发酵作用 – 25 Magazine, Issue 10

发酵作用 – 25 Magazine, Issue 10

咖啡探索之旅虽然充满了波折,但是也十分有趣。

SOPHIA JIYUAN ZHANG FLORAC DE BRUYN分享了四年以来的合作研究成果,这段时期的研究目的是让人们更好地了解收割后咖啡加工过程对不同地理位置的咖啡质量所造成的不同影响。

顺着这条咖啡探索之路前行,我们看到了咖啡种子、咖啡果实、生咖啡豆、烘焙咖啡豆的形成,并且最后摆在我们眼前的是一杯煮好的咖啡,我们有幸看到了在整条咖啡价值链中,所有参与者们在每一个阶段付出的努力。每个阶段都是紧密相关的,这并不是一件奇怪的事。每个阶段都可以通过不断优化,来为顾客提供质量越来越好的咖啡。咖啡的品质通常是通过评价生咖啡豆以及煮好的咖啡质量来决定的。所有的风味前体物都被锁在了生咖啡豆中,所以这些生咖啡豆的品质与最后煮熟的咖啡质量紧密相关。

但是生产商在考虑改善咖啡质量的时候,不能忽视采摘后加工过程的重要作用。采摘后加工的主要目标就是将咖啡豆果实的外皮弄下来并且弄干咖啡豆种子,最后稳定风味前体载体,这个载体就是生咖啡豆。实现这一目标的常用方法是湿法和干法加工,其加工历史可以追溯到咖啡工业诞生的时候。与此同时,许多混合或新颖的咖啡加工方法也在其生产领域得到了普及,如著名的蜜浆法或常用的厌氧发酵法。(在发酵过程中限制氧气或减少氧气量的方法)。近年来,许多咖啡生产商在创新咖啡豆加工方法这一板块中遥遥领先,并在不同的生产领域尝试了不同的加工方法。这为人们研究咖啡加工方法和特定的加工参数对咖啡质量的影响提供了大量的实验证据。然而,还没有人能够找到严谨的科学证据来支持这个研究,我们需要在这个领域更加努力。

过去四年以来,我们一直通过布鲁塞尔自由大学(比利时布鲁塞尔)和雀巢研究公司(瑞士韦尔-切兹-莱斯-布兰科)之间的双边产业-学术研究性合作来研究咖啡的生产,我们为了解更多咖啡采摘后加工方式做出了不懈的努力。在这里,我们将重点放在与您一同分享我们在不同地理位置中不同咖啡品种的一些研究成果 – 希望您会发现这些成果同我们在旅程中做过的事情一样富有远见和令人兴奋。

微生物和代谢作用

咖啡采收后加工过程主要存在两种活动现象,一是加工环境中的微生物活动,二是咖啡内部种子代谢。加工过程的动态特性突出表现在微生物不断消耗营养物质和生产物质,以及种子对自身代谢能力的不断调整(即咖啡豆中许多不同物质的浓度分布)。在单个咖啡的生产过程中,每个步骤都存在着复杂性,这种复杂性是由各种外部因素决定的,例如温度、咖啡种类的多样性以及加工设备。

微生物几乎能够在各种环境中存活,所以在咖啡加工生态系统中也存在着微生物。微生物在其他发酵食品生产过程中发挥着至关重要的作用(见“发酵风味”),因此,微生物在咖啡加工过程中发挥着重要的作用的也就不足为奇了。甚至在加工开始之前,微生物就已经停留在咖啡果实的表面了:在接下来的加工流程里,这些微生物(尤其是乳酸菌)将会处于发酵环境中,将富含营养的植物体作为食物,这些植物体包括果肉和/或粘液。当微生物开始生长时,它们从这些植物的营养物质中产生代谢物,这些代谢物在加工环境中不断累积——这种现象被微生物学家称为发酵。令我们兴奋的是,我们发现在干湿加工过程中,发酵作用会发生在咖啡生态系统的不同部位。在湿法加工过程中,发酵作用发生在加工用水中,而在干法加工过程中,发酵则会发生在果实干燥的外皮层。有趣的是,一些在发酵过程中产生的代谢物仍然会停留在咖啡的表面,甚至在整个加工过程完成后,它们仍然留存了下来。因此,它们作为微生物的残留物黏在生咖啡上。我们将这个现象称为发酵作用。

Figure 1: Our multiphasic approach decoding the journey of coffee from cherry to cup, including metabolomic (top) and microbiological (bottom) approaches to unravel the coffee processing ecosystem, as well as the sensory evaluations of the brewed cup. For full results, see relevant research papers.

