سبد خرید شما خالی است.
در طول برشتهکاری قهوه چه تغییرات فیزیکی و شیمیایی اتفاق میافتد؟(بخش اول؛ تغییرات فیزیکی)
آنچه در این مقاله میخوانید
ترکیبات تشکیلدهنده دانه سبز و برشته قهوه
تغییرات فیزیکی دانه بعد از برشتهکاری
در زمان قدیم کیمیاگران در تلاش بودند تا فلزات کمارزشتر مانند جیوه و مس را به طلا تبدیل و به اکسیر جاودانگی افسانهای دست پیدا کنند. با این وجود، ما امروزه با گونهای جدید از کیمیاگری و اکسیر جاودانگی روبهرو هستیم؛ تبدیل دانههای متراکم، بدون عطر و طعم، سبزرنگ و با گستره طعمی بسیار وسیع به یکی از معطرترین مواد موجود بر روی کرهی زمین با بیش از ۱۰۰۰ ترکیب معطر۱.
طی فرایند برشتهکاری با استفاده از حرارت و گرما، دستهای از واکنشهای شیمیایی و تغییرات فیزیکی برای دانه اتفاق میافتند که بسیاری از آنها هنوز ناشناخته هستند. میتوان گفت که ما تنها حدود %۱ از واکنشهای شیمیایی برشتهکاری را میشناسیم که فهم و استفاده از آن در فرایند برشتهکاری کار پیچیدهای است. این تغییرات بزرگ چگونه در عرض چند دقیقه در دانه اتفاق میافتند؟ چه ترکیباتی در دانه سبز قهوه وجود دارند و این مواد پس از برشتهکاری چه تغییری میکنند؟
در این مقاله (بخش اول) با تمرکز بر واکنشهای فیزیکی فرآیند برشتهکاری، پدیدههایی مانند تغییرات چگالی و کاهش رطوبت دانه و اهمیت آن در برشتهکاری را بررسی میکنیم. در بخش دوم، واکنشهای شیمیایی را در برشتهکاری مورد بررسی قرار میدهیم و به واکنشهای تجزیه استرکر و مایار میپردازیم.
مانند سایر مقالههای ژاو میتوانید با مراجعه به قسمت منابع، اطلاعات خود را در این زمینه گسترش دهید و مطالعهی بیشتری داشته باشید.
ترکیبات تشکیلدهنده دانه سبز و برشته قهوه
تقریباً تمام ترکیبات تشکیلدهندهی قهوه سبز، پیشسازهایی بالقوه برای طعم و رنگ دانههای نهایی هستند یا به شکلی در توسعه آنها نقش دارند. حتی میزان آب موجود در دانه سبز نیز میتواند نقش مهمی در کیفیت نهایی قهوه ایفا کند. به طور کلی قهوهی سبز از کربوهیدراتها، ترکیبات دارای نیتروژن (پروتئینها، تریگونلین۲ و کافئین)، لیپیدها، اسیدهای آلی۳ و آب تشکیل شده است. از میان این ترکیبات، قندها، پروتئینها، آمینواسیدهای آزاد، تریگونلین، و کلروژنیک اسیدها۴ بیشترین تاثیر را در تعیین ساختار طعمی فنجان نهایی دارند. آگاهی به ترکیبات تشکیلدهندهی دانهی سبز قهوه و دانهی برشته و تاثیر طعمی آنها در فنجان، پیشنیاز درک واکنشهای شیمیایی برشتهکاری است.
ترکیبات تشکیل دهندهی دانهی سبز و برشته در گونهی عربیکا و ربوستا / به ازای درصد تشکیلدهنده
اگرچه قهوه ربوستا و عربیکا به صورت کلی از ترکیبات بسیار مشابهی تشکیل شدهاند، اما نسبت و میزان این ترکیبات در این دو گونه تفاوت زیادی دارد. گونه عربیکا به طور کلی دارای کربوهیدرات، اسیدهای آلی و ۳-فرویل کوئینیک اسید۵ بیشتری نسبت به قهوه ربوستا است. از طرفی قهوه روبوستا حاوی کافئین، پروتئین، آرابینوگالاکتان۶، اسیدهای کلروژنیک (به جز ۳-FQA)، فسفات، خاکستر (نمک های کلسیم) و فلزات واسطه (به عنوان مثال، آهن، آلومینیوم، مس) بیشتری نسبت به قهوهی عربیکا است. البته باید تفاوتهای نژادی، کشت، برداشت و فرآوری هر قهوه را در نظر گرفت و این اعداد صرفاً یک نسبت کلی را نشان میدهند. این تفاوت های مهم در ترکیبات، دلیل تفاوت طعمی و کیفی میان قهوهی عربیکا و ربوستا است.
