咖啡先生的部落格

啡的化學組織及其變化

咖啡能在百年內流傳全世界，成為世界性飲料，自有其吸引人的特質存在。在所有飲料中，咖啡可以說是最具藝術性、技巧性、變化性與爭議性的食品，而形成這些特質的主要關鍵在於化學組成及加工處理時所產生之化學變化，因此咖啡的化學組成及加工過程中所產生之化學變化為研究咖啡、瞭解咖啡最重要的基本知識。
咖啡之所以能在短期之內流行全球，主要在於咖啡特有的香氣特質，這些香氣的產生則完全來自咖啡本身所含的成分，經過焙炒及調製過程而產生，並未添加任何添加物。由於各種咖啡豆具有不同的組成分及可能之不同加工製程，因此形成了不同的香氣特質及口味，如藍山、曼特寧、巴西及哥倫比亞等各具特色之咖啡飲品。雖然焙炒及萃取的方法各有所異，但不同之特質呈現，仍在於咖啡不同的組成分。

水分 ：咖啡豆之水分含量隨不同加工階段及產品，而有很大的差異，含膜的潮濕咖啡豆之水分含量約為50﹪，而 乾燥之生咖啡豆約為10﹪~13﹪，焙炒過的咖啡豆水分含量僅約5﹪。水分在咖啡豆之存在，與他種食物及飲料一樣，因含有相當量的水化膠體性大分子物質，如蛋白質及多醣類等，使水分以多種不同的物理及化學結合的方式，存在咖啡豆中。
由噴霧乾燥或冷凍乾燥法所製成之凝聚化或未凝聚化即溶咖啡粉的水分含量最少，一般都低於3﹪。即溶咖啡粉的吸濕性極強，也導致測試上的困難，基本上可用真空乾燥法來加以測試。ISO標準方法及英國、德國和法國的標準方法均緣於真空乾燥法。

礦物質 ： 礦物質在咖啡豆中的含量雖較少，約佔生咖啡豆乾物重的4﹪，但卻很重要。它含有多種不同的元素，其中以鉀的含量為最多，約占所有礦物質量的40﹪，其次為鈣、鎂、磷、鈉及硫等。其他尚有許多含量在ppm層次的微量元素，如鋅、錳、銅、銣等33種以上。咖啡豆中所含礦物質並不能用來表示咖啡或咖啡粉製品的含量 ，後者在調製或加工過程中都有水的添加，會受到水質的影響而產生不同的變化。此外，影響生咖啡豆之礦物質含量及種類之最重要因素為土壤及栽培過程中施肥的狀況。
在咖啡的調製過程中，至少有90﹪的礦物質可從焙炒咖啡豆中被抽出，而在即溶咖啡的製程中，其粹取率更高，幾乎99﹪的鉀可被粹取出，因此鉀或其他礦物質含量和咖啡可溶物產率間的關係，可用來評估咖啡的粹取率。

