咖啡主要烘焙風味物質的形成及變化規律

呂文佳,劉 云,楊剴舟,2,翟曉娜,劉 飛,張春月,冷小京,*

(1.中國農業大學,食品科學與營養工程學院,北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司,北京 100085)

咖啡主要烘焙風味物質的形成及變化規律

呂文佳1,劉 云1,楊剴舟1,2,翟曉娜1,劉 飛1,張春月1,冷小京1,*

(1.中國農業大學,食品科學與營養工程學院,北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司,北京 100085)

咖啡以其獨特的風味和功能特性受到人們的喜愛。烘焙溫度及烘焙時間決定了咖啡的烘焙程度,并對咖啡風味物質的產生及變化產生重要影響。咖啡主要烘焙風味物質是與咖啡風味直接相關且代表性強的香氣成分,本文通過綜合分析烘焙程度與咖啡主要風味物質的形成和變化規律的關系,為系統了解和掌握精品咖啡烘焙工藝提供科學參考。

咖啡,烘焙,風味物質,變化規律

隨著生活水平的提高,咖啡這一傳統的西方飲料逐漸受到國內人們的關注。咖啡生豆風味較差,不宜沖煮飲用[1],經過適當的烘焙處理,可引發咖啡生豆所含成分如綠原酸、葫蘆巴堿、多糖、脂肪和蛋白質等物質在不同程度上的美拉德、斯特克降解、焦糖化等系列化學反應[2],生成包括呋喃類、吡嗪類、吡啶類、吡咯類、醛酮類、硫化物及酚類和有機酸等揮發性呈香物質[3],形成為人所熟知和歡迎的咖啡特征風味。

傳統烘焙工藝以淺度、中度和深度等色差詞匯,通過咖啡豆在加熱過程中顏色的變化來描述烘焙程度。然而有文獻指出,咖啡豆的顏色并不能準確反映烘焙程度,因為不同的烘焙條件也可使咖啡豆達到相同的顏色[4],但由于烘焙時間和溫度的不同,咖啡豆中發生化學反應和風味物質的含量也不同,因此不能單純用顏色來判斷烘焙程度。同時,由于烘焙設備存在差異性,烘焙條件應用范圍也不統一,因此,通過測定不同烘焙條件下咖啡中風味物質含量變化來判斷烘焙程度較顏色更為準確。

咖啡的特征風味物質只有經過特定的烘焙程序才能較好地形成。控制烘焙條件對獲得良好的風味非常重要,烘焙不足或過度,都會降低甚至破壞咖啡應有的風味品質。本文通過綜合分析和總結烘焙條件與咖啡主要風味物質的形成和變化的關系,為系統了解和掌握咖啡烘焙工藝提供科學參考。

1 咖啡烘焙的階段特點

按物化性質的綜合變化,咖啡的烘焙過程可分高溫脫水、高溫反應以及常溫冷卻三個階段[5,7](圖1)。咖啡風味物質的形成主要發生在第二階段。

高溫脫水:在這個階段,由于咖啡生豆內含10%～12%的水分,使得豆體溫度不會高于100℃。當水分含量降低至6%左右,豆體溫度開始升高[8]。

圖1 咖啡烘焙過程的三個階段[5-7]Fig.1 Three stages during coffee roasting[5-7]

