Кофейное зерно — это семя растения Coffea и источник кофе . Это косточка внутри красного или фиолетового плода. Этот фрукт часто называют кофейной вишней , и, как и вишня, это плод с косточкой. Несмотря на то, что кофейные зерна технически не являются зернами, их называют таковыми из-за их сходства с настоящими зернами . Плоды чаще всего содержат две косточки, обращенные плоскими сторонами вместе. Небольшой процент вишни содержит одно семя вместо обычных двух, называемое « пиберри ». Пиберри встречается только в 10–15% случаев, и довольно распространено (хотя и научно не доказанное) мнение, что у них больше вкуса, чем у обычных кофейных зерен. [3] Как и бразильские орехи (семена) и белый рис, кофейные зерна состоят в основном из эндосперма . [4]
Двумя наиболее экономически важными сортами кофейных растений являются арабика и робуста ; примерно 60% кофе, производимого в мире, составляет арабика и около 40% — робуста. [5] Зерна арабики содержат 0,8–1,4% кофеина , а зерна робусты — 1,7–4,0% кофеина. [6] Поскольку кофе является одним из наиболее широко потребляемых напитков в мире, кофейные зерна являются основной товарной культурой и важным экспортным продуктом, на долю которого приходится более 50% валютных поступлений некоторых развивающихся стран. Это сделало кофе очень важным в культуре и еде во всем мире. [7] В 2017 году 70% общего объема производства кофе было экспортировано на сумму 19,9 млрд долларов США. [8] Мировая кофейная индустрия огромна и оценивается в 495,50 миллиардов долларов по состоянию на 2023 год. Крупнейшим производителем кофе и кофейных зерен является Бразилия. [9] Другими основными экспортерами кофейных зерен являются Колумбия, Вьетнам и Эфиопия.
Бразилия производит около 45% мирового экспорта кофе . Соединенные Штаты импортируют больше кофе, чем любая другая страна. По состоянию на 2015 год американцы потребляли около 400 миллионов чашек кофе в день, что сделало Соединенные Штаты ведущим потребителем кофе в мире. [11]
Кофейные растения растут на определенной территории между тропиками Рака и Козерога , называемой бобовым поясом или кофейным поясом. [12] [13] [14] [15]
Кофейное зерно
Оксфордский словарь английского языка предполагает, что европейские языки, как правило, получили название от турецкого kahveh около 1600 года, возможно, через итальянское caffè . Арабское кахва , по-турецки произносится как кахве , название настоя или напитка ; По мнению арабских лексикографов, первоначально это слово означало « вино » или какой-то тип вина и было производным от глагола - корень qahiya «не иметь аппетита ». Другая распространенная теория состоит в том, что название происходит от провинции Каффа в Эфиопии , откуда, возможно, произошел этот вид. [16]
Кофейное дерево в среднем составляет 5–10 м (16–33 футов) в высоту. По мере того как дерево стареет, оно дает меньше плодов и постепенно теряет устойчивость к вредителям и болезням. Кофейные зерна получают из семян, содержащихся в плодах деревьев и кустарников, произрастающих в африканских лесах. Люди производят кофе путем обжаривания , измельчения и заваривания зеленых кофейных зерен. [17]
Кофейные растения часто выращивают рядами, расположенными на расстоянии друг от друга в зависимости от желаемой плотности, выбранной фермером. Некоторые фермеры сажают вокруг себя другие деревья, например тенистые деревья или другие деревья товарных культур, например апельсиновые деревья, или сажают кофе на склонах холмов, потому что для их процветания нужны особые условия. В идеале кофейные зерна арабики выращиваются при температуре от 15 до 24 °C (от 59 до 75 °F), а зерна робусты - от 24 до 30 °C (от 75 до 86 °F) и получают высоту от 500 до 3000 мм (от 20 до 118 дюймов). осадков в год. [18] Больше дождя необходимо в начале сезона, когда плоды развиваются, и меньше в конце сезона, когда они созревают.
