Введение
Семена кофейного растения – кофейные зерна. Кофейные зерна – это семена растения Coffea и источник кофе. Это ядро внутри красного или фиолетового плода. Этот плод часто называют кофейной вишней, и, как и вишня, он является плодом с ядром. Хотя кофейные зерна технически не являются бобами, их называют так из-за их сходства с настоящими бобами. Плоды чаще всего содержат два зерна, соприкасающиеся плоскими сторонами. Небольшой процент вишен содержит одно зерно вместо обычных двух, называемое "пергаментным зерном" (peaberry). Пергаментное зерно встречается лишь в 10–15% случаев, и существует распространенное (хотя и научно недоказанное) мнение, что оно обладает более насыщенным вкусом, чем обычные кофейные зерна. Как и бразильский орех (семя) и белый рис, кофейные зерна в основном состоят из эндосперма. Два наиболее экономически важных сорта кофейных растений – это арабика и робуста; примерно 60% кофе, производимого во всем мире, – это арабика и около 40% – робуста. Зерна арабики содержат 0,8–1,4% кофеина, а зерна робусты – 1,7–4,0% кофеина. Поскольку кофе – один из самых популярных напитков в мире, кофейные зерна являются важной товарной культурой и значимым экспортным продуктом, обеспечивающим более 50% валютных поступлений некоторых развивающихся стран. Это сделало кофе важной частью культуры и питания во всем мире. В 2017 году было экспортировано 70% от общего объема производства кофе, на сумму 19,9 миллиарда долларов США. Мировая кофейная индустрия огромна и оценивается в 495,50 миллиарда долларов США по состоянию на 2023 год, крупнейшим производителем кофе и кофейных зерен является Бразилия. Другими основными экспортерами кофейных зерен являются Колумбия, Вьетнам и Эфиопия.
the coffee bean seed
A coffee bean is a seed from the Coffea plant and the source for coffee. It is the pip inside the red or purple fruit. This fruit is often referred to as a coffee cherry, and like the cherry, it is a fruit with a pip. Even though the coffee beans are not technically beans, they are referred to as such because of their resemblance to true beans. The fruits most commonly contain two stones with their flat sides together. A small percentage of cherries contain a single seed, instead of the usual two, called a "peaberry". The peaberry occurs only between 10% and 15% of the time, and it is a fairly common (yet scientifically unproven) belief that they have more flavour than normal coffee beans. Like Brazil nuts (a seed) and white rice, coffee beans consist mostly of endosperm. The two most economically important varieties of coffee plants are the Arabica and the Robusta; approximately 60% of the coffee produced worldwide is Arabica and ~40% is Robusta. Arabica beans consist of 0.8–1.4% caffeine and Robusta beans consist of 1.7–4.0% caffeine. As coffee is one of the world's most widely consumed beverages, coffee beans are a major cash crop and an important export product, accounting for over 50% of some developing nations' foreign exchange earnings. This has made coffee very important in culture and food around the world. In 2017, 70% of total coffee production was exported, worth US$19.9 billion. The global coffee industry is massive and valued at $495.50 billion as of 2023, the biggest producer of coffee and coffee beans is Brazil. Other main exporters of coffee beans are Colombia, Vietnam and Ethiopia.
Распространение
Бразилия производит около 45% всего мирового экспорта кофе. Соединенные Штаты импортируют больше кофе, чем любая другая страна. По состоянию на 2015 год американцы потребляли приблизительно 400 миллионов чашек кофе в день, что делает Соединенные Штаты крупнейшим потребителем кофе в мире. Кофейные растения произрастают в определенной зоне между тропиками Рака и Козерога, известной как кофейный пояс или пояс выращивания кофейных зерен.