碳水化合物 ：咖啡豆中所含的碳水化合物可以分成多醣類及低分子量糖類來加以說明，後者包含單、雙及三糖類等碳水化合物。此外，又可以分成還原糖及非還原糖。也含有一些衍生物，如果膠等。碳水化合物對於咖啡的貢獻在於味道、香氣及顏色。在風味方面，碳水化合物不僅本身經過焙炒之後，會散發咖啡香氣，同時也會吸附揮發性香氣，使咖啡呈現特殊的風味。
低分子量糖類 ：蔗糖是生咖啡豆中最主要的游離態糖類，其含量依品種、 來源及成熟度而異。一般而言，arabica咖啡豆所含蔗糖量較 robusta咖啡豆為高；生咖啡豆抽出液中亦可測得他種簡單的糖類，包括還原糖。生咖啡豆中也含有葡萄糖及果糖，arabica的含量較，robusta的含量為低；此外arabica的總還原糖亦低於robusta。
咖啡豆在焙炒以後，低分子量糖類的變化依焙炒程度之不同而有所差異，以蔗糖的損失最為快速，其輕度焙炒之損失率為97%，中度為99%，重度焙炒為100﹪。其他如葡萄糖、果糖及阿拉伯糖等，也都有相當程度的損失。
一般即溶咖啡粉含少量的阿拉伯糖、牛乳糖及甘露糖，並含微量的蔗糖、核糖及木糖，有時也可發現極其微量的葡萄糖及果糖，因此由葡萄糖及果糖的存在，可以用來研判是否添加菊苣(Chicory)。
多醣類 ：多醣類是生咖啡豆中很重要的組成分，約佔乾物量的40% ~ 50﹪。依種類來分，則有聚合半乳糖、聚合廿露糖、聚合阿拉伯糖及纖維素，這些都是構成咖啡豆質體的物質，且與咖啡豆的硬度有關。
多醣類在經過焙炒以後，仍會有相當量的保存，根據一項研究所得之數據發現，不同焙炒程度間之差異並不很大，其保留率在70﹪~ 75﹪之間，其中又以纖維素的保留率最高，聚合阿拉伯糖最低。
在抽出方面，會有部分多醣類被抽出，依溶劑種類之不同而異，以水粹取出時，粹取較多的是阿拉伯糖、半乳糖及部分甘露糖之聚合多醣類。
果膠及木質素 ：果膠是由多種多醣類所結合而成的物質，其主要組成分為半乳糖酸之聚合物、俊糖酸及鼠李糖等，其含量達3﹪以上。木質素是植物體利用硫酸及苛性鹼處理後所剩餘的不溶性殘渣，亦即所謂的咖啡纖維，其含量約為2.4﹪

含氮化合物 ：生咖啡豆中所含之含氮化合物可區分成植物鹼、葫蘆巴鹼（Trigonelline)、菸鹼酸、蛋白質及游離氨基酸等，分述如下：
植物鹼 ：主要為咖啡因(Caffeine)，在生咖啡豆中之含量，因品種上之不同，有很大的差異。以robusta的含量較高，平均約為乾物量的2.2﹪，arabica的含量較少，平均約1.2%左右。近年在爪哇及象牙海岸已栽培出低咖啡因品種的咖啡豆，其咖啡因的含量僅為0.2﹪。咖啡。咖啡因可以利用多種方法加以去除，製成各種去咖啡因製品，去咖啡因即溶咖啡粉之咖啡因含量為0.3﹪以下，一般商品都控制在0.1﹪ ~ 0.2﹪之間。咖啡因可以說是咖啡的精神所在，也是最受爭議的事項。
咖啡因雖然沒有異臭味，但具有顯著的苦味。雖然有人想利用咖啡苦味程度之有無相同來判斷咖啡因含量之多寡，但並未能完全成功，因為咖啡因的苦味僅占咖啡苦味的一小部分，因此對於去咖啡因咖啡的苦味並未有太多的影嚮。
咖啡因在被人體消化以後，可快速的被吸收及代謝，並藉由尿液中排出。咖啡因在人體血液中含量的增高狀況，依胃中含量而定。咖啡因對人體生理效應最顯著的作用是對於中樞神經的刺激作用，至於對腦部活性產生變化所需劑量極高，比一般正常攝取量高出許多，其他較受人矚目的生理效應為對於血壓、心臟血管的影嚮等問題。

葫蘆巴鹼(Trigonelline) ：葫蘆巴鹼是具有吸濕性的無色結晶，在水中的溶解性極佳，它也具有低程度的生理作用，主要為中樞神經系統、膽汁之分泌及腸道之蠕動。
葫蘆巴鹼直接對咖啡品質所造成的影響是很微小的，其苦味僅為咖啡因的四分之一，由於它的存在量很少，因此對於口味上的影嚮並不很大。在生咖啡豆中的含量，依品種之不同而有所差異，arabica的含量較robusta高。葫蘆巴鹼在焙炒過程中會快速分解，其損失率約在50﹪~ 80﹪之間，依焙炒溫度及時間之不同而異。另葫蘆巴鹼會分解產生多種化合物，包括非揮發性之菸鹼酸…等，及29種揮發性物質，這些揮發性物質中已被鑑定出有9種為孕含咖啡香氣物質。

