Обжарка кофе. Химия процесса и формирование вкуса

Краткое руководство по разнообразию вкусовых качеств, которые могут возникнуть при обжарке кофе, придавая ему его особый ароматный характер.

Обжарка – это ключевая операция по превращению зеленых кофейных зерен в ароматный обжаренный кофе. Это сердце и душа любой операции по производству кофе, потому что это процесс обжарки, в ходе которого создается аромат и определяются физические свойства зерен. Обжарка кофе обычно определяется как сухая термическая обработка зеленого кофейного зерна. В частности, обжарка кофейных зерен горячим воздухом представляет собой традиционный термический процесс, основной целью которого является получение обжаренного кофе с желаемым вкусом, а также получение темного цвета и хрупкой пористой текстуры, готовой для измельчения и экстракции. Во время обжарки кофейные зерна подвергаются воздействию горячего воздуха. Повышение температуры продукта вызывает обширные химические реакции, обезвоживание и глубокие изменения микроструктуры. В процессе образуются восхитительные ароматические соединения, которые в конечном итоге могут быть переведены в жидкую фазу во время тщательной экстракции и, наконец, произвести восхитительную чашку кофе.

Изменения, которые протекают в зерне во время его обжарки, затрагивают широкий арсенал специальных химических терминов и реакций. Давайте сначала разберем основные из них, а затем уже рассмотрим процессы, которые происходят в кофейном зерне во время его обжарки.

Терминология

Природа объединила в кофе самые различные органические вещества. Новейшие методы химического анализа свидетельствуют о наличии в кофе нескольких сотен компонентов. Это сочетание и создает то, что мы называем кофейным напитком. Каждому сорту кофе присуща своя особенная комбинация веществ.

Кофейное дерево — это удивительная природная лаборатория. Кофейные зерна содержат большое количество сложных органических веществ. Около четверти массы кофейного зерна составляет кофеин, тригонеллин, хлорогеновая кислота, белки и минералы. Остальное приходится на клетчатку, кофейное масло и воду. Зелёные кофейные зёрна обладают неприятным вкусом, вдобавок они с трудом поддаются измельчению. Именно обжарка кофе позволяет раскрыть вкус зерна, который концентрируется в содержании сахара, кислот и кофейных масел. Кофейные масла, несущие в себе вкусовой букет, при нагревании направляются к верхней поверхности клеток зерна, поэтому только благодаря правильно подобранной температуре, удаётся раскрыть вкус напитка.

кофейное дерево
Кофейное дерево с ягодами

Кофеин

Кофеин относится к группе алкалоидов. Как утверждают специалисты, кофеин появился в кофейных деревьях в процессе эволюции для защиты растений от вредных насекомых, поскольку это вещество является природным инсектицидом.

кофеин молекула структура
Структура молекулы кофеина

В 1895 году немецкий химик Герман Эмиль Фишер впервые синтезировал кофеин из его химических компонентов, проведя так называемый «полный синтез». Два года спустя он вывел структурную формулу этого соединения. Это было частью работы, за которую Фишер был удостоен Нобелевской премии в 1902 году.

Кофеин – вещество без цвета и запаха. В водном растворе дает горький привкус. Кофеин кристаллизуется из водных растворов в виде кристаллогидрата, имеющего форму хрупких шелковистых игл. Безводный кофеин плавится при 236,5ºC, при не осторожном нагревании может возгораться. Он легко растворяется в хлороформе. Водные растворы кофеина имеют нейтральную реакцию, с кислотами он образует соли.

Содержание кофеина в зерне зависит от вида (% в пересчете на сухое вещество): Аравийский — 0,6-1,2%, Робуста — 1,8-3%; Либерийский — 1,2-1,5%.

Именно благодаря этому веществу кофе обладает возбуждающим, бодрящим действием. Было установлено, что в небольших дозах кофеин возбуждает центральную нервную систему, в первую очередь кору головного мозга. Такая реакция вызывает улучшение общего обмена, усиление дыхания, кровообращения.

В процессе обжарки зерна содержание кофеина в пересчете на сухой вес меняется в зависимости от сорта: Арабика - увеличение с 1.2% до 1.3%, Робуста - увеличение с 2.2% до 2.4%.