کربوهیدراتها
بخش عمدهی دانهی سبز قهوه از کربوهیدراتها – ترکیبات ساخته شده از مولکولهای قندی – تشکیل شده است. کربوهیدراتهای نامحلول در دانههای قهوه، زنجیرههای بلندی از سلولز، مانان۷ و همیسلولز۸ هستند که ساختار مستحکم و سخت دیوارههای سلولی را تشکیل میدهند. این مولکولهای زنجیرهای بلند عمدتاً پس از برشتهکاری دستنخورده باقی میمانند و برخی به قطعات محلول تجزیه میشوند. کربوهیدراتهای نامحلول نقش زیادی در طعم یا عطر قهوه ندارند، اما با ویسکوزیته ۹و احساس دهانی۱۰ فنجان نهایی مرتبط هستند.
کربوهیدراتهای محلول عمدتاً شامل زنجیرههای کوتاهتر و منشعب از قندها همراه با ساکارز و مقادیر کمی از قندهای ساده هستند. پلیساکاریدهای محلول در قهوه از ترکیبات گالاکتوز۱۱، مانوزو۱۲ آرابینوز۱۳ تشکیل شده است. آرابینوز در تشکیل اسیدها و ملانوئیدین در قهوه برشته شده موثر است. ملانوئیدین ترکیبی قهوهای رنگ است که طی برشتهکاری تشکیل میشود و عامل رنگ قهوه است. ساکارز و سایر مولکولهای قندی کوچکتر تقریباً به صورت کامل طی برشتهکاری تجزیه میشوند. الیگوساکاریدها مولکولهایی هستند که از تعداد کمی زیر واحد قند از جمله ساکارز تشکیل شدهاند. در طول برشتهکاری، این الیگوساکاریدها به مونوساکاریدها تجزیه میشوند و مونوساکاریدها با شرکت در واکنشهای مایار۱۴، بسیاری از عطرها و طعمهای پیچیده موجود در قهوه را ایجاد میکنند و همچنین اسیدهایی مانند اسید استیک را تشکیل میدهند. تصور میشود که عطر و طعم پیچیدهتر عربیکا در مقایسه با روبوستا نتیجه بیشتر بودن میزان ساکارز در قهوه عربیکا باشد و به طور کلی، بیشتر بودن قند در دانههای قهوه با کیفیت فنجان بهتر ارتباط دارد.
اسیدها و فنولها
فراوانترین اسیدهای موجود در قهوه سبز، اسیدهای کلروژنیک هستند؛ گروهی از ترکیبات فنلی با فعالیت آنتیاکسیدانی قوی. رایجترین کلروژنیک اسید، ۵-کافئویل کوینیک اسید۱۵ است که به اسید کلروژنیک معروف است. اسیدهای کلروژنیک در طول برشتهکاری تجزیه میشوند و بسیاری از ترکیبات ایجادکننده ادراک تلخی قهوه را تشکیل میدهند و همچنین در تشکیل ملانوئیدین نیز شرکت میکنند.
ترکیبات فنلی فراری که از تجزیه اسیدهای کلروژنیک به وجود میآیند میتوانند در غلظتهای پایین رایحههای ادویهای، گلی یا وانیل ایجاد کنند، اما در غلظتهای بالا عامل گسی هستند و میتوانند یادآور طعمهای چوبی، دودی، چرمی یا دارویی باشند. این ترکیبات مسئول طعمیادهای رایج قهوههای تیره-برشت هستند. گونهی روبوستا، اسیدهای کلروژنیک بیشتری نسبت به عربیکا دارد و از این رو تعداد بیشتری از این ترکیبات را در هنگام برشته کردن تشکیل میدهد.