表1 咖啡主要風味物質的感官特點Table 1 Main flavour compounds in roasted coffee beans

續表

注:a給出的化合物名稱來自咖啡風味物質相關文獻；b相應的化合物對應的感官特點查閱于相關的文獻及香料香料辭典。高溫反應:當豆表面溫度升至170℃左右,豆內風味物質前體開始發生化學反應。多糖受熱分解形成有機酸,使咖啡產生酸味。低聚糖首先受熱分解為還原糖(葡萄糖和果糖等),之后與游離氨基酸的氨基發生美拉德反應生成吡嗪類、呋喃類、醛類和酮類化合物等風味物質[8]。α-氨基酸與二羰基化合物受熱發生斯特克降解反應,生成相應的醛類和酮類物質。蛋白質、綠原酸和葫蘆巴堿等物質也會熱分解[9]。上述過程伴隨包括CO2在內的大量氣體及揮發性呈香物質的釋放(5～12L/kg),導致豆體內壓過大,發生爆裂，咖啡豆呈現淡棕色。當溫度繼續升至190℃左右時,有機酸和部分風味物質過度受熱分解,纖維質碳化,導致第二次爆裂,油脂開始滲出表面,咖啡酸味和香氣下降,類黑精增加,咖啡豆呈現深褐色[8,10]。

常溫冷卻:咖啡在烘焙結束之后立即離開熱源終止反應,在常溫下通風冷卻,避免持續高溫過度破壞芳香物質[5]。

2 烘焙過程中咖啡風味物質的產生及變化規律

在烘焙過程中,咖啡主要風味物質含量的變化是多樣的。例如,咖啡因、大馬酮等在整個烘焙過程中的含量幾乎不發生變化,吡啶類、吡咯類等隨著烘焙程度的加深呈線性增加,綠原酸隨烘焙程度加深而減少,而吡嗪類、醛酮類、含硫化合物等的含量隨烘焙程度的加深先增加后減少,呈鐘形變化。咖啡主要風味物質見表1。

2.1 烘焙過程中含量較為穩定的風味物質

咖啡因是一種黃嘌呤生物堿化合物,呈典型的苦味[15],是咖啡中較為重要的風味物質。咖啡因熱穩定性強,在烘焙過程中含量較為穩定。蔡瑞玲等研究表明,云南阿拉比卡小粒種咖啡豆在230℃條件下,烘焙5、10、15、20和25min,其咖啡因含量平均在1.45%左右,在15min后輕微下降,但無顯著性差異[16]。Casal等(2000)對巴西阿拉比卡和象牙海岸羅布斯塔兩種咖啡豆進行不同程度的烘焙,發現在140、160、180、200、220、240℃條件下烘焙15min后,阿拉比卡咖啡豆中的咖啡因含量在13.3mg/kg左右,羅布斯塔咖啡豆中咖啡因含量在20.5mg/kg左右,在溫度高于200℃時,含量由輕微下降,但無顯著性差異[17]。造成咖啡因含量輕微下降的原因可能是較強的烘焙程度使咖啡豆內部壓力增大,同時具有多孔性,即使烘焙溫度高于咖啡因的沸點(178℃),也會阻礙咖啡因的升華,從而使咖啡因的含量只有輕微的下降[18]。

大馬酮是由β-胡蘿卜素降解形成的[19],具有果香味和花香味[20]。Mayer等對來自哥倫比亞和肯尼亞的三種不同阿拉比卡咖啡豆進行不同程度的烘焙時產生的香氣成分分析時發現,在淺、中和深度烘焙條件下產生的大馬酮的平均含量均在0.22、0.24、0.25mg/kg左右,沒有隨著烘焙程度的加深而發生顯著性變化[21]。