Тригонеллин

Второй алкалоид, содержащийся в кофейных зернах, — тригонеллин.

Он не обладает возбуждающими свойствами, но ему принадлежит важная роль в образовании вкуса и запаха обжаренного кофе.

В относительно большом количестве тригонеллин содержится в сортах кофе вида Арабика (1-1,2%). В сортах вида Каниформа (Робуста) его несколько меньше (0,6-0,74%), а в сортах вида Либерика — всего 0,2-0,3%.

Тригонеллин хорошо растворяется в воде, но термически нестабилен.

При обжаривании он разрушается. В процессе разложения образуется значительное количество никотиновой кислоты. Это органическое вещество представляет собой один из витаминов «группы В» — витамин В3. Витамины этой группы играют важную роль в биохимических процессах.

Хлорогеновая кислота

Кофе содержит более тридцати различных органических кислот (в том числе яблочную, лимонную, уксусную и кофейную). Одна из них — хлорогеновая.

В значительном количестве встречается только в кофейных зернах. Ее содержание в них колеблется от 4 до 8% в зависимости от сорта. Наличие в кофе различных кислот положительно влияет на деятельность желудка и улучшает пищеварение.

Танины

Характерно для кофе и наличие сложных органических веществ — танинов. Они придают кофейному напитку привкус горечи. Молоко и сливки, которые часто добавляют в кофе, взаимодействуют с танинами и связывают их, тогда кофе частично утрачивает горечь. Подробнее про влияние молока на вкус напитка читайте в нашей статье «Как выбрать молоко для кофейни

Химические изменения при обжарке кофе

Процесс обжарки кофе изучается многочисленными авторами в академических кругах, а также в отделах исследований и разработок ведущих компаний-производителей кофе на протяжении десятилетий. Хотя общественные знания об обжарке кофе значительно расширились, многое еще предстоит открыть и уточнить. Искусство опытного обжарщика является по-прежнему необходимым условием для создания идеальной чашки кофе.

обжарка кофе
Схематическое представление изменения вкуса во время обжарки кофе

Эндотермическая и экзотермическая фаза обжарки кофе

Повышение температуры зерен во время обжарки вызывает сложные химические реакции, которые в конечном итоге приводят к серьезному изменению состава обжаренных зерен. 

Некоторые из наиболее важных химических реакций, влияющих на углеводы: 

  1. Реакция Майяра представляет собой серию процессов с последующим разложением сахара, которое дает аромат, вкус и цвет кофе.  Эта реакция происходит, когда выпекают хлеб или готовят стейк на гриле.
  2. Деградация Штрекера является частью реакционной сети Майяра и имеет особое значение для формирования вкуса, вносящего вклад в спектр аромата кофе с летучими альдегидами, имеющими солодовые , картофельные и медовые нотки.  
  3. Пиролиз представляет собой процесс термического разложения кофейного зерна.
  4. Карамелизация является химическим процессом, протекающим при температуре выше +170°C, когда сложные углеводы начинают распадаться на более мелкие молекулы сахара, способные растворяться в воде.

Обжарка кофе также приводит к денатурации и деградации белка. Многие кислоты, присутствующие в зеленом зерне, также разлагаются. 

На начальных этапах процесса обжарки требуется значительное количество энергии, чтобы вызвать испарение воды и вызвать химические реакции (эндотермическая фаза). В какой-то момент процесса обжарки энергетический баланс химических реакций становится автокаталитическим (экзотермическим). 

В конечном итоге кофейные зерна сами по себе начинают выделять тепло. Следовательно, заключительные стадии процесса обжарки характеризуются увеличением скорости процесса и постепенным приближением к условиям процесса горения.

На этом этапе решающее значение приобретает контроль процесса. Через несколько секунд можно получить разницу между правильно прожаренным продуктом с желаемой степенью прожарки и пережаренным продуктом. При достижении желаемой степени обжарки необходимо резко остановить процесс с эффективным предварительным охлаждением. Если обжаривание продолжается неконтролируемым образом, зерна могут загореться и создать небезопасные условия в ростере.

