科学解读咖啡中香气的形成

发布时间:2020-06-10 14:05       来源:咖啡沙龙网       编辑:咖啡资讯网

咖啡具有十分复杂的挥发性芳香化合物组成,经过90多年的科学研究,已经发现了1000多种挥发性化合物。这些挥发性芳香化合物,主要是由烘焙和萃取过程中发生的热反应产生的。

咖啡生豆的化学成分,以及采后加工(采摘、去果肉、干燥、存储)过程中发生的化学变化,都会直接影响最终产品的质量和价值。

本篇阅读笔记基于一篇综述文章:

Gilberto V.de Melo Pereira, et al.Exploring the impacts of postharvest processing on the aroma formation of coffee beans – A review, Food Chemistry, 272(2019)441-452.

文章详述了咖啡采后加工过程中与挥发性物质组成及其变化相关的各种因素。此外,还讨论了改善咖啡风味的策略,特别是在去除果胶层过程中产生的微生物衍生代谢物。

咖啡生产和采后加工

咖啡树的果实由外果皮(skin),果肉(pulp),粘液(mucilage),内果皮/羊皮纸(parchment),银皮(silver skin)种子/豆(bean)组成。

收获后的咖啡浆果应尽快开始加工,以防止不良发酵或霉菌形成导致的水果腐败。咖啡果的外层很容易去除,而粘液、羊皮纸和银皮则牢固地附着在咖啡豆上,通常用三种方法进行去除。

干式处理过程中,咖啡浆果暴露在阳光或空气干燥器中,直到水分含量约为10%-12%,干燥后去掉外果皮和果肉。

湿式处理涉及一系列相对复杂的步骤,包括机械去除咖啡外果皮和果肉、粘液层的微生物降解(发酵),以及最后通过阳光干燥去除水分。由于少了果皮、果肉及胶质,干燥时间大为缩短。

半干式处理介于干式、湿式两种处理之间,跳过了湿式处理的微生物降解过程,咖啡果实经过机械脱皮,然后进行晒干。

生豆组成和香气前体

主要香气前体是不溶性碳水化合物、可溶性碳水化合物、脂质、绿原酸和含氮化合物。低分子量的碳水化合物,有助于在烘焙过程中形成酸和其他挥发性化合物。此外,多糖是保留挥发物即香气和风味形成的重要成分。

含氮化合物(如生物碱和蛋白质)、非挥发性脂肪酸和挥发性酸,在烘焙过程中分解并产生重要的吡啶和吡咯等风味活性代谢物。

其他存在于咖啡生豆中的次要化合物包括酚类、硫醇和矿物质。硫醇是重要的化合物,产生独特的“咖啡”和“烘焙”气味。酚类化合物具有抗氧化活性以及人类健康的各种有益特性。矿物组成与土壤结构以及其他环境因素,如海拔、湿度、温度和遮荫有关。一般来说,钾的含量很高,其次是磷,镁和钙。

采后加工香气形成

咖啡果实可按前述的三种采后加工方法进行加工,选择的方法将直接影响最终咖啡饮品的质量。

在采摘和去除果肉后,咖啡豆被送至水下罐发酵(湿式处理)或放在平台上(半干式处理)分解和去除粘液

粘液中存在的糖将允许微生物(特别是酵母和乳酸菌)生长。微生物的生长会产生一系列的最终代谢物,这些代谢物会扩散到种子中,并对最终的咖啡质量产生影响。

酵母代谢对于香气的产生起着举足轻重的作用。此外,酵母菌株能够通过产生不同的水解酶促进果胶分解,果胶水解释放单糖作为酵母代谢和香气形成的额外碳源。

乙醇、乙醛和乙酸是酵母代谢的主要产物。此外还产生了许多低分子量风味化合物,包括酯、高级醇、醛、酮和萜类化合物。在这些化合物中,酯类(醋酸酯和乙酯)是数量上最丰富的挥发物。

酯类物质对酒精饮品中花香和果香的贡献是众所周知的。然而,探索酵母衍生酯以提高咖啡质量是一种相对较新的方法,目前的研究致力于选择产酯咖啡酵母,它们有可能增加咖啡豆中这些化合物的含量。

此外,乳酸菌的代谢也被用于酯的形成(如乙酸乙酯、异丁酸乙酯和乙酸己酯)和风味咖啡豆的生产。

咖啡脱胶过程中产生的醛是高级醇和酯等芳香化合物形成的重要前体。

不同微生物菌株会产生不同种类的挥发性化合物,因此发酵微生物的选择标准应以目标风味为导向,以相关代谢活性为重点。

应优先选择能够为最终产品提供整体愉悦香气的菌株,不含异味或不需要的酸(如乙酸、琥珀酸或丁酸)。可以考虑具有不同产香特性的发酵剂培养基组合用于风味增强。此外,采用高温或低温,可以用来调节单个或成组化合物的浓度以改善风味。

干燥和存储

干燥过程中,咖啡豆仍然具有强烈的代谢活性。储存必须保持在理想的湿度条件下(例如,11%的湿度)、低温和惰性大气中,以保持豆子的质量。一般来说,杯品质量下降与豆子活力的丧失有关,这主要与衰老过程中发生的化学反应有关,如绿原酸氧化。

相关研究工作主要报告了存贮过程中主要的非挥发性成分的变化,如碳水化合物、脂类和蛋白质,这些都是烘焙过程中产生香气的重要前体。

烘焙过程

咖啡的颜色、味道和香气与烘焙过程中发生的化学反应有关。咖啡熟豆中含有多种挥发性化合物,然而只有一些化合物对人类的感知有重大影响。

这些化合物可能会发生巨大的变化,取决于在烘焙过程中的温度控制。烘焙过程中发生了许多化学反应,主要的化学过程是美拉德反应、斯特勒克降解和热解反应。

美拉德反应是还原糖和氨基酸之间的化学反应,导致一系列重要的挥发性化合物的形成。

斯特勒克降解过程中,α-氨基酸转化为醛和硫化合物,促成咖啡的复杂香气成分。

热解反应中,结构性碳水化合物被降解,增加了内部孔隙率和二氧化碳的产生。

其他的小反应,包括特定氨基酸、脂肪酸和脂质的降解,对烘焙过程中挥发物的形成有重要影响。

总结

咖啡饮品中的主要香气活性物质,如呋喃、吡嗪和吡咯,在咖啡生豆中并没有发现。因此,咖啡生豆的质量是主要非挥发性成分决定的,如糖、氨基酸和脂类。

由于种子萌发和脂质氧化,这些香气前体在采后加工过程中会产生变化

微生物脱粘对挥发性成分有着重要的影响。各种研究表明,微生物衍生的代谢物可以扩散到咖啡豆中,并在烘焙过程中残留下来,包括酯类、高级醇、醛类、酮类和萜类。其中,风味活性酯对最终咖啡饮品的质量有很大影响。

作者:疯人院中中





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