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NMR测量的焙烤时间对咖啡冲泡的感官和化学成分影响 上

NMR测量的焙烤时间对咖啡冲泡的感官和化学成分影响 上


焙烤时间对咖啡冲泡的特征、化学影响及DHS等(下


DHS-GC-MS

Jesper  Alstrup1*Mikael  Agerlin Petersen 2Flemming Hofmann Larsen 2和MortenMünchow1

1. CoffeeMind,Hansstedvej 35,丹麦Valby2500;morten@coffee-mind.com

2. 哥本哈根大学理学院食品科学系,Rolighedsvej 26,1958年,丹麦腓特烈斯贝格C;

3.  map@food.ku.dk(硕士); qcpmg1968@gmail.com(F.H.L.)

    * 通讯:jesper@coffee-mind.com


 

收到:2020年10月19日;接受:2020年12月1日;发布时间:2020年12月3日



 

摘要:特种咖啡行业正在发展,因此,人们对调制烘焙配置文件以向客户提供新的和多样化的感官体验的兴趣日益浓厚。本研究调查了咖啡烘焙过程开发时间阶段中细微变化的化学和感官效果。通过感觉描述分析(DA),气相色谱-质谱(GC-MS)和核磁共振(NMR)研究了四种烘烤曲线。多变量分析显示DA,GC-MS和NMR数据的清晰分离。延长的开发时间促进了咖啡化学和感官特性的统计上显着变化。研究结果表明,较短的显影时间可增加咖啡的果味,甜味和酸性特征,而较长的显影时间则会使咖啡的平衡朝着更加烘烤,坚果和苦的方向发展。结果提供了支持微妙的烘烤轮廓调制效果的证据。这为将开发时间作为关键控制参数纳入特种咖啡协会的认证系统,质量控制和产品开发策略奠定了坚实的基础。

 

关键词:咖啡烘焙;特色咖啡;烘烤概况开发时间;咖啡化学;感官评估




1. 介绍 

在过去的几年中,对特色咖啡的兴趣一直在稳定增长,一些较小的咖啡馆和咖啡烘焙店正在进入市场[1]。越来越多的知名度导致人们专注于在生产链的每个步骤(包括烘烤过程)中优化质量。咖啡豆的烘焙对于赋予最重要的风味特征至关重要,这是复杂的化学反应和咖啡豆物理结构变化的结果[2]。烘焙配置文件设计中注重细节是开发多样化和独特感官体验的必要条件,这在特种咖啡市中是非常需要的[3]。

烘焙过程中存在无限的可能性,并且烘焙的各种时间-温度关系可能会导致咖啡冲泡的最终风味发生明显变化。该行业当前的趋势是围绕咖啡的轻烤,以突显咖啡固有的感官特性,例如风土。这自然会降低对烤制程度的注意力,并将焦点转移到其他变量,例如在不同阶段以最佳方式对过程进行计时。烤制轮廓设计中最基本的概念之一是开发时间,即重要性。

 

其中已经在作者的先前工作中显示[4]。此阶段的定义是从第一裂纹处的豆子释放蒸汽压力的爆裂声到烘烤终止点的时间跨度。于烘焙过程中释放出蒸汽,因此咖啡豆材料在烘烤过程的这一阶段特别容易受热。这会使豆类材料变干,从而使褐变反应发生得更快,从豆类材料的表面移动到中心[5]。因此,控制烘烤过程的这一阶段成为开发优质品尝产品的关键部分。但是,这一概念在学术文献中仍然被忽略。


自称的烘焙专家教授了有关各种时间调整的风味影响的几种理论,并为社区所普遍接受。仍需要建立足够的证据基础,以为行业内的专业人员和教育系统提供支持。化学反应动力学的基本规则是,较高的温度会增加反应速率[6],这是焙烧炉用来控制焙烧过程的原理。通过变化的时间-温度关系可以达到相似的烘烤度,但是,据作者所知,以前没有研究隔离出特定相位调制的影响,例如显影时间。典型的烘焙研究已经研究了在烘焙过程中应用不同的设定时间-温度关系来改变杯子中的化学成分和潜在风味的效果[7-11]。以y温度指定x时间的等温条件的方法可以实现一种清晰而系统的样品开发方法,但可能会冒着过度简化烘焙过程的风险,这与特种咖啡烘焙机的实际工作相去甚远。通常,烘焙主从接近燃烧器(热源)的最大功率输出开始烘焙,然后逐步降低功率输出,以随着烘焙的进行减褐变反应的速度。研究方法和焙烧炉实际工作之间的巨大分歧可能会降低科学研究在适用于特种咖啡焙烧炉工作方面的相关性。因此,本研究专门针对开发时间调制,与整体开发相比,调制时间似乎对风味开发具有更高的影响烘烤时间[4]。