обжарка кофе охлаждающий поддон
Свежеобжаренные кофейные зерна в охлаждающем поддоне

Образование газа

При обжарке образуется значительное количество газа в результате пиролиза и реакции Майяра. Скорость газообразования во время изотермического процесса обжарки низкая в начале процесса, но сильно увеличивается во второй половине. Необходимо отметить, что скорость газообразования сильно зависит от условий процесса обжарки кофе. Преобладающий газ, который образуется при обжарке, — углекислый газ (CO2). Другие важные компоненты включают монооксид углерода (CO) и азот (N2).

Одна часть газа выбрасывается в атмосферу во время обжарки. Другая – остается внутри зерен и высвобождается позже во время хранения и последующих этапов обработки (например, помола кофейного зерна). 

Газ вместе с водяным паром составляет движущую силу расширения зерен во время обжарки.

Удерживаемый в зернах газ вызывает высокое давление. Измерения и модельные расчеты позволяют сделать вывод, что давление газа внутри зерна при обжарке может превышать значения, превышающие 10 бар. Толстые клеточные стенки кофе готовы выдерживать это давление, не ломаясь, но постепенно растягиваются и охватывают увеличивающийся объем пор. На заключительных этапах обжарки возникают незначительные структурные разрушения и трещины, в результате чего выделяется небольшое количество газа в виде внезапного микровзрыва, что проявляется в тресках и хлопках. Это называется «крэк». В обжарке разделяют два крэка — первый и второй. И если первый происходит на температурах около 200 С°, в основном из-за испаряющейся влаги и выделения углекислого газа, то второй — после 220 С° из-за горения сахаров и клеточных стенок. Если обжаривать кофе до второго крэка, он будет очень тёмным, а на его поверхности выступят масла. Одновременно с этим этапом будет меняться вкус кофе.

Образование ароматических соединений

Летучая фракция обжаренного кофе очень сложна и состоит из более чем 1000 соединений. Большое количество научных работ было посвящено идентификации ключевых компонентов, влияющих на аромат.

Кинетика образования ароматических соединений во время обжарки кофе определяется конкретными условиями для химических реакций (например, температура, активность воды, давление), которые контролируются параметрами процесса. Таким образом, различные временные и температурные условия во время обжарки приводят к получению определенных вкусовых характеристик из одного и того же сырья.

В ходе исследования, проведенного в 2002 году, проанализировали летучую фракцию образцов кофе, взятых на разных этапах процесса обжарки, используя шесть различных профилей обжарки:

  • Первая стадия обжарки не дает больших количеств аромата, но может быть важной для образования предшественников аромата.
  • Большинство ароматических соединений показали самую высокую скорость образования на средних стадиях процесса обжарки и средних стадиях дегидратации зерна с содержанием воды от 7% до 2%.
  • Большинство важных ароматических соединений (например, большинство пиразинов) начинают разлагаться при высокой температуре на последующих стадиях процесса из-за термического разложения. Концентрация этих летучих веществ снижается с увеличением степени обжарки. С другой стороны, ограниченное количество ароматических соединений продолжает образовываться при высокой температуре (например, гваякол).

Развитие кислотности и горечи с увеличением степени обжарки

Хорошая чашка кофе отличается сбалансированным соотношением кислотности и горечи. Следовательно, опытный обжарщик должен позаботиться о часто желаемой и ценимой кислотности и следить за развитием соединений горечи во время обжарки. Как показывает практика, увеличение степени прожарки приводит к снижению кислотности и увеличению горечи. Поэтому выбор оптимальной степени обжарки имеет решающее значение для сбалансированного вкусового профиля.

Кислотность

  1. Хлорогеновые кислоты сильно разлагаются при обжарке кофе. Однако их вклад в общее сенсорное восприятие очень ограничен. Напротив, лимонная и яблочная кислоты очень важны для сенсорного восприятия. Эти кислоты уже присутствуют в зеленых зернах, и их количество постепенно уменьшается во время обжарки.
  2. Уксусная кислота и муравьиная кислота также вносят большой вклад в общую сенсорную кислотность. Их концентрация в зеленом кофе очень низкая. Эти кислоты образуются на начальных стадиях обжарки из предшественника углеводов, но затем разлагаются при более высоких температурах на заключительных стадиях обжарки.
  3. Концентрация хинной кислоты и некоторых летучих кислот немного увеличивается во время обжарки.

В целом ощутимая общая кислотность явно уменьшается в процессе обжарки. Зерна легкой обжарки придают чашке больше кислотности, чем кофе темной обжарки.

