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.

Регион происхождения кофе	Время максимальной концентрации ЛОС, мин				Время первого крэка, мин
	2H-пиран	Метанол	5,6-дигидро-5-гидрокси- мальтол	Муравьиная кислота
Колумбия	11,7	12	11,4	11,9	10,5
Гватемала	11	10,8	10,9	11	9,5
Иргачефф	13,3	12,5	13,1	11	12
Джимма	12,4	10,8	12,4	12,2	10,8
Малангсари	13,5	13,6	12,7	13,3	12

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.