جدا از اسیدهای کلروژنیک، مهمترین اسیدهای غیرفرار موجود در قهوه سبز، اسیدهای سیتریک۱۶، مالیک۱۷ و کوئینیک۱۸ هستند. اسید کوئینیک جزء اسیدهای کلروژنیک است. با تجزیه اسید کلروژنیک، مقدار اسید کوئینیک در طول برشتهکاری افزایش مییابد که به تشکیل اسیدیته، تلخی و گسی در قهوه کمک میکند. اسید فسفریک۱۹ که در غلظت های بسیار پایین نیز شناسایی میشود، ممکن است در اسیدیته ادراکشده قهوه مهم باشد، زیرا یک اسید نسبتاً قوی است. تصور میشود که بیشتر بودن مقدار اسیدهای غیرفرار موجود در عربیکا در مقایسه با روبوستا عمدتاً ناشی از ویژگیهای آبوهوا و ارتفاع باشد و تفاوت ژنتیکی بین این دو گونه تأثیر کمتری در این مسئله داشته باشد.
منشاء همهی اسیدها به وضعیت کشت و آب و هوایی گیلاس باز نمیگردد و برخی از آنها مانند اسیدهای فرار موجود در قهوه سبز، اسیدهای فرمیک۲۰ و استیک در طی تخمیر ایجاد میشوند. اسیدهای استیک و فرمیک در هنگام برشتهکاری از تجزیه ساکارز تولید می شوند. تخمیر همچنین میتواند منجر به تشکیل اسیدهای بوتیریک۲۱ و پروپیونیک۲۲ شود که میتواند باعث ایجاد عطر و طعمهای مختلفی از جمله بارزههای پیازی در قهوه شود.
لیگنین۲۳ که در دستهی فنولها قرار میگیرد به استحکام دیوارههای سلولی کمک میکند. مقداری لیگنین در طول برشتهکاری تجزیه می شود و ترکیبات فنولی حاصل، به فعالیت آنتی اکسیدانی قهوه کمک میکند که ثابت شده است میتواند به سلامتی افرادی که قهوه مینوشند کمک کند.
ترکیبات دارای نیتروژن
آمینواسیدهای آزاد کمتر از ۱ درصد از وزن خشک قهوه سبز را تشکیل میدهند، ، اما جزو مهمترین ترکیبات در ایجاد طعم قهوه هستند. تنوع این ترکیبات به پیچیدگی واکنشهای مایار کمک میکند و منجر به رایحههای بسیار متفاوتی در فنجان نهایی میشوند. آمینواسیدهای آزاد تقریباً به طور کامل طی واکنشهای مایار در طول برشتهکاری از بین می روند و حدود ۳۰ درصد از پروتئین موجود قهوه سبز در طول برشتهکاری تجزیه می شود. برخی از مطالعات وجود پروتئین بالاتر در قهوه سبز را با کیفیت بالاتر فنجان مرتبط میدانند و این یعنی دانههای سبز بالغ در مقایسه با دانههای نابالغ، پروتئین بیشتری دارند.
کافئین
کافئین، دیگر ترکیب پروتئینی مهم قهوه، در برابر حرارت بسیار پایدار است و مقدار آن به سختی در طول برشتهکاری تغییر میکند. علاوه بر کافئین، محققان رگههایی از ترکیبات محرک عصبی مرتبط تئوبرومین۲۴ و تئوفیلین ۲۵را در قهوه سبز یافتهاند که با اثرات مثبت بر خلقوخو و هوشیاری پس از نوشیدن قهوه مرتبط است.
تریگونلین طعمی کمی تلخ دارد و تقریباً یک چهارم ادراک تلخی در قهوه را نسبت به کافئین دارد. تریگونلین در طول برشتهکاری تجزیه میشود و نیاسین۲۶ (شکلی از ویتامین B3)، پیریدینها۲۷ و سایر ترکیبات را تشکیل می دهد. میزان تجزیه تریگونلین ارتباط نزدیکی با درجه برشت دارد.
عطر نخودمانند قهوه سبز ناشی از مقادیر کمی از ترکیبات حاوی نیتروژن به نام آلکیل متوکسی پیرازین است. این ترکیبات در حرارت پایدار هستند، بنابراین در حین برشته کردن تجزیه نمیشوند، اما معمولاً توسط عطرهای دیگر در قهوه برشته پوشانده می شوند. تصور میشود که غلظت بالای آلکیل متوکسی پیرازینها۲۸ علت عیب طعمی سیب زمینی۲۹ باشد.