Двумя менее известными видами, выращиваемыми для употребления в пищу, являются Coffea liberica и Coffea Racemosa . [19]
Когда плод созревает, его почти всегда собирают вручную, используя либо «селективный сбор», при котором удаляются только спелые плоды, либо «сбор полос», когда все плоды удаляются с ветки сразу. Выборочный сбор часто используется для производства кофе более высокого качества, поскольку ягоды собирают в самых спелых случаях. Сбор полос осуществляется неизбирательно, при этом можно собрать незрелые, спелые и перезрелые плоды. Для улучшения качества после полосового сбора урожай необходимо сортировать.
Азиатская пальмовая циветта питается кофейными ягодами и выделяет зерна. Поскольку циветта предпочитает вкус самой спелой вишни, она собирает вишню выборочно. Затем его пищеварительная система перерабатывает бобы, разрушая слизь и мякоть, окружающую семя. Как только семена выделяются циветтой, их можно собирать, перерабатывать и продавать как нишевый продукт . После окончательной обработки эти зерна называются копи лювак и часто продаются как редкий и дорогой кофе.
Для обработки кофейных ягод в основном используются два метода. Первый, «мокрый» или «промытый» процесс исторически обычно осуществлялся в Центральной Америке и некоторых районах Африки. Мякоть вишни отделяют от косточек, а затем семена ферментируют – замачивают в воде примерно на два дня. Это смягчает слизь, которая представляет собой липкий остаток мякоти, все еще прикрепленный к семенам. Затем эту слизь смывают водой.
Метод «сухой обработки», более дешевый и простой, исторически использовался для бобов более низкого качества в Бразилии и большей части Африки, но теперь, если все сделано правильно, он приносит больше пользы. Ветки и другие посторонние предметы отделяют от ягод, а затем плоды раскладывают на солнце на бетоне, кирпичах или приподнятых грядках на 2–3 недели, регулярно переворачивая для равномерного высыхания.
Термин «зеленое кофейное зерно» относится к необжаренным зрелым или незрелым кофейным зернам. Они были обработаны влажными или сухими методами для удаления внешней мякоти и слизи и сохранения неповрежденного воскового слоя на внешней поверхности. В незрелом состоянии они зеленые. В зрелом состоянии они имеют цвет от коричневого до желтого или красноватого и обычно весят от 300 до 330 мг на высушенное кофейное зерно. Нелетучие и летучие соединения в зеленых кофейных зернах, такие как кофеин , отпугивают многих насекомых и животных от их поедания . Кроме того, как нелетучие, так и летучие соединения влияют на вкус кофейного зерна при его обжарке. Нелетучие азотистые соединения (включая алкалоиды , тригонеллин , белки и свободные аминокислоты ) и углеводы имеют важное значение для создания полного аромата жареного кофе и его биологического действия. С середины 2000-х годов экстракт зеленого кофе продается в качестве пищевой добавки и подвергается клиническим исследованиям на предмет содержания в нем хлорогеновой кислоты , а также его липолитических свойств и свойств для снижения веса.