菸鹼酸 ：菸鹼酸在生咖啡豆中的含量很少，但是在經過焙炒以後，則有增加的現象，主要的原因是它來自葫蘆巴鹼分解作用的結果。但是研究結果發現，在焙炒的高溫下，菸鹼酸會繼續分解成具有揮發性的化學物質，因此真正的增加量並不多。

蛋白質及氨基酸 ：以粗蛋白計，生咖啡豆含量約13﹪~ 16﹪，若扣除咖啡因及葫蘆巴鹼等含氮化合物，真正蛋白質的含量約為8.8﹪~ 9.7﹪。生咖啡豆中也含有多種酵紊，如脂肪分解酵素、蛋白質分解酵素、醣類分解酵素、半乳糖水解酵素及過氧化酵素等 。生咖啡豆約含有0.15﹪~ 0.25﹪的游離氨基酸，robusta的含量比arabica為高，這些游離氨基酸對於咖啡風味的影饗程度較高，對於口味的影響較少。

氯原酸(chlorogenic Acidss) ： 氯原酸至少有3種以上的異構物存在，其功能主要在於咖啡植株生理調節，包括:促進生長、根莖的形成、抗菌、防病蟲害及成為木質素之前趨物等。在生咖啡豆中，robusta的含量較arabica為多，濕式加工之生咖啡豆的含量約比乾式加工法低40﹪。此物在經過焙炒以後，會經由不同的作用而消失，生成極複雜的產物，與咖啡的品質有密切的關係。

脂質 ：生咖啡豆的脂質由存在於胚乳中之咖啡油(Coffee Oil)及存在於咖啡豆外層的蠟質所組成的，咖啡油不僅含有三甘油脂，也含有相當量的其它脂質成分，它形成咖啡的特質，對於咖啡是很重要的。
生咖啡豆所含之咖啡油含量及組成分，因品種等之差異而有所不同，根據許多研究及統 計，arabica咖啡豆的平均含量 為乾物量的15﹪，標準差為0.78﹪，robusta咖啡豆之含量為10﹪，標準差為1.41﹪。

揮發性物質 ： 揮發性物質是咖啡風味的主要來源，對咖啡品質尤其重要。咖啡揮發性物質的種類繁多，其存在狀況會影響咖啡香氣品質。其主要來源為來自生豆中非揮發性物質在焙炒過程中，被切斷或經反應後所衍生而來。熱分解、其他反應或組成分間之作用，如糖類、氨基酸、有機酸及酚類化合物等之作用結果，形成咖啡特有的香氣與風味。而影響咖啡揮發性物質組成分的因素包括:咖啡豆的品種、栽培氣候、土壤條件、生豆之儲存、焙炒溫度及時間、焙炒設備等因素。
生咖啡豆並不含咖啡的特殊香氣，因此並不直接食用，必須經過焙炒後才會產生大量揮發性香氣物質。生咖啡豆在經過焙炒以後，主要的揮發性香氣成分經分析確認之種類至少有660種以上，是所有食品及飲料中揮發性香氣成分種類最多的食品，於焙炒過程中所產生的香氣如榛果味、奶油味及焦糖味或具有青草味、燻煙味、燒焦味、香辛味及苦味，多來至於可揮發性物質，另焙炒程度的差異亦會影響咖啡的風味特質。

有機酸 ： 在沖調咖啡時，酸度的表現是很重要的，在良好的條件及技巧下，可發展出酸度清爽的特殊口味，是高級咖啡必備的條件。一般而言，焙炒程度較深的咖啡豆，其酸味的發展愈少，或甚至沒有，而呈現另一種純味咖啡的特質。
生的arabica咖啡豆所含非揮發性酸包括了檸檬酸、蘋果酸、草酸及酒石酸等。經測試，並未能發現大量揮發性酸的存在。當生咖啡豆經過焙炒以後，酸的含量產生了很大的變化，其中以揮發性酸的變化最大。生豆所含之酸在經過焙炒以後，其損失率大約在15﹪左右，而較值得注意的是酸的化學變化。甲酸及醋酸在焙炒初期有增加的現象，並隨焙炒程度的增加而增加。直到焙炒末期反呈現減少的趨勢；檸檬酸及蘋果酸則隨焙炒之進行，而逐漸減少，形成其分解產物。