Этимология
Оксфордский словарь английского языка предполагает, что европейские языки, как правило, получили это название от турецкого *kahveh* около 1600 года, возможно, через итальянское *caffè*. Арабское *qahwah*, в турецком произносится как *kahveh*, – название настоя или напитка; арабские лексикографы утверждают, что изначально оно означало "вино" или какой-либо его вид и является производным от глагольного корня *qahiya* – "терять аппетит". Другая распространенная теория связывает происхождение названия с провинцией Каффа в Эфиопии, где, возможно, возник этот вид кофе.
Кофейная растение
Кофейное дерево в среднем достигает высоты от … до … метров. По мере старения дерево производит меньше плодов и постепенно теряет устойчивость к вредителям и болезням. Кофейные зерна получают из семян, содержащихся в плодах деревьев и кустарников, которые естественно растут в африканских лесах. Люди производят кофе путем обжарки, помола и заваривания зеленых кофейных зерен. Кофейные растения часто выращивают рядами на определенном расстоянии друг от друга, в зависимости от желаемой плотности посадки, выбранной фермером. Некоторые фермеры сажают вокруг них другие деревья, такие как тенистые или другие коммерчески ценные породы, например, апельсиновые деревья, или высаживают кофе на склонах холмов, поскольку для их процветания необходимы определенные условия. В идеале, кофейные зерна Арабика выращивают при температуре от … до … градусов, а Робуста – от … до … градусов, при этом требуется от … миллиметров осадков в год. В начале сезона, когда развиваются плоды, требуется больше осадков, а в конце сезона, во время созревания – меньше. Два менее известных вида, выращиваемых для потребления, – Coffea liberica и Coffea racemosa.
Обработка
Когда плод созревает, его почти всегда собирают вручную, используя либо "селективный сбор", при котором удаляются только зрелые плоды, либо "сплошной сбор", при котором все плоды удаляются с ветки одновременно. Селективный сбор часто используется для производства более качественного кофе, поскольку вишни собирают в момент их полной зрелости. Сплошной сбор неразборчив и включает в себя сбор незрелых, зрелых и перезрелых плодов. Для улучшения качества после сплошного сбора урожай необходимо сортировать. Существует два основных метода обработки кофейных ягод. Первый, "мытый" или "влажный" процесс, исторически чаще всего применялся в Центральной Америке и некоторых регионах Африки. Мякоть вишни отделяется от зерен, после чего зерна подвергаются ферментации – выдерживаются в воде около двух дней. Это размягчает муцилаж – липкий слой мякоти, который все еще покрывает зерна. Затем этот муцилаж смывается водой. Метод "сухой обработки", более дешевый и простой, исторически использовался для бобов более низкого качества в Бразилии и большей части Африки, но при качественном исполнении сейчас может приносить более высокую цену. Ветки и другие посторонние предметы отделяются от ягод, а затем плоды раскладываются на солнце на бетонных плитах, кирпичах или приподнятых грядках на 2–3 недели, регулярно переворачиваясь для равномерной сушки. В Азии существует третий вид обработки, при котором азиатская пальмовая циветта поедает кофейные ягоды и выделяет зерна. Поскольку циветта предпочитает вкус самых зрелых вишен, она выборочно собирает их. Ее пищеварительная система затем перерабатывает зерна, расщепляя муцилаж и мякоть, окружающие семена. После выделения циветтой зерна собирают, обрабатывают и продают как нишевый продукт. После окончательной обработки эти зерна называют копи лувак и часто рекламируют как редкий и дорогой кофе.
Состав
Термин "зеленые кофейные зерна" относится к необжаренным зрелым или незрелым кофейным зернам. Они были обработаны влажным или сухим способом для удаления внешней мякоти и слизистой оболочки и имеют неповрежденный восковой слой на поверхности. В незрелом состоянии они зеленые. В зрелом – от коричневого до желтого или красноватого цвета 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. Более того, как нелетучие, так и летучие соединения способствуют формированию вкуса кофейного зерна при обжарке. Нелетучие азотистые соединения (включая алкалоиды, тригонеллин, белки и свободные аминокислоты) и углеводы играют важную роль в создании полного аромата обжаренного кофе и определяют его биологическое действие. С середины 2000-х годов экстракт зеленого кофе продается как диетическая добавка и изучается в клинических исследованиях на предмет содержания хлорогеновой кислоты, а также его липолитических свойств и способности способствовать снижению веса.