Кофеин (1,3,7-триметилксантин) — алкалоид , наиболее присутствующий в зеленых и обжаренных кофейных зернах. Содержание кофеина составляет от 1,0% до 2,5% от массы сухих зеленых кофейных зерен. Содержание кофеина не меняется во время созревания зеленых кофейных зерен, но более высокое содержание кофеина обнаруживается в растениях, выращенных на больших высотах. [20] [21] Могут быть обнаружены более низкие концентрации теофиллина , теобромина , параксантина , либерина и метиллиберина . Концентрация теофиллина, алкалоида, известного своим присутствием в зеленом чае , снижается в процессе обжарки, обычно примерно на 15 минут при 230 °C (446 °F), тогда как концентрации большинства других алкалоидов не изменяются. [ нужна цитата ] Растворимость кофеина в воде увеличивается с температурой и добавлением хлорогеновой кислоты, лимонной кислоты или винной кислоты , которые присутствуют в зеленых кофейных зернах. Например, 1 г (0,035 унции США) кофеина растворяется в 46 мл (1,6 жидких унций США) воды при комнатной температуре и 5,5 мл (0,19 жидких унций США) при 80 °C (176 °F). [22] Ксантиновые алкалоиды не имеют запаха, но имеют горький вкус в воде, который маскируется органическими кислотами, присутствующими в зеленом кофе. [ нужна цитата ]
Тригонеллин ( N -метилникотинат) — производное витамина B6 , не такое горькое, как кофеин. В зеленых кофейных зернах их содержание составляет от 0,6% до 1,0%. При температуре обжарки 230 °C (446 °F) 85% тригонеллина разлагается до никотиновой кислоты , оставляя небольшое количество неизмененной молекулы в обжаренных зернах. [23] [24]
Белки составляют от 8% до 12% сушеных зеленых кофейных зерен. Большинство белков относятся к запасному типу 11-S [25] (альфа – компонент 32 кДа, бета – компонент 22 кДа), большая часть которых деградирует до свободных аминокислот при созревании зеленых кофейных зерен. Кроме того, запасные белки 11-S разлагаются до отдельных аминокислот при температуре обжаривания и, таким образом, являются дополнительным источником горьких компонентов из-за образования продуктов реакции Майяра . [26] Высокая температура, концентрация кислорода и низкий уровень pH разлагают запасные белки 11-S зеленых кофейных зерен до низкомолекулярных пептидов и аминокислот. Разложение ускоряется в присутствии органических кислот, таких как хлорогеновые кислоты и их производные. Другие белки включают ферменты , такие как каталаза и полифенолоксидаза , которые важны для созревания зеленых кофейных зерен. Зрелый кофе содержит свободные аминокислоты (4,0 мг аминокислот/г кофе робуста и до 4,5 мг аминокислот/г кофе арабика). В Coffea arabica аланин представляет собой аминокислоту с самой высокой концентрацией, т.е. 1,2 мг/г, за ней следует аспарагин с 0,66 мг/г, тогда как в C. Robusta аланин присутствует в концентрации 0,8 мг/г, а аспарагин - 0,36 мг/г . мг/г. [27] [28] Свободные гидрофобные аминокислоты в свежих зеленых кофейных зернах придают неприятный вкус, что делает невозможным приготовление желаемого напитка с такими соединениями. В свежем зеленом кофе из Перу эти концентрации были определены как: изолейцин 81 мг/кг, лейцин 100 мг/кг, валин 93 мг/кг, тирозин 81 мг/кг, фенилаланин 133 мг/кг. Концентрация гамма-аминомасляной кислоты (нейромедиатора) была определена в пределах от 143 до 703 мг/кг в зеленых кофейных зернах из Танзании . [29] Жареные кофейные зерна не содержат свободных аминокислот; Аминокислоты в зеленых кофейных зернах при температуре обжарки разлагаются до продуктов Майяра (продуктов реакции между альдегидной группой сахара и альфа-аминогруппой аминокислот). Кроме того, дикетопиперазины , например цикло(пролин-пролин), цикло(пролин-лейцин) и цикло(пролин-изолейцин), образуются из соответствующих аминокислот и являются основным источником горького вкуса жареного кофе. [30]Горький вкус дикетопиперазинов ощущается при концентрации около 20 мг/л воды. Содержание дикетопиперазинов в эспрессо составляет около 20–30 мг, что отвечает за его горечь . [31]