綠原酸是奎寧酸與肉桂酸鹽類(咖啡酸鹽,阿魏酸鹽,異阿魏酸鹽,芥子酸鹽等)合成的酯類物質[22],同時也是一種酚類化合物,占咖啡物質組成的6%～12%[23]。有研究表明,綠原酸與其降解產物奎寧酸會形成咖啡風味中的澀感[24]。綠原酸不僅是風味物質,同時也是前體物質。在烘焙過程中,綠原酸受熱分解,酯鍵斷裂,形成奎寧酸及阿魏酸、肉桂酸、咖啡酸等物質,含量不斷減少,因此咖啡的澀感也會隨著烘焙程度的增加而降低。綠原酸受熱分解形成阿魏酸,之后阿魏酸脫羧形成的4-乙烯基愈創木酚具有丁香味和香辛料的氣味,4-乙烯基愈創木酚進一步在受熱條件下發生氧化反應[25],形成具有塑料味和煙熏味的愈創木酚,能引起深度烘焙咖啡中的煙熏味,愈創木酚進一步受熱分解生成苯酚(圖2)。綠原酸中的5-FQA反應路徑如圖2所示。Moon等研究表明,埃塞俄比亞、尼加拉瓜和蘇門答臘的阿拉比卡咖啡豆在經230℃ 12min,240℃ 14min,250℃ 17min以及250℃ 21min四種條件下分別烘焙后,綠原酸的含量均隨烘焙程度的加深,由起始狀態的64.7mg/g平均值下降至0.5mg/g,其中在輕度烘焙時,綠原酸含量已下降約50%[26]。蔡瑞玲等研究表明,將云南小粒種咖啡豆在230℃下烘焙5～25min,綠原酸的含量可由3.29%降至0.48%[16]。

圖2 5-FQA生成4-乙烯基愈創木酚 和愈創木酚反應路徑[25]Fig.2 Proposed degradation pathway of 5-feruloylquinic acid[25]

2.2 烘焙過程中含量逐漸增加的風味物質

吡啶是含有一個氮原子的六元雜環化合物。咖啡烘焙過程中產生的烷基吡啶具有烘烤和焦糊味,而酰基吡啶具有餅干風味[27]。Bakes等研究表明葫蘆巴堿受熱分解是吡啶類化合物的一條產生途徑[28],Batltes等研究表明羥基氨基酸的熱分解是吡啶的又一形成途徑[29],而Flament等注意到脯氨酸與糖類物質發生的美拉德反應也可形成吡啶類物質[30]。Baggenstoss等在實驗中發現,吡啶的生成需要較高的溫度,一旦開始生成,由于咖啡中存在大量的前體物質,其含量會隨著時間的延長不斷上升,即在低溫長時(228℃持續660s)烘焙中的最大生成量會高于高溫短時(260℃持續160s)最大生成量；而在228℃下持續烘焙時,吡啶的含量也會不斷上升,在40min時可達到586mg/kg[31]。Moon 等人對埃塞俄比亞耶加雪啡、尼加拉瓜和蘇門答臘的兩支咖啡豆進行230℃ 12min,240℃ 14min,250℃ 17min以及250℃ 21min條件下的烘焙,同樣證明吡啶的含量隨著烘焙程度的上升而不斷升高,并導致咖啡焦糊味和苦味的加深[32]。

吡咯是含有一個氮原子的五元雜環化合物,呈堅果香和烘烤味。目前在咖啡的風味物質中鑒別出的吡咯類化合物主要有2-甲基吡咯、N-糠基吡咯、2-甲酰基-1-甲基吡咯和2-乙酰基-1-甲基吡咯等。吡咯類物質在咖啡烘焙過程中產生途徑有3條,其一是葫蘆巴堿的熱分解,其二是羥脯氨酸可與美拉德反應的中間產物反應生成烷基吡咯、酰基吡咯[37],另外Baltes等人通過實驗證明,羥基氨基酸的熱分解也可形成烷基吡咯。Baggenstoss等人實驗結果表明,N-甲基吡咯的生成不僅受到時間的影響,溫度也可影響其濃度,高溫短時烘焙(HTST)生成的最大濃度高于低溫長時烘焙(LTLT),即提高烘焙時間和烘焙溫度都可增加N-甲基吡咯的生成量。當在232℃條件下延長烘焙時間到35min時,N-甲基吡咯的含量會持續升高至約5.0mg/kg,隨后保持平穩[31]。Moon等人對埃塞俄比亞、尼加拉瓜和蘇門答臘的三種咖啡豆采用四種由淺到深的條件進行烘焙,實驗結果表明,1-甲基-2-乙酰基吡咯和2-乙酰基吡咯的含量會隨著烘焙程度的加深顯著提高,但加深烘焙程度時,其含量輕微下降[32]。這可能與烘焙設備以及烘焙程度定義存在差異有關。

