹn 2,584 mg/g [2]. Trong khi đó, các axit phenolic tự do như axit gallic và axit caffeic cùng chất hydroxymethylfurfural (HMF) ghi nhận xu hướng tăng nhẹ trong giai đoạn đầu của quá trình rang nhưng sau đó cũng nhanh chóng suy thoái khi nhiệt độ tiếp tục duy trì [2]. Phân tích thành phần chính (PCA) cho thấy hai trục thành phần giải thích tới 93,35% tổng phương sai của tập dữ liệu về chỉ số hóa nâu và hoạt tính chống oxy hóa [2]. Nghiên cứu này kết luận rằng phương án tối ưu để bảo tồn mức hợp chất phenolic song hành với hương vị thơm ngon là rang ở 180 độ C trong 20 phút hoặc 220 độ C trong 10 phút [2].
Một khảo sát thực hiện năm 2021 sử dụng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với đầu dò mảng diode (HPLC-DAD) trên các mẫu cà phê chiết xuất bằng nước nóng cũng khẳng định xu hướng này [1]. Lượng axit chlorogenic đạt đỉnh cao nhất ở hạt cà phê xanh chưa rang với mức 543,23 mg/L [1]. Kết quả cho thấy mối tương quan nghịch rõ rệt giữa hàm lượng axit chlorogenic và mức độ rang của hạt [1]. Ngược lại, hàm lượng caffeine lại có xu hướng tăng theo mức độ rang cho đến khi đạt đỉnh ở mức rang vừa (203.63 mg/L), trước khi sụt giảm ở mức rang đậm [1]. Đáng chú ý, nguồn gốc xuất xứ địa lý của các mẫu cà phê không tạo ra sự khác biệt có ý nghĩa đối với các biến số này [1].
Nghiên cứu vào năm 2023 trên các giống cà phê Arabica như Bourbon và Oro Azteca tại Guerrero, Mexico cũng đưa ra số liệu tương đồng [4]. Ở trạng thái hạt xanh, hàm lượng axit chlorogenic đạt 55 mg/g và caffeine đạt 1,8 mg/g [4]. Khi trải qua các cấp độ rang đến mức rang đậm, hàm lượng axit chlorogenic sụt giảm chỉ còn 14,5 mg/g [4]. Trong khi đó, hàm lượng caffeine lại tăng lên mức 3,88 mg/g và các hợp chất melanoidin tăng vọt lên mức 97 và 29 mg/g [4].
Hoạt tính chống oxy hóa suy giảm ở cấp độ tế bào
Không chỉ giảm về mặt hàm lượng định lượng trong ống nghiệm, khả năng bảo vệ sinh học của dịch chiết cà phê rang đậm cũng thể hiện sự suy giảm khi kiểm nghiệm trên các mô hình tế bào sống [5]. Hoạt tính dập tắt gốc tự do thường suy giảm dần khi màu sắc hạt cà phê chuyển dịch từ nhạt sang đậm [5], [3], [6].
Nghiên cứu công bố năm 2017 đã tiến hành so sánh tác động của dịch chiết cà phê Arabica ở bốn mức độ rang khác nhau bao gồm rang nhạt (Light), rang vừa (Medium), City và rang đậm kiểu Pháp (French roast) [5]. Mặc dù tổng lượng caffeine không có sự chênh lệch lớn giữa các mức rang, dịch chiết cà phê rang nhạt lại chứa hàm lượng axit chlorogenic cao nhất và đồng thời thể hiện hoạt tính khử gốc tự do DPPH mạnh nhất [5]. Khi thử nghiệm trên dòng tế bào gan chuột AML-12, nồng độ chất chống oxy hóa nội bào glutathione (GSH) và mức độ biểu hiện mRNA của các gen tổng hợp GSH đều có mối tương quan nghịch với mức độ rang của hạt cà phê [5].
Bên cạnh đó, các nhà khoa học đã đánh giá phản ứng kháng viêm của dịch chiết cà phê trên đại thực bào RAW 264.7 được kích hoạt bởi lipopolysaccharide [5]. Kết quả cho thấy dịch chiết cà phê giúp làm giảm biểu hiện mRNA của các cytokine gây viêm nguy hiểm như yếu tố hoại tử khối u alpha (TNF-alpha) và interleukin-6 (IL-6) [5]. Tuy nhiên, mức độ ức chế phản ứng viêm này lại giảm sút rõ rệt khi độ rang của hạt cà phê tăng lên, phản ánh sự suy giảm hoạt tính sinh học theo nhiệt độ [5].
Xu hướng suy giảm hoạt tính chống oxy hóa tổng thể cũng được xác nhận trong một nghiên cứu năm 2022 trên 52 mẫu cà phê thương mại [3]. Hoạt tính chống oxy hóa đo bằng đương lượng TEAC cao nhất ở hạt cà phê xanh với 1,07 mg/g và có mối tương quan nghịch chặt chẽ với độ rang (p < 0.05, R2 > 0.95) [3]. Mức tổng phenol cao nhất đo được ở mức rang vừa là 16,55 mg/g đương lượng GAE [3]. Chỉ các mẫu cà phê rang nhạt và rang vừa mới duy trì mối tương quan có ý nghĩa thống kê giữa hàm lượng tổng phenolic và hoạt tính chống oxy hóa [3]. Hoạt tính chống oxy hóa của các mẫu cà phê này phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ axit chlorogenic, hoàn toàn không bị chi phối bởi nguồn gốc xuất xứ hay hàm lượng kim loại nặng [3].
