1 : Độ cứng của nước

Trong chu trình tự nhiên dòng nước ngầm sẽ di chuyển qua lớp đá khoáng, qua đó nước sẽ hấp thu được một phần các ion Magiê (Mg²⁺), Canxi (Ca²⁺) Natri (Na⁺) như vậy chúng ta có “nước cứng”. Trong số này, Canxi từ đá vôi là một trong những khoáng chất cứng phổ biến nhất có trong nước. Ngoài ra, bạn thường có thể tìm thấy một lượng nhỏ sắt, chì, đồng, silica và nhôm, đôi khi bị rửa trôi từ đường ống và bể chứa.

Thuật ngữ “độ cứng” ban đầu xuất phát từ tác dụng của các khoáng chất trong nước với xà phòng. Các khoáng chất trong nước cứng liên kết với xà phòng và tạo thành váng không hòa tan, khó tạo bọt hơn và làm cho xà phòng kém hiệu quả hơn trong việc giặt giũ. Ở một góc độ nào đó, người ta nhận thấy rằng nếu đun sôi nước trước khi sử dụng, nước sẽ bớt cứng hơn, giúp việc giặt giũ dễ dàng hơn. Độ cứng có thể được loại bỏ bằng cách đun sôi được gọi là “độ cứng tạm thời”, độ cứng còn lại, cho dù bạn đun sôi nước đến đâu, được gọi là “độ cứng vĩnh viễn”.

baristahustle

Một vòi bồn tắm bị vôi hóa tích tụ từ nước cứng

Định nghĩa này tương đối đơn giản, nhưng để thực sự hiểu những gì đang xảy ra, chúng ta cần biết một chút về những khoáng chất trong nước. Mỗi khoáng chất hòa tan trong nước được tạo thành từ các ion, tức các hạt mang điện. Điện tích của các ion này là nguyên nhân khiến nó tương tác với các phân tử hương vị có trong hạt cà phê. Canxi (Ca²⁺) và Magiê (Mg²⁺) tạo nên gần như toàn bộ độ cứng trong nước uống. Vì Canxi và Magiê đều có hai điện tích dương, chúng hoạt động theo cách rất giống nhau, vì vậy có thể được coi là có thể hoán đổi cho nhau khi chúng ta nói về độ cứng. Một số ion khác, như sắt (Fe3+) hoặc nhôm (Al3+), có thể đóng góp về mặt kỹ thuật khi đề cập đến nước cứng, nhưng chúng ta thường bỏ qua những ion này, vì hàm lượng cho phép của chúng trong nước uống phải rất thấp (WHO, 2011).

2 : Độ cứng tạm thời và vĩnh viễn

Với một mức độ vừa phải các ion khoáng như Magiê (Mg²⁺) và Canxi (Ca²⁺), chúng có thể đi vào bên trong thành cellulose của hạt cà phê và quay trở lại với các chất hòa tan tạo nên hương vị cho một tách cà phê. Ở cấp độ phân tử ion Mg²⁺ cho ra chiết xuất mạnh hơn một chút so với Ca²⁺ vì rất nhiều hợp chất hương vị trong cà phê có mang theo phân tử Oxi, mà ion Magiê dễ dàng kết hợp qua cầu nối Oxi. Trong khi đó Canxi lại dễ dàng liên kết với các chất khác gây ra sự hình thành vôi – nguyên nhân chính khiến bạn phải vệ sinh máy Espresso định kỳ vì vôi hóa.

Tổng độ cứng, còn được gọi là “độ cứng chung” viết tắt là GH (general hardness), chỉ là một phép đo lượng Canxi và Magiê tích điện dương có trong nước. Bởi vì điện tích trong các ion này giúp chiết xuất các phân tử hương vị, phép đo GH là một chỉ số về khả năng chiết xuất của nước. Cần biết rằng mỗi ion khoáng mang điện tích dương sẽ ghép nối với các ion mang điện tích âm. Trong nước, chất quan trọng nhất trong số này là bicarbonate (HCO3–). Khi bạn đun sôi nước với bicarbonate, nó phản ứng với bất kỳ ion Canxi và Magiê nào trong nước để tạo thành kết tủa – một chất rắn gọi là limescale (CaCO3 và MgCO3).

Lượng cặn lớn nhất có thể hình thành khi nước được đun nóng gọi là độ cứng cacbonat, hay còn gọi là độ cứng tạm thời.

The SCA Water Quality Handbook, 2018

Loại nước trên minh họa này có độ cứng chung (GH) là 2, vì có hai đơn vị Canxi/Magiê trong đó. Nó có độ cứng tạm thời là 1, bởi vì sau khi đun nóng, chỉ có một đơn vị bicarbonate (HCO3–) liên kết với một đơn vị Canxi (hoặc magie) để tạo thành căn kết tủa (limescale). Đơn vị Magiê (hoặc Canxi) còn lại là độ cứng vĩnh viễn, vì nó không hình thành cặn vôi và còn lại sau khi đun sôi – cùng với nhiều ion khác trong nước.

