咖啡烘焙过程的基本化学反应

    在烘焙过程中发生了很多热与化学反应：去碳酸基，奎宁酸的脱水，细分，异构化，聚合，以及复杂的糖反应(焦糖化)。主要的热反应的组件有：单糖和蔗糖、绿原酸、流离氨基酸，以及葫芦巴酰胺。多糖中的aravinose和calactose都被转移，基本的硫化处理包含了羟氨酸分解。碳水化合物同时被聚合及分解，视烘焙的程度，20-30%的多糖会被分解，释放出热不稳定的单糖。

    蔗糖: D-葡萄糖和D- fructosyl 各一半构成的双糖

    蔗糖是咖啡中主要的糖。纯结晶蔗糖的熔点是320-392华氏度(160-200摄氏度),公认的熔点是 370华氏度(187.8摄氏度)。退化的干蔗糖的熔点可以低至194华氏度(90摄氏度)，并随着脱水和浓缩，糖开始分裂成糖苷结合物。 在338和392华氏度(170和200摄氏度)之间，焦糖化反应开始。正是在这一点上,水和二氧化碳破裂，由此造成的出气造成一爆。这些都是化学反应，发生在大约356华氏度(180摄氏度)，这是放热反应。有件非常重要的事是，一旦焦糖化反应开始，咖啡不能放热(散热)，否则咖啡的杯中表现会尝起来有"烤"(baked)的味道。一个可能的解释是, 正在加热的咖啡豆子放热，会中断长聚合链，并使得断掉的长链连接到其它成份。蔗糖和后来转化成的成份，或是焦糖化反应，都由水，氨，以及proteinatious物质的存在而决定。重度的烘焙会比轻度的烘焙表现出更高程度的焦糖化反应。焦糖化反应的程度是一个评量烘焙的很好的标准，而且分辨率很高。

    纤维素: 无水的长线性聚合物(A Long Linear Polymer of Anhydroglucose Units)

    纤维素是咖啡细胞壁的主要纤维。 这是局部有序(结晶)，局部无序(无定形/非晶)。非晶区域很容易受影响并易于起反应，但结晶区域紧密堆积并且氢键结合，几乎是完全行不受影响的。天然纤维素，或者叫纤维素I，当被加热时被转换成同质异像体纤维素III和纤维素IV。咖啡的结构是一个很发达的矩阵，这提高了质量的一致性，并可以在烘焙的过程中有助于热量的均匀传播。纤维素在咖啡中的存在形式为嵌入在木质纤维素中(一种无定形矩阵，包含半纤维素和含纤维素的木质素)，这些物质组成了矩阵单元壁(细胞壁)。半纤维素酶(hemicellusloses)是由分岔糖及糖醛酸组成的多糖。木质素是特别值得注意的,因为它是一个高度聚合的芳香物质。当分布温度超过446华氏度(230摄氏度)，且豆子表面温度超过536华氏度时(280摄氏度)，细胞壁发生了严重的损坏。(发生这一变化)实际的温度会因其它要素的不同而改变。与深度烘焙有关的第二爆，就是这个矩阵的破裂，可能同时伴随着木质素和其他芳香烃的挥发。在受控制的焙烧条件下，豆子的环境温度绝不应超过536华氏度(280摄氏度)。一个稍宽些的安全界线应该将最高环境温度限制为 520华氏度(271.1摄氏度)。这些温度限制可以尽量减少对细胞矩阵的破坏，并能提高杯中表现的复杂性，提高焙烧产量以及产品货架生命周期。

    葫芦巴酰胺(Trigonelline): 咖啡中发现的一个含氮基(A Nitrogenous Base)
   
    葫芦巴酰胺是百分之百溶于水的，所以最后会出现在(咖啡)杯中。胡芦巴酰胺产生过度苦味的最主要的成份。当豆子温度在445华氏度时(229.4摄氏度)，大约85%的葫芦巴酰胺会退化。豆子温度在这个温度点时，豆子表现为中等深度的烘焙。对于更浅些的的烘焙会有更多的葫芦巴酰胺，因此会(尝到)苦味，但是在这个温度时被焦糖化的糖也比较少。焦糖化的糖在杯中表现比未焦糖化的糖甜度要差些，所以当适当地烘焙时，这两种成份可以互相衬托，使味道更好。纯结晶的葫芦巴酰胺的熔点在424华氏度(217.8摄氏度)，葫芦巴酰胺在大约378华氏度(192.2摄氏度)时开始退化。葫芦巴酰胺的退化是确定最佳反应比率的关键控制标志之一。