Chất chống oxy hóa mới sinh ra trong quá trình rang đậm
Mặc dù axit chlorogenic bị phá hủy bởi nhiệt độ, điều bất ngờ là cà phê rang đậm không hoàn toàn mất đi năng lực chống oxy hóa [7], [8]. Nhiệt độ cao trong lò rang kích hoạt phản ứng Maillard phức tạp giữa carbohydrate và các nhóm axit amin, từ đó hình thành nên các hợp chất phân tử lượng cao gọi là melanoidin [7], [4].
Nghiên cứu sử dụng phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử (ESR) năm 2008 đã phát hiện ra rằng các cấu trúc chống oxy hóa mới được hình thành mạnh mẽ trong quá trình rang hạt [7]. Bằng cách sử dụng gốc tự do bền TEMPO, các nhà khoa học đã đo lường độc quyền các chất chống oxy hóa mới sinh ra do nhiệt mà axit chlorogenic nguyên bản không thể khử được [7]. Hoạt tính chống oxy hóa sinh ra do quá trình rang gia tăng tỷ lệ thuận với cấp độ rang, và phần lớn các chất này xuất hiện ngay từ giai đoạn rang ban đầu [7]. Phần lớn các chất này cư trú trong các phân đoạn có trọng lượng phân tử cao, nhiều khả năng gắn liền với chuỗi arabinogalactan hoặc protein thuộc phức hợp melanoidin [7]. Axit chlorogenic dường như không mất đi đặc tính phenolic khi tích hợp vào cấu trúc melanoidin của cà phê [7]. Tuy nhiên, các chất chống oxy hóa này thuộc nhóm tác động chậm (FRA), giải phóng hoạt tính từ tốn hơn do sở hữu cấu trúc không gian cồng kềnh [7].
Một nghiên cứu công bố năm 2015 còn chỉ ra rằng sản phẩm thoái hóa do nhiệt của axit chlorogenic có thể sở hữu năng lực chống oxy hóa vượt trội hơn cả chất mẹ [8]. Khi kiểm tra sáu nhãn hiệu cà phê thương mại, hoạt tính chống oxy hóa dao động từ 63,13% đến 96,80%, và mức độ chống oxy hóa này tỷ lệ nghịch với nồng độ axit chlorogenic tổng số [8]. Khi đun nóng axit 5-caffeoylquinic ở 250 độ C, sản phẩm thu được thể hiện hoạt tính chống oxy hóa lên tới 79,12% ở nồng độ chỉ 10 microgam/mL, trong khi axit 5-CQA nguyên bản chưa gia nhiệt chỉ đạt hoạt tính khiêm tốn 44,41% ở nồng độ cao gấp mười lần là 100 microgam/mL [8]. Quá trình nhiệt phân đã tạo ra lượng đáng kể các chất pyrocatechol (2809,3 microgam/g) và 2-methoxy-4-vinylphenol (46,4 microgam/g) với hoạt tính chống oxy hóa lần lượt đạt 76,57% và 98,63% [8]. Nhờ đó, việc rang hạt đã chuyển hóa axit chlorogenic thành các chất chống oxy hóa mạnh, cho phép tạo ra loại cà phê có độ axit thấp nhưng hoạt tính chống oxy hóa vẫn rất cao [8].
Ngoài ra, một số thử nghiệm dập tắt gốc tự do peroxyl từng ghi nhận cà phê rang đậm thể hiện hiệu quả nhỉnh hơn cả hạt xanh [6]. Sự biến đổi của các hợp chất phenolic, sự liên kết của chúng vào khung polymer và hàm lượng caffeine ổn định đều đóng góp vào hoạt tính chống oxy hóa chung của ly cà phê sau rang [6]. Dù vậy, các bằng chứng độc lập khác cũng chỉ ra rằng việc tăng độ rang nhìn chung vẫn dẫn đến sự suy giảm khả năng dập tắt gốc tự do [6].
Giới hạn của bằng chứng và những hiểu lầm phổ biến
Hiện nay, một hiểu lầm khá phổ biến là cho rằng cà phê rang càng đậm màu thì càng độc hại và mất sạch dưỡng chất. Bằng chứng khoa học chỉ ra rằng cà phê rang đậm vẫn duy trì được hoạt tính chống oxy hóa nhất định nhờ melanoidin và các dẫn xuất phenolic nhiệt phân [7], [8]. Các phân tích sinh học khẳng định mẫu cà phê rang đậm vẫn phát huy hoạt tính chống oxy hóa mà không gây ra bất kỳ hiệu ứng độc hại nào cho tế bào [4]. Về mặt cảm quan, cà phê rang đậm đạt điểm số chất lượng cao (84,25 điểm) và cà phê rang vừa đạt chuẩn cà phê đặc sản (86,25 điểm) [4].