لیپیدها
لیپیدها و چربیهایی که در قهوه یافت میشوند، در برابر حرارت پایدار هستند و بیشتر آنها در طی برشتهکاری بدون تغییر باقی میمانند؛ با این حال برخی از لیپیدها برای تشکیل آلدهیدها۳۰ در طول برشتهکاری تجزیه میشوند و آن آلدهیدها در واکنشهای بعدی شرکت میکند. وجود لیپید بالاتر در قهوه سبز با کیفیت بهتر همراه است.
تغییرات فیزیکی دانه بعد از برشتهکاری
با اعمال حرارت به دانههای سبز قهوه، تغییرات فیزیکی و شیمیایی مختلفی در ساختار دانه اتفاق میافتد که در نتیجهی آنها دانههای برشته، وزن و چگالی کمتر، تخلخل بیشتر و رطوبت بسیار کمتری خواهند داشت.
تغییر رنگ
تغییر رنگ، واضح ترین و قابل مشاهده ترین نشانهی افزایش درجهی برشت در دانهی سبز قهوه است. در برشتهکاری، رنگ دانههای قهوه از سبز مایل به آبی-خاکستری به زرد، نارنجی، قهوهای، قهوهای تیره و در نهایت به سیاه (قهوههای بسیار تیرهبرشت) تغییر میکند و میتوان گفت تغییر رنگ و بسط طعمی در برشتهکاری با یکدیگر مرتبط هستند. باید در نظر داشت که اگرچه تغییر رنگ در مشخصات فیزیکی دانه مشاهده میشود، اما در اصل یک تغییر شیمیایی است که ناشی از ایجاد ملانوئیدین طی برشتهکاری است و یک تغییر شیمیایی با ظاهری فیزیکی است.
افزایش حجم و تغییرات ساختاری
ساختار ویژهی دانه قهوه تأثیر بسیار مهمی در تشکیل پروفایل طعمی نهایی فنجان دارد. اگر طی آزمایشی، دانهی سبز قهوه را به صورت آسیاب شده در معرض دمایی مشابه دمای برشتهکاری قرار دهیم، ترکیبات طعمی مرسوم قهوه تولید نمیشوند. ساختار دانه از ملزومات برشتهکاری است و محیط واکنش را به گونهای کنترل میکند که پیشسازهای طعمی بتوانند در ترتیب مناسب با یکدیگر واکنش دهند. دما، فعالیت آب۳۱، فشار و پدیدههای انتقال جرم ارتباط بسیار زیادی با ساختار دانه سبز دارند و بر سینتیک واکنشهای شیمیایی که باعث ایجاد طعم میشوند، حاکم هستند.
دانههای قهوه در طول برشتهکاری متورم میشوند و ریزساختار۳۲ متراکم به یک ساختار بسیار متخلخل تغییر پیدا میکند. برخلاف فرآیند برشتهکردن ذرت که با انبساط ناگهانی مشابه ترکیدن همراه است، دانههای قهوه به طور مداوم در یک فرآیند ثابت متورم میشوند. نیروی محرکه اصلی برای انبساط، افزایش فشار گاز در داخل دانه است؛ در حالی که دیوارهی سلولی ضخیم گیاه عامل مقاومت در برابر این فشار است. طبق نظریه انتقال شیشهای۳۳، پلی ساکاریدهای دیواره سلولی بسته به رطوبت و دمای واقعی ممکن است حالتی مشابه حالت «شیشهای» یا «لاستیکی» داشته باشند. به دلیل پیچیدگی ساختار دانهها، این تغییر حالت بهتدریج و بهآرامی رخ میدهد. میتوان گفت طی برشتهکاری حالت دیوارههای سلولی دانه از حالت شکننده به لاستیکی و دوباره به شکننده تغییر پیدا میکنند. افزایش حجم در حالت لاستیکی رخ میدهد که در آن مقاومت فیزیکی مواد دیواره سلولی در کمترین حالت خود است. بنابراین تورم دانهها نتیجه پویایی پیچیده بین تشکیل گاز و مقاومت دیواره سلولی است و برشتهکاری برای افزایش حجم دانهها و تخلخل ضروری است. افزایش حجم، کاهش رطوبت و واکنشهای شیمیایی در حین برشتهکاری منجر به تغییراتی عمیق در ریزساختار بافت دانه میشوند.
