در طول برشته‌کاری قهوه چه تغییرات فیزیکی و شیمیایی اتفاق می‌افتد؟ (بخش دوم)
آنچه در این مقاله خواهید خواند:
واکنش‌های شیمیایی فرآیند برشته‌کاری
این مقاله بخش دوم از مقاله تغییرات فیزیکی و شیمیایی در طول برشته‌کاری است که پیشنهاد می‌کنیم بخش اول این مقاله را هم مطالعه کنید تا به دید بهتر و جامع‌تری از فرایند برشته‌کاری و تغییرات دانه در طول آن برسید. در این مقاله قرار است به بررسی واکنش‌های تجزیه استرکر و مایار بپردازیم.
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 معطر1.
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؟
مانند سایر مقاله‌های ژاو می‌توانید با مراجعه به قسمت منابع، اطلاعات خود را در این زمینه گسترش دهید و مطالعه‌ی بیشتری داشته باشید.
واکنش‌های شیمیایی فرآیند برشته‌کاری
افزایش دمای دانه در حین برشته‌کاری باعث ایجاد واکنش‌های شیمیایی پیچیده‌ای می‌شود که در نتیجه آن ترکیبات تشکیل‌دهنده‌ی دانه تا حد زیادی تغییر می‌کنند. از مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی برشته‌کاری که بر کربوهیدارات‌ها موثر هستند می‌توان به واکنش مایار، تجزیه‌ی استرکر2 و پیرولیز3 اشاره کرد. برشته‌کاری همچنین منجر به دناتوره شدن و تخریب پروتئین‌های ساختار دانه می‌شود و بسیاری از اسیدهای موجود در دانه نیز طی آن تجزیه می‌شوند.
در مراحل ابتدایی برشته‌کاری، انرژی ورودی قابل توجهی برای تبخیر آب و القای واکنش‌های شیمیایی (فاز گرماگیر) مورد نیاز است. در یک نقطه در طول برشته‌کاری، تعادل انرژی واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌شود و وارد فاز گرماده برشته‌کاری می‌شویم و در مراحل پایانی، دانه‌ها شروع به تولید گرما به‌خودی‌خود می‌کنند. ازاین‌رو در مراحل نهایی با افزایش سرعت پیشرفت فرایند به طور تدریجی به شرایط ایجاد احتراق نزدیک می‌شویم. به همین دلیل، مراحل نهایی برشته‌کاری بسیار حیاتی هستند و تنها با گذشت چند ثانیه یک محصول با برشت مناسب، بیش از حد برشته شده و بارزه‌های منفی در فنجان مشاهده می‌شوند. برای داشتن محصولی با کیفیت مستمر نیاز است تا برشته‌کاری در تمامی مراحل تحت کنترل باشند، در زمان و دمای مورد نظر پایان یابد و بلافاصله با یک مرحله‌ی خنک‌سازی برای دانه‌ها همراه باشد، در غیر این صورت علاوه بر داشتن محصولی با کیفیت پایین، ممکن است دانه‌ها آتش گرفته و شرایط ناایمنی را در محل برشته‌کاری ایجاد کنند.
در نتیجه‌ی واکنش تجزیه استرکر و مایار، برشته‌کاری با تولید مقدار قابل توجهی گاز همراه است که در ابتدای فرآیند برشته‌کاری میزان آن کم‌تر است و با نزدیک شدن به فاز گرماده و پایانی مقدار آن افزایش پیدا می‌کند. البته میزان آن تا حد زیادی به شرایط و نمایه‌ی برشته‌کاری نیز وابسته است.
بخش اعظم این گاز کربن‌دی‌اکسید4 است و دیگر اجزای مهم آن شامل کربن مونوکسید5 و نیتروژن می‌شود. قسمتی از این گاز طی برشته‌کاری در اتمسفر آزاد می‌شود و قسمت دیگری از آن در داخل دانه می‌ماند و در طول ذخیره‌سازی دانه در فرایندی آهسته آزاد می‌شود و بخش کوچک‌تری از آن طی آسیاب و دم‌آوری آزاد می‌شود. به همین دلیل خطوط تولید قهوه اغلب شامل فضاهای ذخیره‌سازی برای گاززدایی6 دانه‌ها هستند و روی بسته‌بندی‌های قهوه سوپاپ یک‌طرفه برای عبور کربن‌دی‌اکسید وجود دارد.