本研究旨在通过调查调制烘烤时间如何影响咖啡冲泡的感官特征和化学成分来研究特种咖啡行业及其实践,如通过核磁共振(NMR)和动态顶空进样与气体结合测量色谱-质谱(DHS-GC-MS)。关于精细调制的影响的知识,就化学化合物的形成以及饮料的感知风味的变化而言,是特种咖啡行业的主要兴趣所在。这项研究需要提供证据,以使烘焙师对其工艺具有必要的信心,并为特种咖啡行业的产品开发,质量控制程序和教育系统提供坚实的研究基础。


2. 材料和方法

2.1. 咖啡样品制

CoffeeMind Aps通过Kontra Coffee A /S 提供了未经烘焙的生咖啡样品。这些豆类来自哥伦比亚(Juan Guillermo Henao,Marsella),100%阿拉伯咖啡,并通过水洗方法进行了加工。生长高度在海拔1200–1800 m处,并且豆类的水分含量为10%,密度为880 g / L(SINAR 6070 Grainpro),并且豆类的筛网尺寸为17。在Probat Probatino上进行样品烘烤(Probat-Werke,莱茵河畔的Emmerich,德国)1公斤鼓式烘烤机。使用Cropster©焙烧软件(Cropster®,萨克拉门托,CA,美国)同时记录焙烧概况数据。使用Javalytics在Agtron中测量最终的烘烤颜色

®模型JAV-RDA-D(麦迪逊仪器公司,美国威斯康星州米德尔顿)进行了三次精细复制研磨咖啡。

烘焙配置文件专门针对开发时间调制,即从第一次破解到烘焙终止的不同烘焙速度。烘烤的初始阶段,直至出现第一个裂纹,并且所有样品的烘烤度在所有烘烤之间都相似,因此将显影时间隔离为轮廓之间的唯一差异。


         图1说明了四个烘烤曲线的时间-温度关系。第一次烘烤大约在570 s发生。超过此点的曲线斜率是本研究和烤制轮廓开发的重点。因此,调制的确很细微,尽管第一次破裂后的烘烤时间差异很大,但烤豆在外观上看起来是相同的。这四个曲线表示在给定的烘烤度下,从最快到最慢的潜在开发时间调制的频谱。

研究中包括的烘烤曲线.png


1.研究中包括的烘烤曲线。该图说明了快速中等缓慢烘焙的时间-温度条件。第一次烘烤大约在570 s时出现。


        可以用多种方法来定义烘烤程度,包括减少豆的重量,颜色或选择的化学指示剂[12-15]。这项研究测量了最终豆色所指示的烘烤程度,以说明各种时间-温度关系。本研究选择Agtron 76±1的“中等”烘烤度。烘烤之间的颜色偏差被最小化,因为先前已经证明烘烤颜色对风味有显着影响[16]。偏差为1,这对应于Javalytics®颜色分析仪的固有变化。尽管烘烤持续时间有很大差异,但仍需调整每个烘烤的最终温度,以保持相同的烘烤程度。先前其他作者已经描述了烤色显影的详细动力学[17]。对于本研究,快速烘烤在204.1°C下结束,中度在201.2°C下结束,慢速在198.4°C下结束并在191.1°C烘烤。


在进行感官评估之前一周,就生产了烘焙咖啡样品。指的是特定样品的显影时间,这些样品分别命名为Fast,Medium,Slow和Baked。 烘焙是指咖啡中常见的一种烘焙缺陷,即第一次破裂后的时间急剧延长,温度几乎没有升高甚至没有升高[16]。开发时间的范围从快速配置文件中的90到烘焙配置文件中的390 s。中度和慢速烘烤的开发时间分别为143和266 s。