图1:我们使用多相法来解密咖啡从果实到饮品的生产过程,比如说,为了认识咖啡加工生态系统,我们使用了代谢组学研究法(上)和微生物学研究法(下),另外,我们对煮熟的咖啡饮品采用了感官评估的方法。完整结果请见相关研究论文。

咖啡豆同时也是一个活着的实体,它可以与周边的环境互动,也可以对外在环境做出反应。因此,作为一个活有机体,它在整个加工期间的新陈代谢功能都很活跃。人们认为咖啡豆是中间性种子,因此它们即使在低含水量的情况下也能对不同外部环境中的应激因素做出反应,并相应地改变它们的代谢物成分(是种子中所有碳水化合物、氨基酸和有机酸的成分总和)。伴随着加工链的两个主要应力因素包括:在水下浸没期间的低氧或缺氧以及在干燥期间的“干旱胁迫”(缺水)。在湿加工过程中,咖啡豆经历缺氧和干旱胁迫,而在干燥加工期间这些咖啡豆则会长期处于干旱胁迫的状态中。这些差异也有助于区分水洗式咖啡和干法加工咖啡。因此,当谈论咖啡加工对咖啡口味的影响时,我们不仅是在谈论去创造加工咖啡豆外部的“发酵风味”——我们也在谈论咖啡豆自身代谢成分发生了什么根本性变化。

咖啡加工方式的不同会累积不同浓度的代谢物

不同的加工条件会产生不同的微生物和种子代谢能力,这些会影响咖啡豆的代谢体状况,最终会影响咖啡的口味。在这里,通过广泛研究以后,我们简要地考虑了在研究中三种特定湿法加工参数会造成什么影响,这三个参数包括:发酵的时间、咖啡果实是否经过机械脱壳、咖啡豆在发酵和洗涤后是否经过浸泡。然而,在我们开始讨论这些问题之前,最好要明确一些与咖啡加工相关的术语。

在基本的湿法加工过程中,新鲜的咖啡果实被去除果肉(除去果肉)并浸入水中(发酵)。然后,将发酵罐排干,用清水清洗发酵咖啡豆,去除残留的黏液(洗涤)。有时,这些水洗式咖啡豆会被浸泡在水箱里或几个桶里,然后再次用清水浸泡。在清洗或浸泡过咖啡豆后,接着在干燥阶段将豆子脱水。经典发酵的一个变化就是通过粘液去除器去除咖啡豆的粘液 (其中两个旋转的桶会通过机械挤压咖啡豆,来刮掉咖啡豆上的粘液),在此,们将其定义为 粘液脱离加工

发酵时间对咖啡品质有着显著的影响。我们发现,虽然人们认为长时间的发酵咖啡豆大多数会降低咖啡的品质,导致臭豆或酸豆,但如果严格控制农场发酵咖啡豆的方法的话,这个方法也可以对咖啡产生积极甚至令人满意的效果。在干净卫生的加工条件下(特别是发酵罐和洗涤槽),发酵时间越长,微生物需要活动的时间也就越长,对咖啡豆的发酵效果也就越好。这种发酵一直作用于生咖啡豆,如较高浓度的微生物代谢物 (例如乳酸和甘露醇) 和较高浓度的花香或果味挥发性有机化合物。微生物的另一个作用就是,在长时间的发酵作用下,内源性咖啡豆代谢使其周边更加缺氧,影响了简单碳水化合物(如葡萄糖和果糖),氨基酸(如天冬氨酸和丙氨酸)和有机酸(如,琥珀酸)的浓度。上述化合物在焙烤过程中的一系列化学反应中起着重要作用,尤其在美拉德反应和创造特色咖啡风味的过程中起着重要的作用。这些丰富的风味前体使生咖啡豆产生了变化,长时间的发酵也使咖啡的果味变得更加浓郁。