دیواره سلولی ضخیم دانه مقاومت زیادی در برابر فشار گازهای ایجاد شده دارد و میزان این فشار حتی می‌تواند از ۱۰ بار نیز بیشتر باشد. با این حال در مراحل نهایی برشته‌کاری، این گازها همراه با بخار آب آزاد می‌شوند که باعث انبساط بیش از حد دانه و ترک خوردن برخی از دانه‌ها می‌شود که به این اتفاق و صدای آن به اصطلاح ترق اول7 گفته می‌شود و نقطه‌ی مهمی از فرایند برشته‌کاری است.
واکنش‌های مایار
واکنش مایار در واقع مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که نقش مهمی در ایجاد طعم‌های متمایز و رنگ قهوه‌ای در دانه دارد و علاوه بر قهوه، در بسیاری از غذاهای دیگر مانند شکلات، نان تست و گوشت برشته نیز رخ می‌دهد. نام این واکنش به افتخار لوییس کامیل میلارد8، پزشک فرانسوی که اولین بار در سال ۱۹۱۰ آن‌ها را توصیف کرد انتخاب شده است.
واکنش‌های مایار بین یک قند احیاکننده و یک اسید آمینه رخ می‌دهند. قند احیاکننده هر قندی است که دارای گروه آلدهید یا کتون9 آزاد باشد. این گروه‌ها حاوی یک اتم اکسیژن هستند که با پیوند دوگانه به یک زنجیره‌ی کربنی متصل هستند و می‌توانند به راحتی با اسیدهای آمینه و بسیاری از ترکیبات دیگر واکنش دهند.
آمینواسیدها ساختارهای تشکیل‌دهنده پروتئین‌ها هستند. ساختار اسیدهای آمینه می‌تواند بسیار متنوع و گسترده باشد، اما همگی آن‌ها در یک سمت دارای یک گروه آمین10 و در سمتی دیگر دارای یک گروه کربوکسیل هستند. قسمت R در نمودارهای زیر می‌تواند از حدود ۵۰۰ زنجیره جانبی مختلف (از یک اتم هیدروژن تا یک زنجیره از اتم‌های کربن) باشد که به پیچیدگی این واکنش‌ها کمک می‌کند.
هنگام انجام واکنش، میان نیتروژن آمینو اسید و زنجیره‌ی کربن پیوند صورت می‌گیرد و یک مولکول آب آزاد می‌شود که منشاء آب ایجاد شده هنگام برشته‌کاری است.
واکنش شیمیایی میان قندها و آمینو اسیدها که طی آن یک مولکول آب آزاد می‌شود.
مولکولی که طی این واکنش تشکیل می‌شود گلیکوزیل آمین11 ناپایدار است. ازاین‌رو ابتدا ساختار آن طی فرآیندی به نام بازسازی آمادوری12 تغییر می‌کند و در ادامه در یکی از سه مسیر وارد واکنش جدیدی می‌شود: از دست دادن مولکول‌های آب بیشتر و تبدیل شدن به مولکول کاراملی، تجزیه با ساختارهای زنجیری کوتاه‌تر یا واکنش مجدد با آمینو اسیدهای دیگر.
هر سه محصول این واکنش‌ها می‌توانند دوباره با اسیدهای آمینه واکنش دهند و مولکول‌هایی به نام ملانوئیدین را تشکیل دهند. ترکیبات قهوه‌ای تیره که رنگ زیادی را در قهوه ایجاد می‌کنند و می‌توانند طعم‌های برشتگی، مالت، نان، تلخی و سوختگی داشته باشند. ملانوئیدین‌ها همچنین نقش مهمی در تشکیل کرما13 در نوشیدنی اسپرسو دارند.
سرعت واکنش‌های مایار در برشته‌کاری با گذر از دمای حدودی ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا می‌کند و با رد کردن دمای ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد فرآیند کاراملی شدن آغاز می‌شود و طی آن قندهای باقی‌مانده مصرف می‌شوند. به دلیل بالا بودن دمای مورد نیاز و از آنجایی که واکنش اولیه با تولید مولکول‌های آب همراه است، ، تا زمانی که رطوبت دانه زیاد باشد واکنش مایار به کندی پیش می‌رود؛ به همین دلیل است که تا به پایان رسیدن مرحله‌ی خشک‌سازی14 تغییر رنگی در دانه مشاهده نمی‌شود.