 

        2.2. 感官评估

       2.2.1. 酿造

同时冲泡这四个咖啡样品,以确保饮料温度相似。冲泡程序遵循美国特种咖啡协会(SCAA)的标准,即在95℃下将5.5 g咖啡加100mL水[18]。咖啡在1.5升隔热的Bodum®Steel法国压力机(Bodum®,Triengen,瑞士)中调制,然后分装在杯子中,以确保在感官评估中三个重复样本之间具有相似性。同时将所有需要的咖啡研磨并混合,以防止对单个份量的潜在缺陷豆产生任何影响。总共向法国压榨机中添加了75克(±0.5克)研磨咖啡,以及1350克(±5克)95℃的水。将啤酒浸泡3:30分钟,然后将其搅拌10次,脱脂,最后,

4:00分钟按下柱塞。然后将冲泡的啤酒转移到热水瓶中,然后倒入评估表上的三位数编码杯子中。当咖啡冷却至55℃时就开始了评估,尽管消费者倾向于将消耗温度提高到60℃以上[19,20]。从较低的温度开始降低了烫伤的风险,并且已被证明可以在较高的温度下在微妙的风味和强烈冲击的烧烤风味之间提供更好的平衡[21]。

2.2.2. 小组评估

在奥斯陆举行的2017年北欧焙烧炉论坛上,招募了46位经验丰富的咖啡品尝师作为参与者。按照良好的感官规范[22]进行描述性感官分析,以评估预定义描述符的强度。这些是根据CoffeeMindAps未发布的结果以及咖啡专业人士熟悉的一般熟悉的概念选择的。评估票包括甜度,酸度,苦味,身体,涩味,烤,坚果+巧克力,水果+浆果和清洁杯。进行了简短的校准会议,以使基本口味,口感和香气的概念保持一致。向参与者介绍了每个描述符和参考资料的定义,以促进评估人员之间通用的词汇表和描述符的理解。有关详细信息,请参阅附录A。尽管参与者以前曾有过评估表的经验,但还是简要介绍了15分制量表的使用。参与者不知情,只给出了有关如何进行评估的必要信息。

评估是以传统的杯形形式进行的,评估人员将少量给定的样品放在杯形勺子上,迅速将咖啡制成浆状以充气,最后在评估表上注明感知到的风味。将评估者分为六组,并为每组建立拔罐表,将所有3位数字编码的样本一式三份。测试现场被隔离,以防止来自准备区域的干扰并确保参与者的视线。提供去皮黄瓜,白色吐司面包和室温水形式的味觉清洁剂。评估表是通过数字方式创建的,以使评估者可以通过其智能手机执行评估。说明包括按照个人随机分配的顺序,不与其他小组成员互动,使用上颚清洁剂,并且仅用拔罐勺中的2–3口品尝每个杯子一次。

感官数据的统计分析是在RStudio V1.1.463和PanelCheck V1.4.2中进行的。进行了方差分析(ANOVA),以调查样品之间感官属性的显着差异。进行了Tukey的事后测试,以调查其中哪些样本之间存在显着差异。

2.2.3.核磁共振方法

通过将250µL咖啡冲泡液与250 µL磷酸盐缓冲液(离子强度200mM; pH 3.55)和55µL含D2O的溶液混合,在5mm(外径)NMR管中制备用于NMR分析的样品。5.8毫米TSP-d4。根据第2.2.1节中所述的方案制备咖啡冲泡剂。

核磁共振分析是使用Bruker AvanceDRX 500(11.7T)光谱仪(德国莱茵施泰滕)在Larmor频率为500.13MHz的条件下运行1H,采用双调谐反向检测BBI探针进行的。使用zgcppr脉冲序列[23]在298K下进行一维1HNMR实验。对于每个样品,使用5s的循环延迟,10,000 Hz的光谱宽度和1.63s的采集时间记录一次由128次扫描组成的测量。所有光谱均以0.0 ppm的TSP-d4参比1小时。