Углеводы составляют около 50% сухого веса зеленых кофейных зерен. В углеводной фракции зеленого кофе преобладают полисахариды , такие как арабиногалактан , галактоманнан и целлюлоза , что придает зеленому кофе безвкусный вкус. Арабиногалактан составляет до 17% сухой массы зеленых кофейных зерен с молекулярной массой от 90 до 200 кДа. Он состоит из основных цепей бета-1-3-связанного галактана с частыми остатками арабинозы (пентозы) и галактозы (гексозы) в боковых цепях, обладающих иммуномодулирующими свойствами за счет стимуляции системы клеточной защиты (ответ Th-1) тело. Зрелые кофейные зерна от коричневого до желтого цвета содержат меньше остатков галактозы и арабинозы в боковой цепи полисахаридов, что делает зеленые кофейные зерна более устойчивыми к физическому разрушению и менее растворимыми в воде. [32] Молекулярная масса арабиногалактана в кофе выше, чем в большинстве других растений, что улучшает клеточную защитную систему пищеварительного тракта по сравнению с арабиногалактаном с более низкой молекулярной массой. [33] Свободные моносахариды присутствуют в зрелых кофейных зернах от коричневого до желто-зеленого цвета. В свободной части моносахаридов содержится сахароза (глюкофруктоза) до 9000 мг/100 г зеленого кофе арабика, меньшее количество в робустасе, т.е. 4500 мг/100 г. В зеленых зернах кофе арабика содержание свободной глюкозы составляло 30–38 мг/100 г, свободной фруктозы – 23–30 мг/100 г; свободная галактоза 35 мг/100 г и маннит 50 мг/100 г сухих кофейных зерен соответственно. Маннитол является мощным поглотителем гидроксильных радикалов , которые образуются при перекисном окислении липидов в биологических мембранах. [34]
Липиды, содержащиеся в зеленом кофе, включают: линолевую кислоту , пальмитиновую кислоту , олеиновую кислоту , стеариновую кислоту , арахиновую кислоту , дитерпены , триглицериды , ненасыщенные жирные кислоты с длинной цепью , сложные эфиры и амиды . Общее содержание липидов в сушеном зеленом кофе составляет 11,7–14 г/100 г. [35] Липиды присутствуют на поверхности и во внутренней матрице зеленых кофейных зерен. На поверхности они включают производные карбоновых кислот-5-гидрокситриптамиды с амидной связью с жирными кислотами (ненасыщенными С6–С24), составляющие до 3% общего содержания липидов или от 1200 до 1400 мкг/г высушенного зеленого кофейного зерна. Такие соединения образуют воскообразное покрытие на поверхности кофейного зерна (200–300 мг липидов на 100 г высушенного зеленого кофейного зерна), защищающее внутреннюю матрицу от окисления и насекомых. Кроме того, такие молекулы обладают антиоксидантной активностью благодаря своей химической структуре. [36] Липиды внутренней ткани представляют собой триглицериды, линолевая кислота (46% от общего количества свободных липидов), пальмитиновая кислота (от 30% до 35% от общего количества свободных липидов) и сложные эфиры. В зернах арабики содержание липидов выше (13,5–17,4 г липидов/100 г сушеных зеленых кофейных зерен), чем в зернах робусты (9,8–10,7 г липидов/100 г сушеных зеленых кофейных зерен). Содержание дитерпенов составляет около 20% липидной фракции. Дитерпены, обнаруженные в зеленом кофе, включают кафестол , кахвеол и 16-О-метилкафестол . В экспериментах in vitro было показано, что некоторые из этих дитерпенов защищают ткань печени от химического окисления. [37] В кофейном масле из зеленых кофейных зерен дитерпены этерифицированы насыщенными длинноцепочечными жирными кислотами .