Trong ví dụ trên đây, bạn có thể thấy độ kiềm tương đương với độ cứng tạm thời, vì có đủ Canxi và Magiê để phản ứng với bicarbonate và tạo thành limescale. Đây là trường hợp của hầu hết nước uống tự nhiên – độ kiềm và độ cứng cacbonat (hay độ cứng tạm thời) là hoàn toàn giống nhau. Vì vậy phép đo độ cứng cacbonat cũng cho bạn biết độ kiềm của nước. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, để xác định độ cứng cacbonat, ta thường so sánh tổng độ cứng và độ kiềm, cái nào thấp nhất trong hai cái sẽ xác định điều này. Lý do là cả độ cứng và độ kiềm đều cần thiết để tạo cặn. Nói cách khác, chỉ một trong hai không thể tạo thành quy mô mà không có mặt kia.

Khác với Ca²⁺ và Mg²⁺ Ion Na⁺ liên kết yếu với hầu hết các hợp chất trung tính trong hạt cà phê, nên nước giàu Cation Na+ không có lợi cho chiết xuất. Vì vậy, nếu mục đích là để chiết xuất hầu hết các thành phần hương vị trong cà phê, thì nước giàu Mg²⁺ là phù hợp nhất. Nếu mục đích là để đạt được sự cân bằng hương vị tốt nhất cho một loại cà phê rang nhạt (light) nhất định, thì cả Ca²⁺ và Mg²⁺ cho thấy hiệu quả cao hơn (nhưng khả năng tạo cặn cao hơn).

Christopher H. Hendon, 2014

3 : Độ kiềm” là gì?

Khi đo độ cứng trong nước, chúng ta thường thực hiện hai phép đo: GH và KH. GH như đã đề cập, là độ cứng chung và đo tổng lượng canxi và magiê trong nước. KH là viết tắt của Karbonathärte (tiếng Đức) có nghĩa là độ cứng cacbonat. Độ cứng cacbonat hoàn toàn giống độ cứng tạm thời: nó có nghĩa là tất cả độ cứng được ghép nối với các ion bicacbonat, có thể tạo thành limescale. Tuy nhiên, điều gây nhầm lẫn là một phép đo KH điển hình không-thực-sự đo độ cứng tạm thời. Phép đo KH chỉ cho biết lượng bicarbonat trong nước, còn được gọi là độ kiềm. Thông số này cũng rất quan trọng vì độ kiềm sẽ loại bỏ độ chua trong cà phê và làm cho nó có vị ít chua hơn. Độ kiềm quá cao sẽ làm cho vị cà phê “phẵng” (flat).

Chưa hết, khi xét đến tính đệm của nước chúng ta cần quan tâm thêm về tỷ lệ pha (tức tỷ lệ giữa liều lượng cà phê / chiết xuất thu được). Một cốc Ristretto thường có tỷ lệ cà phê : chiết xuất = 3:2; Trong khi đó, với các loại cà phê lọc, tỷ lệ này lên đến 1:15. Đây là vấn đề cần xem xét vì rõ ràng với cùng một loại cà phê và loại nước, bạn sẽ cảm nhận rõ vị chua từ Espresso hơn so với một cốc cà phê lọc được trung hòa bởi lượng kiềm lớn gấp 10 lần.

Có ba thước đo thực sự quan trọng trong việc pha cà phê: Độ cứng tổng hoặc độ cứng chung (GH), độ cứng tạm thời (hoặc độ cứng cacbonat) và độ kiềm (KH). Độ cứng tổng giúp nước chiết xuất được hương vị từ cà phê. Độ cứng tạm thời là là yếu tố quyết định khả năng tạo thành cặn kết tủa – limescale; Cuối cùng, độ kiềm quyết định khả năng trung hòa độ chua của cà phê.

Ngoài độ cứng, độ kiềm là mấu chốt quan trọng của nước pha cà phê. Nếu chúng không có cacbonat, chúng sẽ biến tách cà phê tuyệt vời của mình thành một “bể khổ”. 

Như vậy trong hầu hết các loại nước uống, độ kiềm (KH) = độ cứng tạm thời. Độ cứng vĩnh viễn chỉ đại diện cho “bất kỳ độ cứng nào còn sót lại”, do đó: Độ cứng vĩnh viễn = GH – KH. Nếu KH thấp hơn GH, thì số đo KH sẽ đại cho cả độ cứng tạm thời và độ kiềm, vì KH là yếu tố xác định bao nhiêu phần trong GH có thể tham gia tạo thành limescale. Tuy nhiên, nếu KH cao hơn GH, thì KH chỉ đại diện cho độ kiềm và độ cứng tạm thời lúc này bằng độ cứng tổng, vì KH ‘còn dư’ không thể tự tạo thành limescale.

4 : Còn độ pH của nước thì sao? 