واکنش‌های مایار می‌توانند مسیرهای کاملاً متفاوتی دنبال کنند که هر کدام با طیف وسیعی از اسیدهای آمینه و قندهای مختلف همراهند و در نتیجه تنوع ترکیبات طعمی‌ای که بر اثر مایار ایجاد می‌شوند، متفاوت هستند. آشناترینِ این ترکیبات طعمی یادآور طعم برشتگی، نان یا تلخی ملانوئیدین و طعم پپتیدها (مثلاً گوشت کبابی) است. این واکنش‌ها همچنین می‌توانند طیف وسیعی از مولکول‌های کوچک‌تر را نیز تولید کنند که شامل رایحه‌های گلی، میوه‌ای و کاراملی و همچنین برخی بارزه‌های منفی مانند طعم‌یادهای پیازی یا خاکی است.
طیف طعم‌هایی که طی مایار تولید می‌شوند، تأثیر بسیار مهمی در پیچیدگی رایحه‌ها در قهوه برشته‌شده دارند و به همین دلیل است که محتوای قندی دانه سبز از اهمیت بالایی برخوردار است؛ حتی اگر مقدار آن در محصول نهایی بسیار کم باشد. دانه‌های نارس کواکر 15اهمیت میزان قند را ثبات می‌کنند. به علت پایین‌بودن میزان قند در این دانه‌ها، رنگ‌شان بعد از برشته‌کاری بسیار است و فاقد طعم مشخصی هستند و صرفاً طعمی مشابه بادام‌زمینی دارند. علاوه بر این، ملانوئیدین‌ها به تثبیت کرما و تن‌واری در قهوه نیز کمک می‌کنند و خاصیتی آنتی‌اکسیدان و ضدالتهاب به قهوه اضافه می‌کنند.
واکنش تجزیه استرکر
این دسته از واکنش‌ها نسبت به واکنش‌های مایار به میزان کم‌تری شناخته شده هستند، ولی به همان میزان در تعیین ویژگی‌های نهایی فنجان موثرند. واکنش‌های تجزیه استرکر اغلب به عنوان زیرمجموعه واکنش مایار در نظر گرفته می‌شوند و تأثیر زیادی در تشکیل رایحه قهوه تازه دارد و همچنین دلیل اصلی ترق دوم در برشته‌کاری است. طرق دوم16 مرحله‌ای است که اغلب رسیدن به آن پیشنهاد نمی‌شود، چون میزان ترکیبات استرکر می‌توانند نحوه عصاره‌گیری و ذخیره‌سازی دانه را تحت‌تأثیر قرار دهد. می‌توان گفت تقریباً تمام کربن‌دی‌اکسید محبوس در دانه‌های قهوه طی واکنش تجزیه استرکر تشکیل می‌شود.
تجزیه‌ی استرکر اولین بار توسط شیمیدان آلمانی، آدولف استرکر17 در سال ۱۸۶۲ شناسایی شد. در این واکنش، آمینواسیدها به ترکیبات معطر فراری به نام آلدهید تبدیل می‌شوند. آلدهیدها معمولاً رایحه‌های متمایزی دارند و بسیاری از آن‌ها حتی در غلظت‌های بسیار کم نیز قابل‌درک هستند و بخش مهمی از رایحه و عطر پیچیده قهوه تازه را تشکیل می‌دهند.
تجزیه استرکر یک واکنش دو مرحله‌ای است: اسید آمینه با کمک یک ترکیب دیگر (اکسیدان) اکسید می‌شود و در ادامه مولکول حاصل به یک آلدهید تجزیه می‌شود؛ در این فرآیند، آمونیاک و کربن‌دی‌اکسید تولید می‌شود.
اکسیدان معمولاً یک ترکیب دی کربونیل یک مولکول با دو اتم اکسیژن است که توسط پیوندهای دوگانه به اتم‌های کربن همسایه متصل شده‌اند. واکنش‌های مایار منبع اصلی تولید این نوع مولکول هستند، به همین دلیل است که تخریب استرکر ارتباط نزدیکی با واکنش‌های مایار دارد.