所有1DNMR光谱均在Topspin4.0中进行处理。使用内部Matlab(版本8.3.0.532,美国马萨诸塞州内蒂克市的MathWorks®)程序以及先前对咖啡的研究发现的结果,确定各种分析物的浓度[24,25]。

2.4. 动态顶空采样和GC-MS方法

按照第2.2.1节中所述的方法制备咖啡,并在冲泡机上进行动态顶空采样(DHS)。对冲煮的咖啡而不是干燥的咖啡进行香气采样是为了提高DHS-GC-MS和感官评估结果比较的有效性。进行了DHS的三个重复。将20 mL准备好的咖啡转移到100 mL气体洗涤瓶中,然后加入1 mL 4-甲基-1-戊醇的5 ppm水溶液作为内标。将烧瓶放在37℃的循环水浴中,并在磁力搅拌(200 rpm)下用氮气(100 mL min-1)吹扫20分钟。在含有200 mg Tenax-TA(网眼大小为60/80,Markes International,Llantrisant,英国)的阱中收集挥发物。吹扫后,用干燥的氮气流(100 mL min-1持续10 min)从阱中除去水。

使用自动热脱附装置(TurboMatrix 350,Perkin Elmer,Shelton,CT,USA)使捕获的挥发物脱附。通过将捕集阱加热至250℃,并用载气流(50 mL min-1)进行15.0min进行初步脱附。汽提的挥发物被捕集在Tenax TA冷阱(30 mg,保持在5℃)中,然后在300℃加热4分钟(二次解吸,出口分配比为1:10)。这样就可以通过加热(225°C)将挥发物快速转移到GC-MS(7890A GC与带有三轴检测器的5975C VL MSD接口的三轴检测器,来自安捷伦科技公司,帕洛阿尔托,美国加利福尼亚州圣塔克拉拉)线。

挥发物的分离在ZB-Wax毛细管柱上进行(长30 m,内径0.25 mm,膜厚0.50 µm)。使用氢气作为载气,色谱柱压力保持恒定在2.3 psi,导致初始流速为1.4 mL min-1。柱温程序为:30℃下10分钟,8℃min-1下从30℃到240℃,最后在240℃下5分钟。质量

光谱仪在70 eV的电子电离模式下运行。扫描了15到300之间的质荷比。使用基于PARAFAC2的软件PARADISe(哥本哈根大学,哥本哈根,丹麦)从色谱图中提取峰面积和质谱,并使用NIST05数据库鉴定质谱。峰面积除以内标物的面积用作浓度的相对量度。通过与真实参考化合物的保留指数(RI)或文献中报道的保留指数进行比较,可以确认挥发性化合物的鉴定。

DHS-GC-MS数据的统计分析在JMP14.0.0(美国北卡罗来纳州卡里的SAS Institute Inc.)中进行。对确定的峰进行单向方差分析,以研究化合物在样品之间是否存在显着差异。进行了Tukey的事后测试,以调查其中哪些样本之间存在显着差异。

3. 结果

3.1. 感官评估

总共完成了46次完全答复。表1列出了每个描述符的平均强度等级,ANOVAp值和Tukey的测试结果。评估结果显示,开发时间对除Body之外的每个描述符具有统计学上显着(p <0.001)的影响。


1.每个描述符和样本的平均感官评估得分概述。 方差分析假定值报告在右中。 图基的事后分析的结果以字母表示。不同的字母表示样品之间的显着差异。

 

每个描述符和样本的平均感官评估得分概述.png



快速样本的酸度水果+浆果清洁杯属性在统计上得分高得多。从统计学上讲,烘焙的开发时间越长,其对涩味,苦味,坚果+巧克力和烤味的认识就越明显。发现在较短的开发时间内,甜度最高。考虑到细微的调制和相同的烘烤度,差异是巨大的。 

在几个描述子之间观察到高度的协方差,表明通过调节烘烤过程中的显影时间对风味产生一维影响。应该质疑专家组是否能够区分看起来高度相关的某些描述符,即逻辑错误[26],或者属性是否确实以相同的方式进行调制。但是,这些效果在某种程度上是可以预料的,因为烘烤曲线的显影时间调制自然是一维参数。