Нелетучие алкалоиды
Кофеин (1,3,7-триметилксантин) – это алкалоид, наиболее распространенный в зеленых и обжаренных кофейных зернах. Содержание кофеина составляет от 1,0% до 2,5% по весу сухих зеленых кофейных зерен. Содержание кофеина не изменяется в процессе созревания зеленых кофейных зерен, но у растений, выращенных на большей высоте, оно выше. Обнаружены также более низкие концентрации теофиллина, теобромина, параксантина, либерина и метиллиберина. Концентрация теофиллина, алкалоида, известного своим присутствием в зеленом чае, уменьшается в процессе обжарки, обычно при 230 °C (446 °F) в течение приблизительно 15 минут, в то время как концентрации большинства других алкалоидов остаются неизменными. Растворимость кофеина в воде увеличивается с повышением температуры и при добавлении хлорогеновой, лимонной или винной кислот, которые содержатся в зеленых кофейных зернах. Например, кофеина растворяется в воды при комнатной температуре, и – при 80 °C (176 °F). Ксантиновые алкалоиды не имеют запаха, но обладают горьким вкусом в воде, который маскируется органическими кислотами, присутствующими в зеленом кофе. Тригонелин (N-метилникотинат) – производное витамина B3, которое менее горькое, чем кофеин. В зеленых кофейных зернах его содержание составляет от 0,6% до 1,0%. При температуре обжарки 230 °C (446 °F) 85% тригонеллина разлагается до никотиновой кислоты, оставляя небольшое количество неразложившейся молекулы в обжаренных зернах.
Белок и аминокислоты
Белок составляет от 8% до 12% сушеных зеленых кофейных зерен. Большинство белков относятся к 11S хранилищному типу (альфа-компонент 32 кДа, бета-компонент 22 кДа), большая часть которых расщепляется до свободных аминокислот в процессе созревания зеленых кофейных зерен. Кроме того, белки хранения 11S распадаются на отдельные аминокислоты при температуре обжарки, являясь таким образом дополнительным источником горьких компонентов из-за образования продуктов реакции Майяра. Высокая температура, концентрация кислорода и низкий pH способствуют разложению 11S белков хранения в зеленых кофейных зернах до пептидов и аминокислот с низкой молекулярной массой. 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 аминокислоты/г кофе робуста и до 4,5 мг аминокислоты/г кофе арабика). В Coffea arabica аланин является аминокислотой с наибольшей концентрацией – 1,2 мг/г, за ним следует аспарагин – 0,66 мг/г, в то время как в C. robusta концентрация аланина составляет 0,8 мг/г, а аспарагина – 0,36 мг/г. Свободные гидрофобные аминокислоты в свежих зеленых кофейных зернах способствуют неприятному вкусу, что делает невозможным приготовление желаемого напитка из таких соединений. В свежем зеленом кофе из Перу их концентрация определена следующим образом: изолейцин – 81 мг/кг, лейцин – 100 мг/кг, валин – 93 мг/кг, тирозин – 81 мг/кг, фенилаланин – 133 мг/кг. Концентрация гамма-аминомасляной кислоты (нейротрансмиттера) в зеленых кофейных зернах из Танзании варьируется от 143 до 703 мг/кг. Жареные кофейные зерна не содержат свободных аминокислот; аминокислоты в зеленых кофейных зернах распадаются при температуре обжарки до продуктов Майяра (продуктов реакции между альдегидной группой сахара и альфа-аминогруппой аминокислот). Кроме того, из соответствующих аминокислот образуются дикетопиперазины, например, цикло(пролин-пролин), цикло(пролин-лейцин) и цикло(пролин-изолейцин), которые являются основным источником горького вкуса жареного кофе. Горький аромат дикетопиперазинов ощущается при концентрации около 20 мг/л воды. Содержание дикетопиперазинов в эспрессо составляет примерно 20–30 мг, что обуславливает его горечь.
