Бодрящие молекулы

Насыщенный цитрусовый, мягкий шоколадный или легкий ореховый — кофеманы легко отличат оттенки аромата разных сортов. Но из чего складывается этот запах, если в зернах явно нет ни цветов, ни апельсинов? N + 1 вместе с компанией Torrefacto провели эксперимент в Курчатовском институте и разобралась в вопросе.

Аромат кофе, как и любой другой, мы ощущаем, когда он достигает обонятельного эпителия в верхней части носовой полости. Это основной орган обоняния человека.

Но именно запах — запах кофе — воздействует не только на обонятельные нервы. Как показывают эксперименты на лабораторных мышах, аромат обжаренных кофейных зерен сам по себе способен активировать определенные гены в мозге и изменять уровень экспрессии некоторых белков, оказывающих антистрессовый и антиоксидантный эффект. Выходит, чтобы взбодриться и улучшить настроение с помощью чашки кофе, его даже необязательно пить: достаточно вдохнуть запах.

Пока неизвестно, какие именно составляющие аромата так воздействуют на мозг. Всего в кофе обнаружено до тысячи летучих соединений, хотя далеко не все они имеют отношение к запаху. По разным данным, аромат кофейных зерен формируют от 9 до 20 химических соединений. У каждого из них — своя роль.

От чего зависит запах кофе

Чтобы соединения сложились в нужной комбинации, нужно соблюсти множество условий. На аромат готового напитка влияет буквально все, начиная от выбора сорта и заканчивая температурой кофе в чашке.

1. Генетика и климат

По зеленому кофейному зерну нельзя определить, как будет пахнуть приготовленный из него кофе. Но ароматический потенциал в нем уже заложен. Углеводы, протеины и кислоты, которые скрываются внутри зерна, служат основными прекурсорами кофейного аромата. У каждого сорта — своя комбинация этих элементов. Благодаря им, например, кофе робуста известен земляным и ореховым ароматом. А популярная во всем мире арабика — фруктовыми и сладкими нотами.

Влияет на аромат и место произрастания. Так, колумбийскую арабику любят за цитрусовые оттенки, а эфиопскую — за пряно-цветочные ноты.

2. Сбор урожая и обработка

Зрелость кофе, правильный сбор и обработка обеспечивают стабильность химических элементов, из которых потом сложится неповторимый запах. Когда кофейные ягоды собраны, нужно удалить с них мякоть. Для этого существует два основных метода — мытая обработка и сухая.

При мытой обработке используются специальные депульпаторы, которые работают как терка, стирающая мякоть с зерен. Следующий этап — ферментация: зерна погружаются в воду на несколько часов или даже дней. И только после этого они отправляются на сушку, которая занимает от одной до трех недель. При этом из 100 килограммов ягод получится всего 15-17 килограммов зеленого кофе.

Однако при мытой обработке кофейная ягода теряет некоторые вещества — прежде всего, сахара. Кроме того, мытая обработка подразумевает удаление мякоти. А как только мякоть удаляется, кофейное зерно начинает медленно прорастать, и этот процесс потребляет спрятанные внутри сахара.

При сухой, или натуральной, обработке ягоды сушат естественным способом — например, на специальных столах с сеткой, которые называют «африканскими кроватями». Кожицу и мякоть удаляют только после сушки. И хотя сахара, вопреки распространенному убеждению, не мигрируют в зерно из мякоти, это делают волатильные соединения, особенно эфиры, создаваемые микробами, когда ягода начинает ферментироваться. Эти соединения «переживают» обжарку и делают аромат жареного кофе более цветочным и фруктовым.

3. Обжарка

Важнейший этап формирования аромата. Именно в процессе обжарки углеводы, протеины и кислоты превращаются в летучие соединения, которые отвечают за запах. Как правило, занимает до 14 минут, и за это время в зернах происходит несколько разных химических реакций.

    Реакция Майяра

Аминокислоты и углеводы при нагревании вступают в реакцию Майяра, которая знакома нам по жарке мяса или выпечке. Благодаря ей на кухнях появляются умопомрачительные запахи, а продукты обретают аппетитную корочку.

Реакция начинается при температуре около 130 градусов Цельсия. Молекулы азота из аминокислот связываются с сахарами, выделяя воду. Одновременно образуются меланоидины — молекулы, которые дают кофейным зернам темный цвет, жареный или хлебный аромат. Во время этой реакции также формируются соединения карбонильной группы, которые сыграют свою роль на следующем этапе.