正如特种咖啡行业中普遍认为的那样,身体似乎不会随开发时间而变化。身体是专业人士描述咖啡的感官印象时使用的核心概念之一,特别是在烘烤轮廓方面。本研究定义了身体的概念,并提供了参考资料(附录A)以促进参与者的词汇发展和校准,但在评估中未发现差异。长期以来,人们一直推测身体如何通过烘烤曲线进行调制[27],但是目前的发现表明,发育时间对调制感官属性没有影响。尽管在面板上为词汇发展做出了努力,但描述符的难解性很可能导致难以找到显着差异。如CoffeeMind的内部研究所表明的那样,个人对身体的理解在行业中很普遍,这会导致感觉评估上的复杂性。缺乏对齐方式有望反映为数据的不一致性,这在其他描述符中也已发现[28]。

当前特种咖啡的趋势强调了咖啡中高水平的酸度和果味的发展,这受到快速烘焙的青睐。有趣的是,由于从咖啡豆表面到中心的焙烧程度在理论上更为明显,因此传统上将极快的焙烧视为焙烧缺陷。相比之下,烤制烤制似乎具有类似于深色烤制的特征。这些通常会增加苦味,伴有烤焦甚至烧焦的味道[7]。

3.2. 核磁共振

NMR研究表明,咖啡调制的化学成分发生了实质性变化,这是由于调制了烘烤时间造成的。在四个样品中鉴定出十二种不同的化合物。鉴定出的化合物存在于所有四个样品中,但浓度存在显着差异。表2列出了四种咖啡样品中鉴定出的化合物及其变化。通常,快速分析物的总浓度较高烘焙中最低,最低。鉴定出的酸显示浓度普遍下降,且显影时间延长。 

2.在通过不同焙烧曲线制备的咖啡样品的1H NMR光谱中观察到的分析物浓度(mM,不确定度+/- 0.02mM)。

NMR光谱中未发现碳水化合物,这是由于在其他化合物的3-6ppm光谱区域中出现了非常强烈的峰。检查光谱范围为4.3-5.5 ppm(碳水化合物中的异头质子的峰的区域)中未分配的峰,得出的结论是,任何碳水化合物的浓度均低于0.5 mM。通过不同焙烧曲线制备的咖啡样品.png

3.3. DHS-GC–MS

通过动态顶空进样与气相色谱-质谱联用(DHS-GC-MS)来测量显影时间调制对香气化合物的影响。从色谱图中可以提取质谱图和146个峰的面积。初步方差分析(ANOVA)表明,咖啡样品中的49个峰的水平存在明显差异,其中39个峰的保留指数可确认其同一性。表3汇总了这些化合物。其他主要气味可以识别出多少咖啡,但由于样品之间的差异不大,因此未包含在表格中。因此,该表仅包括有关特定显影时间调制的目标香气。 快速烘焙样品的化学成分差异最大,而中等慢速样品之间的差异很小。通常,更快的烘烤到达较高温度的顶部空间中的挥发物含量更高,这与作者将咖啡豆置于等温条件下一致[17]。下一节将更深入地描述这些差异。

 3.在动态顶空进样(DHS)-GC-MS分析中鉴定出的化合物的选择。表格中仅包含样品之间的平均相对峰面积有明显变化的化合物。Tukey事后分析的结果以字母表示。不同的字母表示样品之间的显着差异。


在动态顶空进样.png


1)图书馆价值来自2019年Bethesda国立卫生研究院PubChem。

 

3.4. 感官和工具变量之间的相关性

使用分析软件LatentiX 2.12版(LatentiX,腓特烈堡,丹麦)进行多变量分析。使用完全交叉验证创建了基于NMR和GC-MS数据(X,自动缩放)和感官数据(Y)的偏最小二乘(PLS)模型,以研究感官属性与化合物之间的相关性。前两个分量足以解释85%的方差。大部分变化是由成分1(76%)解释的,该成分沿x轴产生了清晰的分离,如图2的Bi图所示。烘焙快速,对应于烘焙配置文件的极端值。 具有烘焙样本的特征,而快速具有细微差异,但相关性很高。


 

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来源于:MDPI




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