روند افزایش حجم دانه در نمایه برشت سریع با دمای بالا (سمت چپ) و نمایه برشت آهسته با دمای پایین (سمت راست)
ساختار دانه سبز بسیار فشرده و متراکم است و سازماندهی درونسلولی بسیار پیچیدهای دارد. دیوارهی سلولی دانههای قهوه در مقایسه با سایر مواد گیاهی، ضخیمتر است، زیرا مجهز به حلقههای تقویتکننده است که به استحکام آن میافزاید و به برش عرضی آن ظاهری استوانهای میدهد. این ساختار با اعمال حرارت و برشتهکاری از بین میرود و به تدریج منجر به تشکیل سلولهایی با ظاهر حفاری شده میشود. اگرچه چارچوب دیوارههای سلولی بدون تغییر باقی میماند، اما میزان سیتوپلاسم۳۴ کاهش پیدا میکند و به سمت دیواره رانده میشود و جای خود را به یک فضای خالی پر از گاز میدهد که مرکز را اشغال میکند. بخشی از سیتوپلاسم به صورت دناتوره۳۵ شده در امتداد دیوارههای سلولی کشیده میشوند. این لایه با پیشروی برشتهکاری نازکتر شده و بخار میشود و در ادامهی آن، حجم سلول افزایش پیدا میکند. به موازات افزایش حجم، تخلخل نیز به تدریج در طول فرآیند برشتهکاری افزایش پیدا میکند.
تصویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی از بافت دانهی قهوه، قبل (سمت چپ)و بعد (سمت راست) از برشتهکاری؛ منبع: The Craft and Science of Coffee
در دانهی سبز، سیتوپلاسم (CP) در برخی از سلولها قابل مشاهده است، در حالی که در برخی دیگر به دلیل تکهتکه شدن در طول آمادهسازی نمونه حذف میشود. دیوارههای سلولی اطراف (CW) دارای ضخامت قابلتوجهی با حلقههای تقویت کننده ساختار هستند. سلولهای بیولوژیکی تغییرات قابل توجهی در سیتوپلاسم پس از برشتهکاری را نشان میدهند. باقیماندهی سیتوپلاسم (CP) در امتداد دیوارههای سلولی (CW) کشیده می شود، یک فضای بزرگ پر از گاز مرکز هر سلول را اشغال میکند و تعدادی حفره کوچکتر (V) درون این لایههای سیتوپلاسم تعبیه شده است.
کاهش رطوبت
برشتهکاری با دانههای قهوه سبز با رطوبت حدود ۱۰ تا ۱۲ درصد آغاز میشود. در طول فرآیند، رطوبت کاهش پیدا میکند. بسته به شرایط برشتهکاری، دانههای برشته شده ممکن است با رطوبت حدود ۲/۵ درصد برشته شوند.
معمولاً دانههایی که رطوبت اولیهی بیشتری دارند، در مراحل اولیهی برشتهکاری رطوبت بیشتری از دست میدهند و رطوبت نهایی آنها با سایر دانهها مساوی میشود. این کاهش رطوبت در وزن کاهش پیدا کردهی دانهها در پایان برشتهکاری قابل مشاهده است. اگرچه کاهش رطوبت در برشتهکاری به صورت ثابت و پیوسته انجام میشود، اما سرعت کاهش رطوبت در شرایط همدمایی به نمایهی برشتهکاری بستگی دارند. علاوه بر آب موجود در دانهی سبز، مقدار قابل توجهی آب در نتیجهی واکنشهای شیمیایی برشتهکاری ایجاد میشوند. این رطوبت ایجاد شده نیز در برشتهکاری تبخیر میشود. میزان آب کل ۳۶در طول برشتهکاری، عامل بسیار مهمی در تعیین سرعت واکنشهای در طول برشتهکاری است. همچنین سرعت واکنشهای شیمیایی تشکیلدهندهی ترکیبات طعمی، به میزان در دسترس بودن آب نیز بستگی دارد و سرعت برخی از واکنشهای شیمیایی با کاهش میزان آب به کمتر از یک میزان مشخص، کاهش پیدا میکند.