زنجیره جانبی اسید آمینه، پایه آلدهید را تشکیل می‌دهد.
یک مولکول دی کربونیل دارای دو گروه کربونیل در کنار یکدیگر است. گروه کربونیل از اکسیژنی که با یک پیوند دوگانه به زنجیره کربنی متصل شده تشکیل شده است.
آلدهید حاصل می‌تواند بسیاری از ترکیبات دیگر از جمله ملانوئیدین و برخی از مهم‌ترین ترکیبات معطر قهوه را تشکیل دهد. آلدهیدها به طور کلی بسیار معطر هستند و به طور گسترده در ساخت عطرها یا طعم‌دهنده‌ها برای رایحه‌های گلی یا میوه‌ای استفاده می‌شوند و می‌توانند طیف کاملی از رایحه‌های قهوه از رایحه‌های گلی، علفی و میوه‌ای گرفته تا آجیلی، مالت، برشتگی و خاکی را پوشش دهند.
نمونه‌هایی از آلدهیدهای استرکر که در قهوه یافت می‌شوند عبارتند از فنیل استالدئید 18که عطری شبیه گل یا عسل دارد و متیل بوتانال19 که به طور کلی یادآور مالت یا شکلات است. نکته مهم درباره این دو ماده این است که معمولاً آستانه ادراک پایینی دارند؛ به این معنی که مقدار کمی از آلدئید نیاز است تا حواس انسان بتواند آن را به عنوان بخش مهمی از رایحه قهوه دریافت کند.
تجزیه استرکر همچنین نقش حیاتی در ساخت پیش‌نیازهای واکنش مایار ایفا می‌کند. برای مثال مواد مورد نیاز برای تشکیل پیرازین‌ها در استرکر ایجاد می‌شوند که به قهوه تازه-برشت طعم‌یادهای خاکی، آجیلی و برشتگی می‌دهند و واکنش‌های تجزیه استرکر هدایت‌کننده‌های واکنش مایار هستند.
هر آمینو اسیدی که با تجزیه استرکر تجزیه می‌شود، یک مولکول منفرد کربن‌دی‌اکسید نیز آزاد می‌کند. تقریبا ۸۰ درصد یا بیشتر کربن‌دی‌اکسید فرآیند برشته‌کاری با این واکنش تشکیل می‌شود و با احتباس این گاز در دانه، فشار داخل دانه افزایش پیدا می‌کند.
ترق اول ناشی از تبخیر آب در ساختار دانه است که موجب افزایش فشار داخلی دانه می‌شود و در نهایت ساختار دانه می‌شکند. در ترق دوم، افزایش میزان کربن‌دی‌اکسید موجب افزایش فشار داخلی دانه و شکستن ساختار آن می‌شود. از آنجایی که تجزیه استرکر عامل اصلی در تولید این میزان کربن دی‌اکسید است، می‌توان گفت ترق دوم به صورت کلی در اثر واکنش تجزیه استرکر ایجاد می‌شود.
آزمایش‌هایی که مواد شیمیایی تشکیل‌شده در حین برشته کردن را ردیابی می‌کنند، عمدتاً نشان داده‌اند که غلظت آلدهیدهای استرکر در مراحل ابتدایی افزایش می‌یابد و در دقیقه ۲ به اوج خود می‌رسند. پس از این مرحله این مقدار ثابت می‌شود و با نزدیک شدن به پایان برشته‌کاری، سرعت تخریب آن‌ها با سرعت تشکیل‌شان برابر و به تدریج بیشتر می‌شود که موجب از بین رفتن این آلدهیدها می‌شود. از آنجایی که در دماهای بالا سرعت تخریب این ترکیبات افزایش پیدا می‌کند، میزان این ترکیبات معطر آلدهیدی در قهوه‌های روشن-برشت و میان-برشت، نسبت به قهوه‌های تیره-برشت بیشتر است. به عنوان یک نتیجه کلی، تحقیقات ثابت کرده‌اند که به ازای یک درجه برشت یکسان، نمایه‌های برشته‌کاری سریع‌تر با دمای بالاتر با میزان آلدهید بیشتری در دانه‌های نهایی همراه بوده‌اند.