Хлорогеновые кислоты принадлежат к группе соединений, известных как фенольные кислоты , которые являются антиоксидантами . Содержание хлорогеновых кислот в сушеных зеленых зернах кофе арабики составляет 65 мг/г, робусты – 140 мг/г, в зависимости от сроков сбора. [38] При температуре обжаривания более 70% хлорогеновых кислот разрушаются, в результате чего в обжаренном кофейном зерне остается менее 30 мг/г. В отличие от зеленого кофе, зеленый чай содержит в среднем 85 мг/г полифенолов. Эти хлорогеновые кислоты могут быть ценным и недорогим источником антиоксидантов. Хлорогеновые кислоты — гомологичные соединения, включающие кофейную кислоту , феруловую кислоту и 3,4-диметоксикоричную кислоту , которые соединены сложноэфирной связью с гидроксильными группами хинной кислоты . [39] Антиоксидантная способность хлорогеновой кислоты более мощная, чем у аскорбиновой кислоты (витамина С) или маннита, который является селективным поглотителем гидрокси-радикалов. [40] Хлорогеновые кислоты имеют горький вкус в низких концентрациях, например, в воде 50 мг/л. При более высоких концентрациях (1 г/л воды) они имеют кислый вкус. Хлорогеновые кислоты повышают растворимость кофеина и являются важными модуляторами вкуса.
Летучие соединения зеленых кофейных зерен включают короткоцепочечные жирные кислоты, альдегиды и азотсодержащие ароматические молекулы, например производные пиразинов (зелено-травянисто-землистый запах). Короче говоря, такие летучие соединения ответственны за менее приятный запах и вкус зеленого кофе по сравнению с жареным кофе. Коммерческий успех был достигнут компанией Starbucks, создавшей освежающие напитки Green Bean Refreshers с использованием процесса, который в первую очередь изолирует кофеин из зеленых зерен, но фактически не использует замоченную жидкость из зерен. [41] Многие потребители экспериментируют с созданием «экстракта» зеленых зерен, замачивая зеленые кофейные зерна в горячей воде. Зачастую рекомендуемое время заваривания (от 20 минут до 1 часа) приводит к извлечению слишком большого количества кофеина, что не позволяет обеспечить приятный вкус. Время заваривания 12 минут или менее обеспечивает более вкусную жидкость, которую можно использовать в качестве основы для напитка, содержащего больше питательных веществ и меньше кофеина, чем при использовании только что выделенного экстракта кофеина. [42] Полученную щелочную основу можно сочетать с кислыми или фруктовыми экстрактами, с подсластителем или без него, чтобы замаскировать овощной вкус экстракта.
При обжарке зеленых кофейных зерен образуются другие молекулы с типичным приятным ароматом кофе, которых нет в свежем зеленом кофе. В процессе обжарки большая часть неприятных на вкус летучих соединений нейтрализуется. К сожалению, другие важные молекулы, такие как антиоксиданты и витамины, присутствующие в зеленом кофе, разрушаются. Были идентифицированы летучие соединения с тошнотворным для человека запахом, в том числе уксусная кислота (резкий, неприятный запах), пропионовая кислота (запах кислого молока или масла), бутановая кислота (запах прогорклого масла, присутствует в зеленом кофе в количестве 2 мг/100). г кофейных зерен), пентановая кислота (неприятный фруктовый вкус, присутствует в зеленом кофе в количестве 40 мг/100 г в кофейных зернах), гексановая кислота (прогорклый жирный запах), гептановая кислота (жирный запах), октановая кислота (отталкивающий маслянистый прогорклый запах) ); нонановая кислота (легкий ореховый жирный запах); декановая кислота (кислый отталкивающий запах), а также производные таких жирных кислот – 3-метилвалериановая кислота (кислый, зелено-травянистый, неприятный запах), ацетальдегид (резкий, тошнотворный запах, даже в сильно разбавленном виде присутствует в сушеных зеленых кофейных зернах). в концентрациях около 5 мг/кг), пропаналь (удушающее действие на дыхательную систему, проникающе-тошнотворное), бутаналь (тошнотворное действие, присутствует в сушеных зеленых кофейных зернах в дозе 2–7 мг/кг) или пентаналь (очень отталкивающее, тошнотворное действие ). ). [43]