روند کاهش رطوبت دانه در نمایه برشت سریع با دمای بالا (نقطهچین) و نمایه برشت آهسته با دمای پایین (خطچین)
حرکت روغن به سطح دانه
لیپیدها در سیتوپلاسم سلول گیاهی در داخل اجسام روغنی که با غشایی جداگانه محافظت میشوند، در امتداد دیواره سلولی قرار دارند. تغییرات ساختاری در بافت دانه قهوه در حین برشتهکاری، ساماندهی سلولهای بیولوژیکی را از بین میبرد، اجسام روغنی را تجزیه میکند و چربی دانه را آزاد میکند. فشار گاز داخل دانه موجب حرکت این روغن از طریق میکروکانالهایی کوچک در دیواره سلولی به سمت سطح دانه میشود. در مراحل اولیه تعداد زیادی دانه بسیار ریز روغن که با چشم دیده نمیشوند به سطح دانه میرسند. این قطرات ممکن است به یکدیگر بپیوندند و بیشتر نمایان شوند و در نهایت کل دانه را یک لایه روغن براق بپوشانند.
تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح دانه برشته قهوه از مراحل حرکت روغن به سمت سطح دانه، منبع: The Craft and Science of Coffee
تصویر A: تصویر سطحی از دانه بلافاصله پس از برشتهکاری.
جمعبندی
تغییرات فیزیکی دانه از تغییرات شیمیایی جدا نیستند و نتایج این واکنشها در کنار یکدیگر بررسی میشود. برای مثال، با وجود اینکه تغییر رنگ دانه یک تغییر فیزیکی است، منشاء آن، ایجاد ملانوئیدین طی واکنشهای شیمیایی برشتهکاری است؛ همچنین روند انجام این واکنشها در قهوههای مختلف متفاوت است و به همین خاطر است که یک برشتهکار ماهر، علاوه بر استفاده از علم و تجربهی خود، نیازمند آزمون و خطا برای رسیدن به نمایهی ایدهآل نهایی است.
در بخش دوم این مقاله که در ماههای آینده منتشر میشود، با انواع واکنشهای شیمیایی و تاثیر آنها در نمایهی طعمی فنجان آشنا میشویم و تغییرات دانه را به صورت کامل در کنار تغییرات فیزیکی بررسی میکنیم.
منابع
The Craft and Science of Coffee
Coffee Roasting Best Practices by Scott Rao
RS 3.04 The Effects of Bean Composition on Roast Chemistry – Barista Hustle
Physical and Chemical Property Changes of Coffee Beans during Roasting
(PDF) Chemical Changes in the Components of Coffee Beans during Roasting
گردآوری و تالیف: امیرحسین ایزدی
ویراستاری : محمد وحیدطاری
- Aromatic ↩︎
- Trigonelline ↩︎
- Organic Acids ↩︎
- Chlorogenic Acids ↩︎
- ۳-Feruoyl-quinic acid (3-FQA) ↩︎
- arabinogalactan ↩︎
- Mannan ↩︎
- Hemicellulose ↩︎
- Viscosity ↩︎
- Mouthfeel ↩︎
- Galactose ↩︎
- Manose ↩︎
- Arabinose ↩︎
- Maillard ↩︎
- ۵-Caffeoyl quinic acid ↩︎
- Citric acid ↩︎
- Malic acid ↩︎
- Quinic Acid ↩︎
- Phosphoric acid ↩︎
- Formic Acid ↩︎
- Butyric acid ↩︎
- Propionic acid ↩︎
- Lignine ↩︎
- Theobromine ↩︎
- Theophylline ↩︎
- Niacin ↩︎
- Pyridine ↩︎
- Alkyl methoxy pyrazine ↩︎
- Potato Defect ↩︎
- Aldehyde ↩︎
- Water Activity ↩︎
- Microstructure ↩︎
- Glass Transition Theory ↩︎
- Cytoplasm ↩︎
- Denature: تغییر ساختار پروتئینها تحت تأثیر عواملی مانند دما و پیاچ ↩︎
- Total Water ↩︎