Углеводы
Углеводы составляют около 50% сухого веса зеленых кофейных зерен. Углеводная фракция зеленого кофе представлена преимущественно полисахаридами, такими как арабиногалактан, галактоманнан и целлюлоза, которые способствуют пресному вкусу зеленого кофе. Арабиногалактан составляет до 17% сухого веса зеленых кофейных зерен и имеет молекулярную массу от 90 до 200 кДа. Он состоит из основных цепей галактана, связанных бета-1,3-гликозидной связью, с частыми включениями остатков арабинозы (пентозы) и галактозы (гексозы) в боковых цепях, которые обладают иммуномодулирующими свойствами, стимулируя клеточную систему защиты (Th1-ответ) организма. Зрелые коричневые или желтые кофейные зерна содержат меньше остатков галактозы и арабинозы в боковых цепях полисахаридов, что делает зеленые кофейные зерна более устойчивыми к механическим повреждениям и менее растворимыми в воде. Молекулярная масса арабиногалактана в кофе выше, чем в большинстве других растений, что улучшает клеточную защиту пищеварительного тракта по сравнению с арабиногалактаном с меньшей молекулярной массой. В зрелых коричневых или желтых зеленых кофейных зернах присутствуют свободные моносахариды. Свободная фракция моносахаридов содержит сахарозу (глюкофруктозу) в количестве до 9000 мг/100 г зеленых кофейных зерен арабики, и 4500 мг/100 г – в робусте. В зеленых кофейных зернах арабики содержание свободной глюкозы составляет 30–38 мг/100 г, свободной фруктозы – 23–30 мг/100 г, свободной галактозы – 35 мг/100 г и маннитола – 50 мг/100 г сухих кофейных зерен соответственно. Маннит является мощным антиоксидантом, нейтрализующим гидроксильные радикалы, образующиеся при перекислении липидов в биологических мембранах.
Липиды
Липиды, содержащиеся в зеленом кофе, включают: линолевую кислоту, пальмитиновую кислоту, олеиновую кислоту, стеариновую кислоту, арахидоновую кислоту, дитерпены, триглицериды, ненасыщенные жирные кислоты с длинной цепью, эфиры и амиды. Общее содержание липидов в сушеном зеленом кофе составляет 11,7–14 г/100 г. Липиды присутствуют на поверхности и во внутренней матрице зеленых кофейных зерен. На поверхности они включают производные карбоксильной кислоты – 5-гидрокситриптамиды с амидной связью с жирными кислотами (ненасыщенные C6–C24), составляющие до 3% от общего содержания липидов или 1200–1400 микрограммов/г сушеных зеленых кофейных зерен. Эти соединения образуют воскообразный покров на поверхности кофейных зерен (200–300 мг липидов/100 г сушеных зеленых кофейных зерен), защищая внутреннюю матрицу от окисления и насекомых. Кроме того, такие молекулы обладают антиоксидантной активностью благодаря своей химической структуре. Липиды внутренней ткани – триглицериды, линолевая кислота (46% от общего количества свободных липидов), пальмитиновая кислота (30–35% от общего количества свободных липидов) и эфиры. Зерна арабики содержат больше липидов (13,5–17,4 г липидов/100 г сушеных зеленых кофейных зерен), чем робусты (9,8–10,7 г липидов/100 г сушеных зеленых кофейных зерен). Содержание дитерпенов составляет около 20% липидной фракции. Дитерпены, содержащиеся в зеленом кофе, включают кафестол, кахвеол и 16-O-метилкафестол. Некоторые из этих дитерпенов, как показано в экспериментах in vitro, защищают ткань печени от химического окисления. В кофейном масле из зеленых кофейных зерен дитерпены этерифицированы насыщенными жирными кислотами с длинной цепью.
