Химический состав кофе

Кофе - это семена плодов вечнозеленого кофейного дерева, произрастающего в тропиках. В сыром кофейном зерне содержится 32-36 % экстрактивных веществ от общего количества сухих веществ, которые стабильно сохраняются в течение 7 лет и более.

В состав экстрактивных веществ сырого кофе входят алкалоиды, белки, фенольные соединения, моно- и дисахариды, липиды, органические кислоты, аминокислоты, минеральные элементы и некоторые другие вещества, содержащиеся в небольших количествах.

При употреблении кофе наибольшее влияние на организм человека оказывает алкалоид кофеина (C₈H₁₀N₄O₂) или 1,3,7-триметилксантин, являющийся производным пуриновых оснований. Благодаря содержанию кофеина кофе оказывает благоприятное физиологическое действие на организм, повышает общий тонус и работоспособность человека. Кофеин находится в кофе как в свободном состоянии, так и в соединении с калием и хлоргеновой кислотой в виде кофеин-хлоргенового калия; причем связанная форма кофеина преобладает. Как правило, более высокие сорта кофе отличаются пониженным содержанием кофеина, а низкосортные имеют до 3,2 % кофеина, например африканский вид «Робуста». В процессе хранения кофе содержание кофеина в зернах не изменяется. Из алкалоидов, помимо кофеина в зернах сырого кофе находится 0,24-1,2 % тригонеллина (C₇H₇NО₂ метилбетаинникотиновая кислота), не обладающего физиологической активностью. При обжаривании он распадается с образованием пиридина, участвующего в формировании вкусовых свойств готового кофе. Помимо этого, в кофе присутствуют теобромин - 1,85 мг % и тофилин - 0,62 мг %.

Наличие белковых веществ специфично для ботанических видов и отдельных сортов кофе. Их содержание может колебаться от 9 до 19,2 %.

В составе азотистых веществ в кофе обнаружено 20 свободных аминокислот, количество которых при хранении кофе практически не меняется. Установлено, что кофе высшего сорта отличается более высоким содержанием аминокислот (до 923 мг %) по сравнению с кофе первого и второго сортов (до 480 мг %).

Содержание жира в кофейных зернах подвержено существенным межвидовым и внутривидовым колебаниям (9,4-18 %). Самое низкое содержание жира у индийских сортов кофе. Отличительной особенностью кофейного масла является высокое содержание детерпеновых эфиров. В кофейном масле на долю жирных ненасыщенных кислот приходится более половины - 51-57 % от содержания жира, в их числе преобладает линолевая кислота 37-45 %. Количественный состав жирных кислот в кофейном масле из зерен кофе разных видов и разновидностей идентичен. При хранении кофе незначительно возрастают кислотное число и перекисное число жира, что свидетельствует о замедленном протекании гидролитических и окислительных процессов в кофейных зернах.

На вкусовые свойства кофе существенное влияние оказывают углеводы (сахароза 4-12 %, моносахариды 0,2-0,65 %, клетчатка 32,5-33,5 %, пентозаны 5-7 %). Они являются предшественниками вкусовых и ароматических веществ обжаренного кофе. Содержание сахаров в процессе хранения кофе снижается незначительно, наибольшее их количество содержится в кофе «Арабика».

Клетчатка, составляющая 1/3 сухого вещества кофейных зерен, является одним из наиболее стабильных компонентов. Отдельные виды и сорта кофе практически не отличаются между собой по содержанию клетчатки.

Содержание в кофе дубильных веществ обусловливает горечь кофейного напитка. Эти соединения представлены танином, катехином и хлоргеновыми кислотами, которые составляют основную часть фенольных соединений кофе. Хлоргеновые кислоты включают в себя около 10 соединений, содержащихся в кофе. Зерна сырого кофе содержат до 10 % хлоргеновых кислот. В кофе «Робуста» фенольных соединений больше, чем в кофе «Арабика».

В сырых кофейных зернах 3-5 % минеральных веществ. Содержание отдельных минеральных элементов меняется в зависимости от сорта кофе, места произрастания, способа обработки, вида вносимых в почву минеральных удобрений, а также от применения средств защиты растений. На долю калия приходится 30-50 %, магния - 4-6, кальция - 3-18 %, также в зернах кофе имеется натрий, марганец, железо, рубидий, цинк, медь, стронций и другие элементы.

В кофе обнаружены витамины: тиамин (В₁, рибофлавин (В₂), пантотеновая кислота, никотиновая кислота (РР), пиридоксин (В₆), цианкобаламин (В₁₂), токоферол (Е).

Сырой кофе, поступающий на промышленную переработку, биологически активный продукт, в котором локализованы ферментные системы почти всех классов: оксидоредуктазы, гидролазы, трансферазы и изомеразы, играющие важную роль в биохимических процессах кофейного зерна.

В процессе обжаривания общее количество содержащихся в кофе растворимых веществ заметно снижается в основном за счет сахаров, карамелизующихся при высокой температуре и вступающих в соединение с аминокислотами при образовании меланоидинов, которые совместно с карамелью обусловливают коричневую окраску жареного кофе. Снижается содержание нерастворимых полисахаридов - клетчатки и пентозанов. Пентозаны расходуются на образование фурфурола и фурфуролового спирта, которые участвуют наряду с другими летучими соединениями в создании аромата готового кофе. Образование декстринов происходит в результате гидролиза полисахаридов. Суммарное количество азотистых веществ изменяется незначительно, но при этом некоторая часть белка разлагается до аммиака, аминов пиррола, а аминокислоты используются в реакции меланоидинообразования. Жиры частично расходуются на образование свободных жирных кислот и акролеина.

