Как влияет происхождение кофе на вкус и химические процессы во время обжарки

Раньше при обжарке кофе ориентировались преимущественно на получившийся цвет зерен и данные каппинга, пытаясь повторить результат практически «вслепую». С развитием кофейной индустрии и совершенствованием ростеров при составлении профиля обжарки начали учитывать продолжительность обжарки, время развития кофе, температуру загрузки и выгрузки зерна, процент потери веса и другие параметры, которые можно проконтролировать. Исследования по этой теме продолжаются. И ученые начинают выявлять закономерности профилирования обжарки в зависимости от страны происхождения кофе.

В этой статье мы расскажем, какие процессы протекают при обжарке на примере пяти разных лотов, по мнению исследователей из Швейцарии.

Химия кофейного зерна во время обжарки

В состав зеленого кофе входят химические вещества разных классов:

• нелетучие алкалоиды (кофеин и тригонеллин);

• белки и аминокислоты;

• углеводы (фруктоза, сахароза, клетчатка, целлюлоза);

• липиды (воск, эфирные масла);

• нелетучие кислоты (полифенолы и хлорогеновая кислота).

Часть этих соединений при обжарке кофе остается практически неизменной, например, кофеин, витамины группы B. Жиры частично разлагаются с образованием свободных омега-3 кислот и акролеина, общее содержание липидов при этом возрастает.

Некоторые вещества — например, аминокислоты, полифенолы, углеводы — под действием высокой температуры вступают в реакции и синтезируют новые. Продукты реакций называют летучими органическими соединениями (ЛОС), их насчитывают более 30. Именно они формируют вкус и аромат кофе.

Зеленый кофе практически не обладает вкусом и ароматом, характерные дескрипторы формируются уже при обжарке

Примеры ЛОС, которые образуются во время обжарки:

• пиразины — придают ореховый и цветочный вкус;

• фураны — отвечают за карамельные оттенки;

• пиридины — формируют аромат жареного хлеба;

• феруловая кислота (4-винил-гваякол) — ключевой компонент кофейного аромата;

• фенолы — отвечают за пепельные и дымные ноты.

Все эти ЛОС в процессе обжарки образуются в разное время. Особенно активно они выделяются, когда происходит крэк — характерный треск зерна под давлением испаряющейся влаги и углекислого газа. Обычно он наступает при температуре около 200 °С. С этого момента все химические реакции ускоряются в несколько раз, после чего наступает время развития зерна — это период от крэка до выгрузки. У кофе очень темной обжарки есть и второй крэк, который происходит при температуре выше 220 °С. В это время начинают гореть сахара и клеточные стенки зерна, а на его поверхности выступают масла.

Время первого крэка важно зафиксировать. Если «развить» кофе недостаточно, то вкус будет плоским, с травянистыми и бумажными нотами. Если время развития слишком велико, то концентрация летучих соединений уменьшится, а во вкусе будут преобладать горькие ноты орехов, шоколада и табака.

Эти химические процессы внутри разных зерен и изучали авторы в своей исследовательской работе.

Предмет изучения и условия эксперимента

Эксперименты проводили ученые из Цюрихского университета прикладных наук с кафедры биологии. В 2014 году совместно с кафедрой химии и биологической химии специалисты изучали динамику формирования вкуса у различных видов зеленого кофе. Для исследования брали 5 лотов: арабику из Колумбии, Гватемалы, эфиопских регионов Иргачефф и Джимма, а также робусту из Малангсари (Индонезия). Зерна обжаривали в кондукционном ростере.

В исследовании фиксировали такие ЛОС: метанол, 2H-пиран (производная пирана), 5,6,2-дигидро-5-гидроксимальтол, муравьиная кислота, пиррол, производные фенола и фурана. Анализ проводили с помощью масс-спектрометра, который улавливает летучие вещества, распознает и определяет их количество в образцах.