Trong môi trường tự nhiên, nước luôn nhận được thêm các ion từ nhiều chất mà nó hòa tan. Nếu nước hòa tan một axit, nó làm cho các nguyên tử tạo nên axit phân ly (vỡ ra) và khi làm như vậy, nước thu được thêm các hydronium (ion hydro: H₃O⁺). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tự phân ly của nước và được minh họa qua sơ đồ sau:

2H₂O ⇌  H₃O⁺ + OH⁻

Khi một chất kiềm hòa tan trong nước, các nguyên tử của chúng phân ly để giải phóng anion hydroxit (OH⁻). Khi nước chứa chính xác một lượng ion hydronium (H3O⁺) và ion Hydroxit (OH^–) thì nước được coi là trung tính hoặc cân bằng. Nồng độ của các ion này trong dung dịch được đo bằng thang pH, Thang pH có giá trị từ 0-14 ; Về lý thuyết, nước trung tính có pH = 7. Nếu pH lớn hơn 7, dung dịch có nhiều ion OH^– hơn và được gọi là bazơ. Nếu pH thấp hơn 7, dung dịch có dư ion H⁺ và được gọi là có tính axit.

Cần lưu ý, đối với thang pH. Vì pH là một thang đo là logarit: do đó, một số trên thang đo đại diện cho hệ số mười. Nói cách khác, dung dịch có pH = 5 (nghĩa là có nồng độ H⁺ = 10^-5mol/l) sẽ có tính axit gấp mười lần dung dịch có pH = 6 (nồng độ H⁺ = 10^-6mol/l).

5 : Sự khác nhau giữa độ pH và độ kiềm

Một cái bẫy mà nhiều barista hay “sa lầy” trong khoa học của nước, là ghi nhớ sự khác biệt giữa bazơ (một hóa chất có tính kiềm) và độ kiềm của nước. Mặc dù chúng có liên quan, nhưng chúng không giống nhau. Độ pH kiềm, tức pH lớn hơn 7 cho biết rằng nước có lượng ion H⁺ ít hơn OH^– . trong khi đó, Độ kiềm của nước đề cập đến khả năng đệm của nó, khả năng chống lại sự thay đổi độ pH. Khả năng đệm của nước chủ yếu là do các ion cacbonat và bicacbonat. Những chất này có thể trung hòa axit được thêm vào nước. Đây là cách nó hoạt động:

H₂CO₃ ⇌  HCO3^– + H⁺

(axit cacbonic ⇌ bicacbonat + ion hydro)

Các ion bicacbonat trong nước ở trạng thái cân bằng với axit cacbonic. Điều này có nghĩa là các ion bicacbonat liên tục phản qua lại với các ion H⁺ trong nước để tạo thành axit cacbonic. Trong khi đó, axit cacbonic trong nước liên tục bị phân hủy để tạo thành H⁺ và bicacbonat (phản ứng bên trái). Bởi vì cả hai phản ứng xảy ra với tốc độ như nhau, không có sự thay đổi thực. Tuy nhiên, nếu bạn thêm một axit, bạn đang thêm nhiều ion H⁺ hơn vào hỗn hợp. Điều này làm cho nhiều khả năng phản ứng sẽ diễn ra từ phải sang trái, hấp thụ một số ion H + được thêm vào. Kết quả là, sự thay đổi độ pH bị “kéo lại” do một số ion H⁺ được sử dụng hết trong phản ứng ngược lại này – và chúng ta gọi đó là “tính đệm”.

Đến lượt mình, Các ion cacbonat tiếp tục mang lại trạng thái cân bằng tương tự :

HCO3^– ⇌  CO3^2– + H⁺

(bicacbonat ⇌ cacbonat + ion hydro)

Trong trường hợp này, các ion cacbonat hấp thụ các ion hydro và trở thành bicacbonat; một lần nữa, một số ion H⁺ được hấp thụ, làm “kéo lại” sự thay đổi pH. Tuy nhiên, cacbonat không dễ hòa tan trong nước, do đó, cacbonat có ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng đệm của nước.

Chúng ta cần đặc biệt chú ý đến khả năng đệm của nước pha cà phê vì tính acidity (do các axit hữu cơ) của cà phê Arabica thường làm cho nó có độ pH từ 4,5 đến 5 (đối với Robusta, độ pH gần 5,5, như vậy nó có tính axit thấp hơn Arabica từ 5 đến 10 lần). Nếu không có khả năng đệm trong nước pha, cà phê có thể có vị chua. Nếu có quá nhiều dung dịch đệm, độ chua có thể bị mất và cà phê sẽ có hương vị lỏng lẽo, nhạt nhẽo (chúng mình chỉ biết diễn đạt như vậy 🙄).

Trên thực tế, nước nóng không giúp loại bỏ ngay tất cả các ion bicacbonat và cacbonat trong nước của bạn, do đó chúng vẫn có cơ hội tương tác với hương vị cà phê | Ảnh: unsplash

Lần tới khi kết hợp kỹ thuật chiết xuất hoàn hảo, với một loại nước có chất lượng vừa phải, chúng ta có thể đảm bảo bạn sẽ cảm nhận được hương vị tốt nhất của cà phê! Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là, mỗi hạt cà phê cần được rang để có hương vị tối ưu khi chiết xuất, nước là một dung môi quan trọng – nhưng không phải là nơi tốt nhất để thực hiện các kiểm soát. Chúng ta nên thừa nhận quan điểm này và nhấn mạnh rằng cần dành nhiều thời gian cho việc chế biến / chiết xuất cà phê hơn là “pha chế nước”.