    奎尼酸：羧基酸组群的会员

    奎尼酸的纯结晶体的熔解从325华氏度(162.8摄氏度)开始，远低于与烘烤环境的温度。奎尼酸是水溶性的，表现为些微的酸溜溜(不是发酵豆的那种坏味道)和锐利的性质，它赋予了杯中表现以更多的特性和复杂度。令人惊讶的是，它也给杯测的回味带来了干净的口感(it adds cleanness to the finish of the cup as well)。在烘焙温度下它是一个稳定的化合物。

    烟酸: 羧基酸组群的会员
   
    烟酸的纯结晶体的熔解从457华氏度(236.1摄氏度)开始。天然烟酸与多糖纤维素结构捆绑在一起。在烘焙过程中烟酸衍生出可溶性的形式。不论任何程度的烘焙，高等级的烟酸总是与好的杯中表现相关。因为这是100%可溶性的，它终将呈现在杯中。烟酸有助于良好风味的酸度以及干净的回味(clean finish)。 它的衍生率是一个关键控制标志，可以用来确定最佳反应率的温度，以及化学传播率(chemistry propagation rates)。此外，熔解的烟酸与其它组份的交互作用可以显著增加深烘焙咖啡(杯中表现)的亮度。

    环境温度

    烘焙环境的温度决定了特定类型的化学反应的发生。有一段温度窗，(在这个窗内的烘焙)会产生良好风味的反应，并产生理想的杯中表现。温度值超出这个窗口会对经典的杯中表现呈负面影响。即使温度的值在窗口内，不同的温度仍会改变杯中表现的特性，这就给烘焙师以空间来开发个人的风格或是某种想要的风格，或是驯服某种咖啡中粗矿的个性，同时仍能把相关的质量控制到最佳。

    系统能量
    在任何给定的环境温度下，能源量(BTU)和烘焙系统的传输效率将决定特定的化学变化发生的速率。能量和转输率都较高的话，反应会进行得较快。反应速率也有一个窗口，在此窗内可以最优化杯中表现的质量。这被称为最佳反应速率，简称为 BRR。

    最佳反应速率 (BRR)

    最佳的杯中特征产出于这样的时间：葫芦巴酰胺降解与烟酸衍生的比率保持线性。这个反应速率的控制模型是时间/温度/能量的关系。环境温度(ET)确立了所期望的化学反应发生的高温分解区，而能量值(BTU)和系统传递效率(STE)确定了反应传播的速率，以及烟酸衍生与胡芦巴酰胺退化的比例的线性。因为绿豆子的密度变化很大,在任何给定的ET / BTU / STE格式下，反应的分布会有所不同。对于高密度的豆子，需要较长的时间来得到有可比性的一致性。在烘焙的这一阶段，监测豆子温度是一个很好的让反应分布类似的方法。理想的环境温度，ET，为了得到最好的反应比，BRR，是从401～424华氏度(205～218摄氏度)，405华氏度(207.2摄氏度)是默认值。所需的BTU由该系统的传输效率，或者说，把能量传输给豆子的能力，来确定。

    最高环境温度 (MET)

    建立理想烘焙的热环境协议是一个平衡点。尽管期望是能够在反应的目标达到前一直维持BRR温度及能量水平，BRR温度会远高于蔗糖的焦糖化温度。因为许多烘焙系统使用简单的温度调节机理，这些系统会表现出热滞后效应，所以一定要很小心，不要让咖啡放热。另外，限制最高环境温度，MET，也是很重要的。如前所述，保持纤维素矩阵的结构完整性的是十分重要的。较低的温度可减少成分的表面蒸发，使那种将成分吸到表面并挥发掉的毛细管现象降到最小。液压作用，一个与豆子温度直接相关的内部压力的作用，已经在起作用了。通过限制的最高温度，损失会被最小化，咖啡的精华会被保留。因此, MET不应超过520华氏度(271.1摄氏度)。这个烘焙系统基于MET的值，即实际最终的豆子，或是说下豆温度，和烘焙的程度相关。