Горечь

Обжарка придает кофе горький привкус. Пути образования компонентов горечи в обжаренном кофе были выяснены только в последние годы и до сих пор являются предметом текущих научных исследований.

Хотя кофеин, присутствующий в зеленых зернах, имеет сильный горький вкус, он составляет лишь 10-20% ощущаемой горечи кофе. Основной вклад в горечь вносит обжарка кофе. Класс лактонов хлорогеновой кислоты, являющийся продуктом расщепления хлорогеновых кислот, был определен как один из основных источников горечи кофе. Сохраняющийся резкий привкус горечи у темного обжаренного кофе вызван фенилинданами, продуктом распада лактонов хлорогеновой кислоты.

Как правило, горечь возрастает с увеличением степени прожарки.

Формирование вкуса и обжарка кофе

Ниже приведены основные изменения в составе и химические процессы, которые влияют на формирование ароматических соединений в кофе при обжарке:

  • потеря воды ⇨ сушка зерна, реакция с потерей влаги
  • выброс углекислого газа ⇨ расширение кофейного зерна
  • миграция липидов на поверхность зерна ⇨ сохранение генерируемых ароматических компонентов
  • потеря сахаров (включая сахарозу) ⇨ формирование вкуса и цвета (процесс Майяра и карамелизация)
  • уменьшение свободных аминокислот ⇨ формирование вкуса и цвета (процесс Майяра и Штрекера)
  • частичное разложение полисахаридов (например, арабиногалактана) ⇨ высвобождение арабинозы, которая, в свою очередь, реагирует, приводя к образованию аромата (например, реакция Майяра)
  • частичное разложение белков ⇨ высвобождение аминокислот, которые, в свою очередь, реагируют, приводя к образованию аромата (например, реакция Майяра)
  • потеря хлорогеновой кислоты ⇨ образование горького вкуса и цвета
  • уменьшение тригонеллина ⇨ образование N-содержащих продуктов (аромат, вкус, цвет)
  • образование меланоидинов ⇨ формирование цвета (полимеризация полисахаридов, белков и полифенолов)
  • частичная деградация липидов ⇨ формирование ароматических активных альдегидов
  • взаимодействие между промежуточными продуктами разложения

Упрощенный обзор этих реакций и соответствующего ароматического соединения, образующиеся в процессе обжарки кофе, перечислены в таблице ниже.

Ознакомиться с полной терминологией вкусовых характеристик кофе вы сможете в нашей статье «Как выбирать кофе»

Реакции Промежуточные элементы Образованные соединения (вкус)
Реакция Майяра
Восстанавливающий сахар, N-соединения
Дикетоны (масляный), Пиразины (землистый, жареный, ореховый), Тиазолы (жареный, похожий на попкорн), Энолоны (карамельный, пикантный), Тиолы (серный, кофейный), Алифатические кислоты (кислый)
Деградация Штрекера
Аминокислоты, Дикетоны, происходящие из реакции Майяра
Альдегиды Штрекера (солодовый, сырой, медовый)
Карамелизация
Свободный сахар (сахароза после инверсии)
Энолоны (карамельный, пикантный)
Разложение хлорогеновой кислоты
Хлорогеновая кислота
Фенолы (дымчатый, пепельный, древесный, фенольный, лекарственный), Лактоны (горький), Инданы (горький, резкий)
Окисление липидов
Ненасыщенные жирные кислоты
Альдегиды (жирный, мыльный, сырой)

Данная статья демонстрирует разнообразие вкусовых качеств, которые могут возникнуть при обжарке кофе, придавая ему его особый ароматный характер. Со своей стороны подчеркнем, что сложные химические процессы, происходящие в кофейном зерне, изучены далеко не полностью. До сих пор еще не раскрыта роль отдельных составных, а тем более всего комплекса веществ.

Отправить сообщение

Нажимая на кнопку, я даю свое согласие на обработку персональных данных

Заказать обратный звонок

Нажимая на кнопку, я даю свое согласие на обработку персональных данных

Обжарка кофе. Химия процесса и формирование вкуса

Нажимая на кнопку, я даю свое согласие на обработку персональных данных

Заказать пропуск

Нажимая на кнопку, я даю свое согласие на обработку персональных данных