在咖啡湿加工过程中,使用去粘液的咖啡豆还是使用去果肉的咖啡豆作为发酵原料一直是个很有争议的话题。相较于经典发酵法,使用粘液去除器作为替代可以创造更多生态效益,这种机器的使用可以在发酵过程中节省更多淡水,另外也可以减少加工时间。但是这种方法对咖啡口感质量的影响如何,至今没有个定论。我们的研究表明,无果肉的咖啡豆上的粘液增加了发酵水中的营养物质密度,这些营养可以让微生物继续活动。这就是水中和咖啡豆上的发酵效果为什么比去粘液发酵效果更加好的原因。这导致去果肉的生咖啡豆保留了更多微生物代谢物,而且这种咖啡豆的氨基酸和酚类成分与去粘液的咖啡豆不同。结果表明,这两种加工方式使得咖啡的花味和果味在浓度上略有不同。

与上述因素相比,洗涤浸泡的加工方式降低了发酵效果。如果在不浸泡甚至减少洗涤次数的情况下,生咖啡豆在发酵过程中能够累积更多宝贵的代谢物,因此,顾客对咖啡的评分也就更高了。然而,如果由于某种原因使得发酵效果不佳,浸泡咖啡豆能有助于去除发酵过程中累积的一些不良代谢物,并且可以控制咖啡中的异味。

将咖啡品种作为发酵变量

咖啡品种不同,其新鲜咖啡果实的粘液和果肉的代谢物成分也不同。作为微生物营养物质的主要提供者,不同咖啡品种中粘液成分的差异性也会造成不同的发酵效果。比如说,我们发现拉丁美洲的特色咖啡果实上有一层多汁的中果皮层,比亚洲的Catimor的中果皮层的营养更丰富。结合外部因素,如局部环境温度,我们发现该果皮层影响了发酵过程中的pH值分布、微生物群落活性和代谢物成分。因此,在评估加工实践的潜在影响时,考虑不同的咖啡品种也是一个很重要的一个环节。

Figure 2: Coffee post-harvest processing consists of several dynamic and intertwined activities, mainly microbial activities and endogenous bean metabolism (left). Switching the processing methods or changing the processing parameters could change the (green) coffee bean composition and the sensory profile of the brewed cup. The extent of their impacts on coffee quality depended on the parameter altered and the processing conditions (right).

图 2:咖啡果实采摘后加工是由几个动态和复杂的活动构成,主要包括微生物活动以及内源性咖啡豆的新陈代谢 (见左图)。转换加工方法或者改变加工参数可能会改变 (生) 咖啡豆的成分以及煮熟咖啡的口感。改变的参数和加工条件会在一定程度上影响咖啡品质(见右图)。

我们相信这种多样性是咖啡的优势所在,因为这意味着上述罗列的大量因素有待探索,而咖啡价值链的多样性与工艺和科学的联系也是十分紧密的。我们仍然相信,我们的研究成果一定会使咖啡变得更加美味。

SOPHIA JIYUAN ZHANG是一位化学家和咖啡爱好者,为了弄明白咖啡加工和咖啡质量之间的联系,他目前在多个咖啡种植园工作。FLORAC DE BRUYN是一位对自然食品发酵有浓厚兴趣的微生物学家。在读博士学位期间, 他研究的主要项目是咖啡发酵的微生物生态系统。现在他们两个都是在瑞士的Nestlé Research工作。

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相关研究论文由以下学者发表:De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L. (2017)。探讨采后加工方式对生咖啡豆生产过程中微生物群和代谢产物的影响。应用以及环境微生物学83, e02398-16。

Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L. (2019)。从生咖啡豆到煮熟咖啡的生产过程:小果咖啡湿加工过程中的微生物学以及代谢体学分析。《应用以及环境微生物学85, e02635-18。

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请在25期中的第2部分查阅 “Bronwen Percival 的”发酵农业系统” 一文中了解更多关于奶酪发酵的内容。

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