含硫化合物是咖啡烘焙過程中較為重要的芳香物質,如2-糠基硫醇、甲基硫醇[13]、二甲基三硫、2-甲基-3-呋喃硫醇、3-甲基-2-丁烯醛-1-硫醇等[33]。其中2-糠基硫醇是咖啡較為主要的風味物質,具有烘烤味和肉湯味[14]。Luigi等通過生物模型實驗發現,戊糖(核糖、木糖等)或己糖(葡萄糖、鼠李糖等)與半胱氨酸在烘焙條件下進行美拉德反應會生成較高含量的糠基硫醇[34]。有文獻報道,咖啡中含硫風味物質的前體大多是含硫氨基酸[23],如蛋氨酸受熱分解可形成類似甘藍味的甲基硫醇,隨后可進一步生成具有同樣味道的二甲基三硫醚[35]。Baggenstoss等發現,由于咖啡中存在其大量的前體物質,糠基硫醇的濃度在烘焙過程中隨著烘焙程度的增加而不斷上升,在低溫長時烘焙(228℃ 11min)后達到6.5mg/kg。高溫短時烘焙(260℃ 160s)能產生最大含量的甲基硫醇,說明甲基硫醇在較高溫度下更容易形成[31],因此較深的烘焙會引起咖啡中強烈的令人不愉悅的焦糊氣味。

2.3 烘焙過程中含量先增加后下降的風味物質

呋喃是由四個碳原子和一個氧原子組成的五元芳環雜環有機物。含有此五元芳環的化合物通常是呋喃的同系物。呋喃類化合物在咖啡豆中的含量約為3.6～6.1mg/kg[36]。呋喃甲醇、糠醛、5-甲基糠醛、糠醛乙酸酯、糠醛甲酸、2-甲基呋喃,具有令人愉悅的焦香味,是咖啡的重要風味物質[37]。咖啡呋喃類物質的形成機制涉及蔗糖、鼠李糖[38]及阿拉伯半乳聚糖的熱分解[39]、美拉德反應、焦糖化反應、多不飽和脂肪酸的氧化[40],如亞油酸和亞麻酸,以及抗壞血酸及其衍生物的分解等,其中糖類物質的熱分解是呋喃主要的產生途徑。謝明勇等綜述了食品中呋喃形成的主要機制,如圖4所示[41]。Moon 等人對埃塞俄比亞耶加雪啡、尼加拉瓜和蘇門答臘的兩支咖啡豆進行230℃ 12min,240℃ 14min,250℃ 17min以及250℃ 21min條件下的烘焙,發現糠醛、2-乙酰基呋喃、5-甲基糠醛和呋喃甲醇在240℃ 14min條件下達到最高含量,糠醛乙酸酯在250℃ 17min條件下達到最高,之后都會隨著烘焙程度的加深而降低。但5-羥甲基糠醛的含量會隨著烘焙程度的加深而不斷下降,進一步生成5-甲基糠醛[26]。糠醛及其衍生物在受熱條件下進一步分解形成糠酸,隨后脫羧產生CO2[42]。而Altaki等對巴西咖啡豆在140、170和200℃烘焙6min后測量,注意到呋喃的含量分別為22、52、138ng/mL,并隨著烘焙程度的增強不斷上升[3]。

圖3 幾種主要的前體物形成呋喃的途徑[41]Fig.3 Proposed pathways and precursors of furan[41]