آزمایش دیگری با یک نمایه بسیار سریع ثابت کرده که برخی از ترکیبات آلدهیدی در نمایه‌های بیش از حد سریع ظاهر می‌شوند که به طور معمول در نمایه‌های استاندارد یافت نمی‌شوند. این می‌تواند به این معنی باشد که برخی از رایحه‌های سبز و علفی قهوه طی برشته‌کاری ایجاد می‌شوند و صرفاً نمی‌توان گفت که بازمانده‌ای از ترکیبات یادآور سبزی در خود قهوه هستند. علاوه بر برشته‌کاری، محتویات دانه سبز و حتی روش دم‌آوری نیز می‌تواند بر ترکیبات آلدهیدی موجود در فنجان نهایی موثر باشند.
در حالی که تصور می‌شود واکنش مایار و تجزیه استرکر در دماهای بالا اتفاق می‌افتد، هر دو واکنش در دمای اتاق نیز با سرعتی بسیار آهسته اتفاق می‌افتند. اتفاق می‌افتند. تجزیه استرکر در قهوه سبز در طول ذخیره‌سازی نیز صورت می‌گیرد.
از آنجایی که تجزیه استرکر به یک اکسیدان برای شروع اولین مرحله واکنش متکی است، آنتی‌اکسیدان‌های موجود در قهوه مانند اسید کلروژنیک می‌توانند سرعت تخریب استرکر را کاهش دهند و به حفظ تازگی دانه کمک کنند.
شیمی برشته‌کاری بسیار پیچیده است و هنوز درک دقیقی از نحوه کنترل واکنش‌های شیمیایی خاصی که در طول آن اتفاق می‌افتد، وجود ندارد. با این حال، تجزیه استرکر دارای مشخصه‌هایی است که با تغییر در دما و زمان برشته‌کاری می‌توانیم میزان آن را تغییر دهیم. تجزیه استرکر اغلب با واکنش‌های مایار اتفاق می‌افتد، اما تحقیقات اخیر نشان می‌دهند که آنچه در شروع برشته‌کاری اتفاق می‌افتد می‌تواند بر نحوه توسعه ترکیبات استرکر موثر باشد که این نیز به نوبه خود بر ترکیبات طعم‌دهنده مایار اثرگذار است. به نظر می‌رسد این واکنش به‌جای اینکه صرفاً دنباله‌روی مایار باشد، هدایت مایار را بر عهده دارد.
پیرولیز
پیرولیز، تجزیه مواد در دماهای بالا در یک محیط بی‌اثر یا از نظر شیمیایی غیرفعال است. کاراملی‌شدن قندها مهم‌ترین تغییر پیرولیتیکی است که در هنگام برشته‌کردن قهوه رخ می‌دهد، اما در هنگام برشته‌کاری بعد از ترق اول و در ترق دوم، تجزیه در اثر حرارت نیز می‌تواند رخ دهد. این نوع پیرولیز منجر به رنگ تیره‌تر قهوه، غلظت‌های بالاتر ملانوئیدین و قهوه‌ای می‌شود که طعم «برشته» یا در موارد شدیدتر «زغال‌شده» دارد.
جمع‌بندی
رسیدن به نمایه برشت ایده‌آل مستلزم تجربه، آگاهی کامل از فرآیندهای برشته‌کاری و آزمون و خطا است. همانطور که پیش‌تر اشاره شد دانش عمومی ما از فرآیندهای برشته‌کاری بسیار محدود است، اما آگاهی از ویژگی‌های دانه و منشاء بارزه‌های فنجان نهایی به برشته‌کار کمک می‌کند که با صرف زمان کم‌تری به دانه برشته ایده‌آل برسد، ولی اهمیت تجربه و آزمون و خطا را نیز نمی‌توان نادیده گرفت. همچنین، برشته‌کار نیاز دارد تا فنجان نهایی هر سری برشت را به دقت بررسی کند تا بتواند ایرادات آن را بهبود ببخشد. پس می‌توان نتیجه گرفت که یک برشته‌کار علاوه بر علم برشته‌کاری، دانه سبز قهوه و عصاره‌گیری نیاز دارد تا به اصول ارزیابی حسی نیز مسلط باشد.
جمع‌بندی واکنش‌های شیمیایی دانه طی برشته‌کاری
منابع
Coffee Roasting Best Practices by Scott Rao
The Craft and Science of Coffee
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