Исследовали результаты трех серий экспериментов, в которых:

1. Для всех образцов поддерживали одинаковые условия и степень обжарки.

2. Задавали разную температуру и время тепловой обработки: от кратковременной обжарки при высокой температуре до длительной обжарки при низкой температуре.

3. Меняли степень обжарки от средней до темной.

В исследованиях замеряли время образования ЛОС и фиксировали первый крэк. Также определяли, с какой интенсивностью и за какое время появляются вкусы и ароматы в кофе.

Результаты исследования

Наиболее показательными оказались результаты первой серии, где профиль обжарки сохраняли одинаковым для всех образцов. Замеряли время образования 2H-пирана, метанола, 5,6-дигидро-5-гидроксимальтола, муравьиной кислоты. Определяли, с какой интенсивностью изменяется концентрация этих ЛОС в процессе обжарки. На графиках видно, как по-разному формируется вкус у всех сортов кофе.

Профили интенсивности образования ЛОС в процессе обжарки для кофе из Колумбии, Иргачефф, Малангсари, Джиммы и Гватемалы. Крестиком отмечено соответствующее время первого крэка.

ЛОС начали формироваться еще до крэка. Время первого крэка и максимальной концентрации летучих веществ в зерне отличались в разных лотах.

Раньше всего крэк наступил при обжарке кофе из Гватемалы, и концентрация ЛОС достигла максимального уровня тоже у этого лота. Самыми «медленными» оказались образцы из Иргачефф и Малангсари.

Во второй и третьей серии экспериментов зафиксировали такие различия:

• При смене температуры и времени обжарки кофейные зерна потеряли в весе 12–16 % и увеличились в объеме на 43–82 %.

• При переходе от средней к темной обжарке увеличился рН, снизился уровень хлорогеновой кислоты. Содержание полифенолов уменьшилось в лотах из Гватемалы и Джимма, и резко возросло в робусте из Малангсари.

Наиболее близкими по потере веса оказались Иргачефф, Джимма и Колумбия, а также Гватемала и Малангсари. По увеличению объема зерен похожие результаты получились у лотов Колумбия и Джимма. По изменению концентрации ЛОС в образцах значительных изменений не наблюдалось.

Исследователи пока только предполагают, как происхождение кофе влияет на динамику образования ЛОС во время обжарки. Есть гипотеза, что дело в разных условиях выращивания и обработки. Они отражаются на форме, плотности и клеточных структурах зерна. Эти параметры влияют на динамику образования ЛОС и время начала реакций. Чтобы определить, как это происходит, нужно провести сравнительный химический и микроскопический анализ состава клеточных ядер.

Окончательные выводы о влиянии происхождения кофе на процессы во время обжарки делать пока рано. Но данное исследование очень ценно для работы с упомянутыми образцами.

Исследование ученых из Швейцарии — первый шаг к более глубокому пониманию химических процессов, происходящих во время обжарки

Как результаты помогут кофейной индустрии

Полученные результаты полезны для специалистов, которые составляют смеси для обжарки. Они будут понимать, в каких лотах и с какой скоростью будут образовываться ЛОС для формирования нужного вкуса.

Например, если смесь из Эфиопии и Гватемалы обжарить в течение 12 минут при одинаковой температуре, то в гватемальском кофе раньше начнут развиваться соединения, отвечающие за горькие вкусы. Это обусловлено разным временем образования ЛОС: у Иргачефф — 12 минут, у Гватемалы — 9,5.

В таком случае специалисты будут знать, какие лоты выбирать для сбалансированной обжарки и как поведут себя разные компоненты смеси. Также это поможет подобрать профиль обжарки таким образом, чтобы развить нужные ароматы и избежать нежелательных.

Исследования на эту тему продолжаются до сих пор. Они помогут получить воспроизводимые данные по профилю обжарки для разных лотов кофе. Это значит, что в будущем мы сможем лучше прогнозировать этот процесс, больше автоматизировать и получать нужное качество чашки, основываясь на научных данных.