吡嗪是1,4位含兩個氮雜原子的六元雜環化合物,是一種有較強氣味的芳香類化合物[14],在咖啡香氣中已經鑒別出的吡嗪類化合物多達81種,包括2-甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪,三甲基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪等[16]。根據Baltes等的研究表明,咖啡烘焙過程中產生的烷基吡嗪,主要是由含羥基的氨基酸,如絲氨酸和蘇氨酸受熱分解而形成的[29]。同時,吡嗪和烷基吡嗪也是美拉德反應的產物[27]。Amrani等人通過不同的生物模型表明戊糖和己糖(例如果糖、葡萄糖和阿拉伯糖)是生成烷基吡嗪的重要前體。蔗糖的分解產物(如二羰基化合物)與α-氨基酸發生斯特克降解反應,生成二氫吡嗪,隨后被氧化成為相應的烷基吡嗪。其中,丙氨酸和甘氨酸的斯特克降解產物乙醛和甲醛,在形成烷基吡嗪分子的側鏈時發揮了重要的作用[43-44]。Hashim等人對阿拉比卡咖啡豆在187、199、205、207及213℃烘焙10min后,顯示吡嗪及幾種烷基吡嗪的含量在205℃時達到最大,之后隨溫度上升而下降。感官評價結果顯示在199℃下的中度烘焙咖啡最受評價者喜歡,而213℃下過度烘焙的咖啡則評價很低。對羅布斯塔咖啡豆在185℃下分別烘焙9min 30s、10min 25s、11min、11min 45s及13min后,顯示吡嗪及烷基吡嗪在10min 25s下含量最高,之后隨著烘焙時間的延長而降低,感官評價結果顯示烘焙11min的咖啡受喜愛程度顯著高于其他的烘焙條件,而在烘焙13min后,因咖啡已被過度烘焙,最不受喜歡[45]。Schenker等人的研究結果顯示,對阿拉比卡咖啡豆進行高溫短時(260℃ 160s)和低溫長時(228℃ 660s)烘焙時,2-乙基-3,5-二甲基吡嗪和丙基吡嗪的最大含量無顯著差別,但隨著烘焙時間的延長,二者的含量都是先上升后下降。2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪和2-乙基-3-甲基吡嗪的含量在中度烘焙之前已達到最大隨后降低,說明生成吡嗪所需要的反應活化能較低[14]。吡嗪類化合物之所以含量減少有可能是因為受熱使六元環結構斷裂,生成含氮的烯烴類二碳和三碳化合物,進一步揮發[46]。

在咖啡烘焙過程中,α-氨基酸與α-二羰基化合物反應失去一分子CO2而成為少一個碳原子的醛類及氨基酮,這一過程叫做斯特克降解反應[47]。該反應所生成的酮類和醛類物質如2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、甲硫基丙醛、乙酰基丙酮等是產生香氣的重要因素[48]。不僅斯特克降解反應可以生成醛類和酮類的風味物質,美拉德反應也可形成。Yaylayan等的模型實驗提出2,3-丁二酮可以由葡萄糖和甘氨酸或脯氨酸發生美拉德反應形成,2,3-戊二酮可由葡萄糖和丙氨酸發生的美拉德反應形成,這兩者都具有黃油的風味[49],而咖啡中具有青草香的己醛則是通過脂質氧化反應形成的。Baggenstoss等通過實驗表明,斯特克醛類和酮類物質的含量在烘焙的起始階段快速上升,隨后隨著溫度的繼續升高而下降,并且兩類物質在高溫短時烘焙條件(260℃ 160s)下生成的最大量明顯高于低溫長時間的烘焙(228℃ 660s)。例如甲基丁醛、乙醛、2,3-丁二酮、2,3-戊二酮等,在此階段其含量可上升50%～200%,而己醛的含量在烘焙起始的2min內會快速上升至最大值,約為4mg/kg,隨后降低[31]。由于醛類和酮類物質具有羰基結構,性質較為活潑,容易在高溫條件下與其他物質發生反應,因此繼續受熱會使得醛類和酮類物質含量下降。所以在中度烘焙的條件下,咖啡具有更多的果香味、花香和奶油味,隨著烘焙程度的加深,這類的香氣逐漸減少。