Một hiểu lầm khác là xuất xứ địa lý của hạt cà phê quyết định toàn bộ lượng chất chống oxy hóa. Thực tế nghiên cứu cho thấy nguồn gốc xuất xứ của mẫu cà phê không tạo ra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê đối với hàm lượng axit chlorogenic hay hoạt tính chống oxy hóa tổng thể [1], [3]. Thay vào đó, chính kỹ thuật rang và nhiệt độ xử lý mới là yếu tố đóng vai trò then chốt định hình nồng độ các chất có hoạt tính sinh học [2], [3], [6].
Tuy nhiên, người tiêu dùng cũng cần nhận thức rõ giới hạn của các dữ liệu hiện có. Phần lớn các phép đo hoạt tính chống oxy hóa hiện nay được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm thông qua các chỉ số thử nghiệm như DPPH, TEMPO hay trên các dòng tế bào nuôi cấy như AML-12 và RAW 264.7 [7], [5], [3]. Các phản ứng này không thể phản ánh trọn vẹn và hoàn toàn tương đồng với quá trình hấp thu, chuyển hóa phức tạp bên trong cơ thể con người thực tế. Do đó, cà phê không thể được xem là thuốc điều trị hay giải pháp thay thế cho phác đồ y khoa chính thống.
Ai nên thận trọng khi lựa chọn mức độ rang?
Việc lựa chọn mức độ rang của cà phê không chỉ ảnh hưởng đến lượng chất chống oxy hóa mà còn tác động trực tiếp đến sự dung nạp của từng thể trạng. Axit chlorogenic mang lại nhiều lợi ích sinh học nhưng cũng tạo ra độ chua và tính axit tự nhiên khá cao trong thức uống [1], [8]. Do đó, những người mắc hội chứng trào ngược dạ dày thực quản, viêm loét dạ dày hoặc có cơ địa nhạy cảm với vị chua có thể cảm thấy cồn cào, khó chịu khi sử dụng cà phê rang nhạt vốn chứa hàm lượng axit chlorogenic rất cao [1], [8], [5].
Với nhóm đối tượng này, cà phê rang vừa hoặc rang đậm có thể là sự lựa chọn êm dịu hơn cho đường tiêu hóa, bởi quá trình gia nhiệt ở mức độ cao đã phân hủy phần lớn axit chlorogenic và biến đổi chúng thành các hợp chất ít chua hơn [1], [8]. Tuy nhiên, cà phê rang đậm vẫn giải phóng hàm lượng caffeine đáng kể, đôi khi tập trung ở nồng độ cao [1], [4]. Do đó, những người có bệnh lý tim mạch, rối loạn nhịp tim, phụ nữ mang thai hoặc người bị mất ngủ kéo dài cần kiểm soát tổng lượng caffeine nạp vào hàng ngày và nên tham khảo ý kiến bác sĩ chuyên khoa.
Gợi ý thưởng thức cà phê khoa học mỗi ngày
Để tối ưu hóa lượng chất chống oxy hóa tự nhiên mà vẫn đảm bảo trải nghiệm hương vị cân bằng, mức rang nhạt đến rang vừa là giải pháp lý tưởng nhất cho đa số người khỏe mạnh [2], [5], [3]. Nghiên cứu nhiệt động học đã chỉ ra rằng việc rang ở mức nhiệt 180 độ C trong 20 phút hoặc 220 độ C trong 10 phút là điểm cân bằng vàng giúp lưu giữ trọn vẹn các hợp chất phenolic quý giá đồng thời định hình hương thơm đặc trưng [2].
Người dùng nên ưu tiên các phương pháp pha chế sử dụng nước nóng để chiết xuất hiệu quả các hợp chất phenolic tan trong nước [1], [3]. Thời điểm thưởng thức cà phê thích hợp nhất là vào buổi sáng hoặc đầu giờ chiều, tránh uống quá muộn vào buổi tối nhằm ngăn ngừa nguy cơ rối loạn giấc ngủ do tác động kích thích thần kinh của caffeine [1], [4]. Việc kết hợp một chế độ dinh dưỡng giàu rau xanh, hoa quả tươi song song với việc uống từ 1 đến 2 tách cà phê rang vừa mỗi ngày sẽ giúp cơ thể tiếp nhận nguồn chất chống oxy hóa đa dạng và an toàn nhất.
Nhìn chung, quá trình rang đậm màu thực sự phá hủy một phần rất lớn lượng axit chlorogenic tự nhiên vốn có trong hạt cà phê xanh. Mặc dù nhiệt độ cao kích thích tạo ra các hợp chất chống oxy hóa mới như melanoidin, cà phê rang nhạt và rang vừa vẫn vượt trội hơn về năng lực chống oxy hóa tổng thể và khả năng kháng viêm. Tùy thuộc vào sở thích khẩu vị và tình trạng sức khỏe của hệ tiêu hóa, người dùng có thể linh hoạt lựa chọn mức độ rang phù hợp để tận hưởng ly cà phê vừa ngon miệng vừa có lợi cho sức khỏe.
