咖啡烘焙过程中的化学变化

烘焙基础科学-褐变反应

非酶促褐变反应(Nonenzymatic Browning)

非酶促褐变反应不同于酶促褐变反应，非酶促褐变反应不需要酶，但是其反应需要热能、糖和氨基酸。与咖啡烘焙有关的非酶促褐变反应有两种：焦糖化反应(caramelization recation)及美拉德反应（Mailard reaction).

焦糖化反应（caramelization reaction)

焦糖化反应比较容易解释。焦糖化反应是糖的氧化，脱水，降解过程，它对咖啡的风味及颜色都会有影响。我们这里指的糖主要是蔗糖（sucrose),我们在做菜过程中使用的糖属于蔗糖。当蔗糖被加热到160度便开始慢慢脱水溶解变成半透明的液态。当被加热到200度时糖中的化合物开始重组，产生棕色的焦糖（太妃糖）带有一定的烧糊（burnt)气味及苦味（bitter)，和一般人想象中甜甜的焦糖蛋糕中的焦糖味道完全不同。平常食用的焦糖会加入糖，奶，或其它风味剂。

根据使用目的不同，制造商可以对焦糖化所造成的风味和颜色做选择，例如使用氨法生产的焦糖色素用于可乐饮料的上色。

除了产生气味和颜色，焦糖化反应会产生有机酸(organic acids).例如在糖脆的制作过程中加入小苏打粉（baking soda)与有机酸产生反应释放出二氧化碳,形成独特的口感。

在咖啡烘焙过程中也有类似的反应发生，糖降解也会产生二氧化碳，二氧化碳加大了咖啡豆内部纤维细胞组织的压力，最终造成纤维组织的断裂，形成了咖啡烘焙过程中“二爆”所发出的爆裂声。咖啡过程中“一爆”现象产生的原因不同于“二爆”，“一爆”主要是由咖啡豆中水分蒸发所形成的压力造成的。

大约90%的蔗糖会在烘焙过程中降解形成多种产物，包括：甲酸（formic acids),醋酸（acetic acids).

有实验表明醋酸含量在烘焙前期可以增加大约20倍，随烘焙后期醋酸会快速减少。虽然醋酸属于弱酸但是它会对咖啡风味造成影响。阿拉比卡咖啡的蔗糖含量大约是罗布斯塔咖啡的两倍，因此我们可以在阿拉比卡咖啡中体验到明显的香气和酸度。

总之，焦糖化反应会在烘焙过程中产生香气，酸度，二氧化碳，及颜色。焦糖化反应和美拉德反应一起对咖啡最终风味的形成造成影响。

美拉德反应 The Maillard Reaction

美拉德反应因该是所有褐变反应中最复杂的一种。虽然它和食品有密切的关系，但实际上它的最初发现是在医药业。1900年Dr Louis Camille Maillard 正在从事他一生中最为复杂的研究：人体产生蛋白质的机理。当他在加热还原糖和特定氨基酸混合溶剂时，溶剂逐渐从透明液体转化为棕色液体并带有烤坚果及烤面包的香气，这标示了美拉德反应 的正式发现。随后有大量的公司开始对美拉德反应展开研究。二次世界大战期间士兵抱怨供给品中的粉状鸡蛋有变色变味现象，这引起军方的注意并开始调查研究。直到现在人们也没有完全认识梅拉德反应的全部过程，梅拉德反应是现代食品行业中的重要研究课题，在医药行业它涉及到有关衰老过程问题的研究。

梅拉德反应的核心问题是在有机食品的热加工过程中不同氨基酸和不同糖相互结合，对最终产品（烤面包，牛肉，咖啡等）的风味及味道造成的影响。鉴于梅拉德反应的复杂度，本文的讨论只能算是基本的介绍，更深的研究探讨超出本文的范围。

梅拉德反应可以总结为4个主要步骤：

第一步，糖和氨基酸在烘焙中结合生成葡萄糖胺（N-glucosamine)化合物，这些化合物性质不稳定，一般会进行第二次反应（葡萄胺重排反应Amadori Rearrangements)生成另外一些中间产物。到此步为止所有生成的化合物没有颜色也没有气味及味道。第三步strecker降解过程中葡萄糖胺与特定的氨基酸再次产生反应生成了新的具有芳香特征的化合物,这些化合物与咖啡的香气有直接关系，如：吡嗪,吡啶有烤玉米/烤坚果/苦的气味。第四步生成的蛋白黑素化合物决定了咖啡的颜色。

有些因素可以影响梅拉德反应包括：含水量，pH值，温度.氨基酸和糖的结合过程中产生水，烘焙物质的水活性（物质中水分含量的活性部分或者说自由水）过高会妨碍梅拉德反应。对于那些水活性较低的物质如：面包，奶粉等褐变会发生的比较快。梅拉德反应在碱性条件下会加速，有利于Amadori重排产物形成1-deoxysome（脱氧葡萄糖醛酮），它是许多食品香味的前驱体。温度是我们可以掌控的影响因素，温度每上升10度C,梅拉德反应速度会翻倍。这种现象在“二爆”之后比较明显。

随着烘焙度的加深，越来也多的水分从咖啡豆中消失从而造成潜在反应物比重的增大（比较像海水蒸发盐的比重随之增加），梅拉德反应也会随反应物比重的增大而加快。随着温度上升及反应加快，咖啡风味走向也发生变化，苯酚，吡嗪,吡啶的含量增加，醋酸含量在初期达到顶峰后会迅速减少。简单讲，咖啡烘焙度的加深会造成香气，醇厚度，刺激性的增加，酸度逐渐减少。

焦糖化反应和梅拉德反应即相似又不同：

1.焦糖化反应不需要氮源物质(元素），它仅仅是糖的分解。梅拉德反应需要糖及氨基酸（氮源物质).

2.焦糖化反应发生的温度要高于梅拉德反应发生的温度。梅拉德反应可以在室温条件下缓慢进行，而焦糖化反应一般会在150度C以上进行反应。

3.两个反应都会形成蛋白黑素及风味化合物即形成：颜色和风味。