咖啡烘焙過程中還會產生有機酸,如甲酸[50]、乙酸、檸檬酸和蘋果酸等,使咖啡風味中帶有辛辣感和酸味[51]。咖啡中的有機酸是由多糖受熱分解而來[52],Ginz等對咖啡豆在不同溫度下烘焙3min后發現,當烘焙溫度從140上升到240℃時,甲酸和乙酸的含量分別由0、0.4g/kg上升到最大值2、2.4g/kg,但當溫度繼續升高到280℃,兩者的含量都下降到0.5g/kg[53]。Moon對埃塞俄比亞、尼加拉瓜和蘇門答臘的三種咖啡豆進行不同程度的烘焙,之后測定各揮發性組分含量,發現乙酸的含量在中度烘焙(240℃ 14min)時達到最大,當烘焙程度增大時,含量逐漸減少[32]。甲酸和乙酸在高溫條件下易揮發,而檸檬酸會受熱分解為檸康酸、戊二酸和琥珀酸等,蘋果酸受熱分解成富馬酸和馬來酸[54],所以中度烘焙的咖啡豆酸味明顯,而深度烘焙的咖啡酸味會降低。

3 總結與展望

在烘焙過程中,咖啡的前體物質受熱會發生系列復雜的化學反應而形成大量復雜的風味物質,目前可檢測出的約1000余種揮發性物質[26],與咖啡風味直接相關且代表性強的香氣成分約30余種。此外還存在不少規律性不強的風味物質,如二甲基二硫醚、二甲基三硫化物等。對于咖啡風味物質的研究,在單一品種、單一組分的變化規律有不少較集中的數據,但對于不同風味物質在形成過程中的相互作用規律、特定風味物質的變化與咖啡整體風味相關性等方面的研究還比較少。另外,國際上對于精品咖啡烘焙程度并沒有統一的量化標準,常以烘焙后咖啡豆的顏色作為經驗衡量指標,因此構建一種“咖啡主要成分含量-烘焙時間、烘焙溫度-風味物質含量和種類”的模型,對于精準控制烘焙條件,優化適合不同產地不同品種的咖啡豆烘焙工藝,以獲得最佳的咖啡風味很有幫助。

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《食品工業科技》擴增審稿專家的通知

首先感謝廣大讀者和作者對《食品工業科技》雜志的支持與幫助。

近年來《食品工業科技》雜志投稿量大幅增加，并且由于食品科學稿件覆蓋面廣，交叉學科多，現有審稿專家很難滿足讀者希望稿件及時審回的要求。為了進一步縮短審稿時間，及時發布稿件評審情況，本刊擬增加審稿專家，希望得到相關領域專業人士的支持。

審稿專家需同時符合以下基本條件：

1、 食品、生物、營養、化學、分析檢測及相關專業。

2、 具有較高的專業英文水平。

3、 高級職稱。

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《食品工業科技》雜志社

Formation and characteristics of themain roasted coffee flavour compounds

LV Wen-jia1,LIU Yun1,YANG Kai-zhou1,2,ZHAI Xiao-na1,LIU Fei1,ZHANG Chun-yue1,LENG Xiao-jing1,*

(1.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China；2.Beijing Chocolat Coffee Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Coffee is a popular beverage for its unique flavour and functional properties. Roasting degree,influenced by roasting temperature and roasting time,has significant effect on the formation and variation of the coffee flavor compounds. Main roasted coffee flavour compounds is directly related to coffee flavour,and has a great representativeness of coffee flavour. Through analysis of the relationships between the roasting degree and the roasted coffee flavour compounds,this review provided a scientific reference to utilize speciality coffee roasting process.

coffee;roasting;flavour compounds;variation

2014-06-10

呂文佳(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：農產品加工與貯藏工程。

*通訊作者:冷小京(1966-)，男，博士，副教授，研究方向：可食用膜、食品微膠囊及納米膠囊、功能性乳品。

國家自然科學基金項目(31171771)。

TS273

A

1002-0306(2015)03-0394-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.077