Нелетучие хлорогеновые кислоты
Хлорогеновые кислоты относятся к группе соединений, известных как фенольные кислоты, являющиеся антиоксидантами. Содержание хлорогеновых кислот в сушеных зеленых кофейных зернах арабики составляет 65 мг/г, а в зернах робусты – 140 мг/г, в зависимости от времени сбора урожая. При температуре обжарки разрушается более 70% хлорогеновых кислот, оставляя остаток менее 30 мг/г в обжаренном кофейном зерне. 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 – это гомологичные соединения, состоящие из кофеиновой кислоты, феруловой кислоты и 3,4-диметоксициннамовой кислоты, соединенных сложноэфирной связью с гидроксильными группами квинной кислоты. Антиоксидантная способность хлорогеновой кислоты выше, чем у аскорбиновой кислоты (витамина С) или маннитола, являющегося селективным поглотителем гидроксильных радикалов. Хлорогеновые кислоты имеют горький вкус при низких концентрациях, таких как 50 мг/л воды. При более высоких концентрациях – 1 г/л воды – они имеют кислый вкус. Хлорогеновые кислоты повышают растворимость кофеина и являются важными модуляторами вкуса.
Летучие соединения
Летучие соединения зеленых кофейных зерен включают короткоцепочечные жирные кислоты, альдегиды и азотсодержащие ароматические молекулы, такие как производные пиразинов (зеленый, травянистый, землистый запах). Вкратце, эти летучие соединения ответственны за менее приятный запах и вкус зеленого кофе по сравнению с обжаренным. Коммерческого успеха добилась компания Starbucks, создав Green Bean Refreshers, используя процесс, который в основном изолирует кофеин из зеленых зерен, но не использует настоянную жидкость из зерен. Многие потребители экспериментируют с созданием "экстракта" из зеленых бобов, заваривая зеленые кофейные зерна в горячей воде. Часто рекомендуемое время заваривания (20 минут – 1 час) извлекает слишком много кофеина, что ухудшает вкусовые качества. Время заваривания 12 минут или меньше дает более приятную жидкость, которую можно использовать в качестве основы для напитка, содержащего больше питательных веществ и меньше кофеина, чем при использовании только изолированного кофеинового экстракта. Полученный щелочной раствор можно сочетать с кислыми или фруктовыми экстрактами, с сахаром или без него, чтобы замаскировать овощной привкус экстракта. При обжаривании зеленых кофейных зерен образуются другие молекулы с типичным приятным ароматом кофе, которых нет в свежем зеленом кофе. В процессе обжарки большая часть неприятно пахнущих летучих соединений нейтрализуется. К сожалению, другие важные молекулы, такие как антиоксиданты и витамины, присутствующие в зеленом кофе, разрушаются. Были идентифицированы летучие соединения, вызывающие тошноту у человека, включая уксусную кислоту (острый, неприятный запах), пропионовую кислоту (запах прокисшего молока или масла), бутановую кислоту (запах прогорклого масла, содержится в зеленом кофе в количестве 2 мг/100 г кофейных зерен), пентановую кислоту (неприятный фруктовый вкус, содержится в зеленом кофе в количестве 40 мг/100 г кофейных зерен), гексановую кислоту (жирный, прогорклый запах), гептановую кислоту (жирный запах), октановую кислоту (отталкивающий, жирный, прогорклый запах); нонановую кислоту (слабый, ореховый, жирный запах); декановую кислоту (кислый, отталкивающий запах) и производные этих жирных кислот – 3-метилвалериановую кислоту (кислый, зеленый, травянистый, неприятный запах), ацетальдегид (острый, тошнотворный запах, даже в сильно разбавленном виде, содержится в сухих зеленых кофейных зернах в концентрации около 5 мг/кг), пропаналь (вызывает удушье, проникающий, тошнотворный), бутаналь (тошнотворный эффект, содержится в сухих зеленых кофейных зернах в количестве 2–7 мг/кг) или пентаналь (очень отталкивающий, тошнотворный эффект).