    Деградация Штреккера

Здесь аминокислоты вступают во взаимодействие с молекулами, которые появились в ходе реакции Майяра. В результате появляются два вида соединений — кетоны и альдегиды, причем последние частично расщепляются во время деградации Штреккера. Среди альдегидов можно выделить, например, 3-метилбутаналь, который дает фруктовые и шоколадные ноты. Кроме того, в ходе деградации Штреккера образуется пиразины, отвечающие за ореховые нотки. Кстати, именно благодаря им у картофельных чипсов есть узнаваемый аромат.

    Карамелизация

Процесс начинается после того, как из зерен испарилась лишняя влага. Карамелизация чем-то напоминает реакцию Майяра: сахара продолжают темнеть и формировать летучие соединения. Разница в том, что аминокислоты здесь уже не нужны — в карамелизации участвуют только сахара. В результате образуются фураны и фураноны, которые добавляют жареных и карамельных нот кофейному аромату.

4. Температура подачи

На летучие соединения влияет и температура подачи. Большинство любителей кофе предпочитают, чтобы напиток был около 60 градусов Цельсия. Но аромат быстро меняется по мере остывания. Чтобы прочувствовать все стадии и оттенки, Национальная кофейная ассоциация США рекомендует подавать кофе сразу после приготовления — при температуре от 82 до 85 градусов Цельсия. Пить такой горячий кофе можно лишь маленькими глотками, но зато можно насладиться тем, как аромат трансформируется вместе с понижением температуры.

    76 градусов Цельсия

Вместе с паром в воздух быстро поднимаются летучие соединения. Мы начинаем ощущать кофейный аромат, хотя восприятие вкуса немного притуплено.

    60,4-70 градусов Цельсия

Аромат кофе наиболее выражен, сильнее всего чувствуются жареные и земляные нотки.

    50-60 градусов Цельсия

Во вкусе и аромате четко ощущается горчинка

    31-50 градусов Цельсия

Кофе выделяет все меньше пара, поэтому различить ароматы становится труднее. Но при такой температуре запах наиболее гармоничный и комплексный. Хорошо ощущаются сладкие, фруктовые, цветочные и ореховые ноты.

Эксперимент: химический состав зерен трех степеней обжарки

Итак, аромат определяется одним или несколькими летучими химическими соединениями, которые люди воспринимают благодаря обонянию. Состав и количественное соотношение этих соединений определяет то, каким будет запах.

Теория говорит просто, что большинство этих соединений образуются во время обжарки. Но степень обжарки бывает разная. Значит, концентрация летучих компонентов должна меняться в зависимости от степени обжарки.

Чтобы проверить этот тезис, мы заказали исследование в Курчатовском институте. Летучие соединения в зернах сорта Иргачеффе (Эфиопия) светлой, средней и темной обжарки там изучили с помощью методов газовой хроматографии и масс-спекторометрии. Эти методы позволяют определить состав летучих молекул, которые в том числе формируют запах.

Зерна измельчили и поместили в герметичную емкость. Из емкости отобрали газовую фазу. Ее пропустили через хроматографическую колонку. Она позволяет разделить молекулы, которые входят в состав смеси, формирующей запах. Затем проба попала на масс-спектрометр, где ее бомбардировали элетронами, чтобы молекулы еще подробились и приобрели заряд. Основой для измерения служит ионизация компонентов, позволяющая физически различать компоненты на основе характеризующего их отношения массы к заряду. В результате точно определили, какие соединения входят в состав летучих соединений. И рассчитали содержание компонентов в долях от общего содержания обнаруженных летучих компонентов.

Сначала о соединениях, которые появляются при деградации Штреккера. Относящийся к кетонам и придающий аромату кофе масляные ноты 2,3-бутандион повел себя вполне ожидаемо. Его концентрация последовательно росла. Относительный показатель в зернах светлой обжарки составил 393, средней — 487, темной — 703 (то есть почти в два раза больше, чем в светлой).

Также повышалась, но с большим шагом, концентрация альдегида 2-метилбутаналя. Это изомер 3-метилбутаналя, который дает фруктовые и шоколадные ноты. У изомеров одинаковое количество атомов и молекулярный вес, но они отличаются по своему строению. Так что говорить о том, пахнут ли два вещества одинаково, некорректно. Тем более, у каждого человека индивидуальное восприятие. Тем не менее отметим, что в зернах темной обжарки этого альдегида оказалось в три раза больше (1845), чем в зернах светлой (659).

Гораздо интереснее проявил себя пиразин, отвечающий за ореховые нотки. Его (как и, видимо, ореховых ноток) больше всего оказалось в зернах средней обжарки. А в светлой и темной — одинаково мало. Так, показатель пиразина в эфиопской Иргачеффе светлой и темной обжарки составил 131, в зернах средней — 215.