При высокой температуре обжаривания происходит незначительная сублимация кофеина, однако его содержание в обжаренных зернах может быть несколько выше, чем в сырых, из-за снижения влажности и увеличения доли сухих веществ.

Хлоргеновая кислота как свободная, так и входящая в состав фенольно-дубильной кислоты распадается на хинную и кофейную кислоты. Кроме того, из хлоргеновой кислоты образуются фенолы, нео- и изохлоргеновая кислоты. Большую роль в образовании аромата жареного кофе играет пиридин, который образуется из алкалоида тригонеллина. Кроме того, тригонеллин при обжаривании кофе частично переходит в никотиновую кислоту (витамин РР), повышая тем самым биологическую ценность зерен и напитка из них.

Содержащиеся в сыром кофе витамины в процессе обжаривания зерен сравнительно устойчиво сохраняются и переходят в напиток.

Для формирования вкуса кофе из всех компонентов его состава наибольшее значение имеют дубильные вещества, кислоты и продукты карамелизации. Все компоненты химического состава кофе, содержащиеся в исходном сырье и вновь образующиеся при термической обработке, реагируя между собой, дают сложный комплекс соединений, обусловливающих неповторимый аромат жареного кофе. В составе ароматических веществ идентифицировано более 400 соединений, из которых наиболее важны: уксусная кислота, фурфуроловый спирт, анетол, пиридин, летучие кислоты, пиразиновые основания, ацетон, фенолы фурфурол, метил фурфурол, ацетальдегид, метил меркаптан, метиловый спирт, ацетилфуран.

Общее содержание ароматических веществ в жареном кофе 0,055-1,5 %, оно зависит от вида сырья, режимов обжарки и охлаждения, способа упаковки и условий хранения, но жареный кофе быстро теряет аромат.

Обработка кофе

В мировой практике производства сырых зерен кофе известно два способа первичной обработки плодов: сухой и влажный.

Сухой способ - самый древний способ очистки зерен кофе от плодовой мякоти и оболочек. Включает следующие этапы: сбор плодов кофе, сортировку, сушку, лущение, калибровку, сортировку и очистку от посторонних примесей (полирование).

Плоды кофе разделяют по внешнему виду на крупные и мелкие, одновременно удаляя прогнившие плоды и посторонние примеси (ветки и грозди плодов). Плоды кофе сушат целиком. Одним из простых способов является солнечная сушка непосредственно на плантациях. Такая сушка длится 2-3 недели. Применяется также тепловая сушка в сушильных агрегатах горячим воздухом, паром или электричеством в течение 12-24 часов.

После того как плоды подсушены до влажности 12-14 %, их очищают на кофелущильных машинах, снимая оболочки. В этих машинах происходит трение плодов между вращающимися внутренними цилиндрами. При полировании оставшаяся серебристая семенная оболочка снимается и зернам придается блеск. Затем зерна поступают на сортировку и калибрование, которые производятся на сортировочных аппаратах.

Недостатком сухого способа обработки кофе является неравномерное удаление влаги из всех частей плода, что может стать причиной развития микроорганизмов и порчи зерен при хранении.

Влажный (ферментативный) способ включает следующие этапы: сбор плодов кофе, сортировку, протирание плодов, ферментацию мезги, выдерживание в воде (мойку), сушку, лущение, калибрование, сортировку, очистку от посторонних примесей (полирование).

Плоды кофе после сортировки по сорту, величине, цвету, и степени зрелости пропускают через протирочные машины. В результате этого наружная оболочка разрывается, и плодовая мякоть освобождается, затем зерна выдавливаются из плодовой мякоти.

Однако, учитывая, что эти машины оставляют слизистый слой и серебристую семенную оболочку на зернах, протертую мезгу направляют на ферментацию (выдержку при высокой влажности и температуре). Процесс ферментации протекает в течение 24-36 часов при температуре 18-30º С.

После ферментации кофейная мезга (пульпа) подвергается мойке в аппаратах непрерывного действия и направляется на сушку.

В процессе сушки зерна кофе не только доводят до необходимой 12%-ной влажности, но и подготавливают оболочку для последующего отделения на лущильных установках. Сушку зерен производят в естественных условиях (солнечная сушка) или в сушилках при температуре 40-60° С. Наилучший эффект (по кислотности, полноте вкуса, аромата и настоя напитка) получают при температуре 45º С. Продолжительность сушки 6-12 часов.

Высушенный кофе подвергают лущению, чтобы избавиться от серебристой семенной оболочки. Удаление остатков пергаментных оболочек завершается на полировальных машинах.

После этого кофейные зерна калибруют и сортируют по размеру и цвету. Обычно используют для этого калибровочные машины, где сначала кофе калибруют по ширине зерна, затем по толщине и после этого по длине.

При ферментативной обработке в общей массе сырья появляются поврежденные зерна. Их удаляют вручную по мере движения зерен по конвейеру на упаковку в мешки.

В настоящее время для замены этой тяжелой ручной работы используют УФ-спекторы.