Фурана, который появляется при карамелизации кофейных зерен и придает их аромату жареные оттенки, вообще не оказалось в зернах светлой обжарки. В зернах средней — 147, темной — 455.

Показатель для дигидро-2-метил-3-фуранона, который, предположительно, мог дать карамельный оттенок, вырос с 294 в зернах светлой обжарки до 467 в зернах средней. А затем еще немного, до 476, в зернах темной обжарки.

Получается, даже не приготовив кофе из эфиопского Иргачеффе, можно сказать, что напиток из светлых зерен пах бы приглушенно масляно-карамельно-орехово. Кофе из зерен средней обжарки имел бы более карамельный и ореховый и весьма масляной аромат с почти незаметной горчинкой. А темные зерна дали бы столь же карамельный, еще более масляной, приглушенно ореховый и гораздо более жареный аромат.

Свежесть кофе и аромат

Сильнее всего кофе пахнет сразу после обжарки. Но это не значит, что его надо немедленно употребить. Сначала зерна должны отдохнуть и освободиться от углекислого газа. Важно соблюсти баланс: дождаться, пока выйдет ненужный CO₂, и в то же время не допустить сильной потери аромата.

Но сколько именно нужно ждать? Конкретный срок зависит от многих факторов — сорта кофе, метода обработки, размера и плотности зерен, степени обжарки. Например, сильная обжарка кофе делает зерна более пористыми, поэтому углекислый газ из них выходит быстрее.

Исследователи из Цюрихского университета изучили поведение ароматических соединений в кофе спустя неделю, две недели, затем 29 и 44 дня после обжарки. С помощью газохроматографа они сравнили содержание элементов, отвечающих за запах, со свежеобжаренным кофе. Эксперимент показал, насколько по-разному ведут себя различные соединения.

Одним из самых изменчивых и чувствительных к свежести кофе компонентов оказался метантиол. В больших концентрациях этот газ ядовит, а в малых (в том числе в кофе) он дает ароматы вареного картофеля или гнилой капусты. Это не самые желательные нотки, и традиционно метантиол не относят к основным ароматическим соединениям, формирующим кофейный аромат.

Но газ оказался отличным маркером для определения свежести зерен. За 10 дней хранения в закрытом пакете при комнатной температуре было потеряно около 70 процентов метантиола. Почти так же быстро исчезают альдегиды, обеспечивающие жареные, фруктовые и маслянистые нотки аромата. А вот пахнущие орехом пиразины, в том числе метилпиразин, ведут себя более стабильно. Даже спустя 30-40 дней хранения этого соединения по-прежнему много.

Владельцы кофеен и потребители сами выбирают, сколько кофе должен отдохнуть перед приготовлением. Как правило, минимальный рекомендуемый срок — от одного до трех дней после обжарки. Если речь идет о кофе светлой обжарки, то минимальный срок увеличивается до пяти-десяти дней.

Правда, чаще всего обжаренный кофе приходится хранить дольше. В итоге рано или поздно он теряет и манящий аромат, и насыщенный вкус. Но если постараться, можно продлить его жизнь.

Главные враги для свежести кофе — кислород, влага и тепло.

В кислородной среде происходят реакции окисления, которые не только приводят к потере арома-компонентов, но и могут дать неприятные прогорклые ноты. Если количество кислорода в упаковке снизить с 21 процента до половины процента, то срок годности кофе вырастает до 20 раз, говорится в исследовании Specialty Coffee Association (SCA).

Тем временем влага ускоряет потерю летучих соединений и усиливает реакции окисления, которые проходят с участием кислорода.

От температуры зависит скорость химических реакций, происходящих в кофе, а это крайне важно для такого нестабильного продукта. Повышение на каждые 10 градусов Цельсия приводит к уменьшению срока годности на 50 процентов, отмечают эксперты из SCA. По их мнению, охлаждение до -40 градусов Цельсия позволяет замедлить или остановить любые химические процессы, которые приводят к потере свежести кофе.

Впрочем, для тех, кто собирается хранить кофе дома, это не самая подходящая стратегия. В бытовых условиях такая глубокая заморозка чаще всего невозможна. К тому же перед приготовлением придется ждать, пока продукт адаптируется к комнатной температуре. Если достать кофе из холодильника и сразу открыть упаковку, то конденсат неизбежно повредит и вкусу, и аромату.

Не проще ли синтезировать кофейный аромат искусственно вместо того, чтобы колдовать над капризными зернами? Похоже, что нет. Пока химикам удалось воспроизвести только некоторые ароматические соединения — например, кавеофуран. Несколько стартапов пытались выпустить напиток с кофейным вкусом и ароматом, произведенный из различных продуктов — от грибов до желудей. Но им так и не удалось убедительно заявить о себе.