Эффект ферментации – 25 Magazine, Issue 10

Эффект ферментации – 25 Magazine, Issue 10

Процесс создания кофе сложен и увлекателен.

СОФИЯ ЦЗИЮАНЬ ЧЖАН (SOPHIA JIYUAN ZHANG) и ФЛОРАК ДЕ БРЮИН (FLORAC DE BRUYN) рассказывают о результатах четырехлетних совместных исследований, посвященных формированию лучшего понимания того, как обработка после сбора урожая влияет на качество кофе в различных географических районах.

По мере того как мы идем по этому пути, от семян к фруктам, зеленым зернам, обжаренным зернам и, наконец, к заваренной чашке, мы можем оценить, каких усилий требует каждый этап всей цепочки создания ценности кофе. Неудивительно, что каждый из этих этапов связан с другими, и его можно оптимизировать, чтобы постоянно получать кофе все лучшего качества. Качество кофе обычно оценивают на стадии зеленых зерен и заваренной чашки. Поскольку зеленые зерна кофе содержат все предшественники вкуса, их качество тесно связано с конечным качеством чашки.

Но роль обработки после сбора нельзя игнорировать, когда вы думаете об улучшении качества кофе. Основное назначение обработки после сбора — удалить внешние слои кофейных ягод и высушить семена, превратив их в устойчивое средство сохранения предшественников вкуса, т. е. зеленый кофе. Самые распространенные способы добиться этого — мытая и сухая обработка, история которых восходит к самому зарождению кофейной отрасли. В то же время популярность в регионах производства кофе приобрели также смешанные и новые методы, такие как широко известная медовая обработка или ультрамодная анаэробная ферментация (т. е. ограничение количества кислорода или его отсутствие во время ферментации). В последние годы многие производители выступили инициаторами нововведений в области обработки кофе и экспериментировали в применении разнообразных методов в различных регионах производства. Это обеспечивает огромное количество полученных опытным путем данных, касающихся влияния способов и конкретных параметров обработки на качество кофе. Однако серьезные научные доказательства, подтверждающие их, пока не найдены, и в них есть большая необходимость.

Последние четыре года мы работаем над кофе в рамках двустороннего научно-отраслевого сотрудничества между Брюссельским свободным университетом (Vrije Universiteit Brussel, Бельгия) и Nestlé Research (Вер-ше-ле-Блан, Швейцария), стремясь разобраться в процедуре обработки после сбора урожая. Здесь мы осветим некоторые из результатов наших исследований разных сортов кофе в различных географических районах. Для нас они были познавательными и очень интересными; надеемся, что они станут такими и для вас.

Микробы и метаболизм

Во время обработки после сбора урожая происходят два основных процесса: микробная деятельность во внешней среде и метаболизм внутри кофейных зерен. Динамический характер обработки проявляется в постоянном потреблении нутриентов и выработке веществ микроорганизмами, а также в непрерывных изменениях в метаболомическом профиле семян (т. е. профиле концентрации множества различных веществ внутри зерна). Сложность заключается в том, что каждый способ обработки состоит из нескольких этапов и зависит от различных внешних факторов, таких как температура, сорт кофе и используемое оборудование.

Микроорганизмы присутствуют практически в любой среде, а значит, также и в экосистеме переработки кофе. Поскольку микроорганизмы имеют определяющее значение для производства других ферментированных продуктов (см. «Ферментирующее вещество»), неудивительно, что они играют существенную функциональную роль в обработке кофе. Микроорганизмы уже присутствуют на поверхности ягод кофе до начала обработки, по мере которой эти микроорганизмы (в особенности молочнокислые бактерии) успешно размножаются в богатом нутриентами растительном материале, таком как мякоть плодов и/или клейковина, выпускаемом в среду ферментации. По мере размножения микроорганизмы образуют из этих растительных нутриентов метаболиты и накапливаются в среде обработки. Этот процесс микробиологи называют ферментацией. Мы с большим интересом обнаружили, что при мытой и сухой обработке ферментация происходит в разных частях экосистемы кофе. При мытой обработке ферментация происходит в воде, участвующей в процессе, тогда как при сухой обработке — в высыхающих внешних слоях ягод. Любопытно, что некоторые из метаболитов, образующихся во время ферментации, остаются на поверхности зерен и могут даже сохраняться в неизменном состоянии в течение всего процесса. Таким образом, они задерживаются на зеленых зернах кофе, составляя микробный след Мы назвали это явление эффектом ферментации.

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.

Рис. 1. Наш многоэтапный подход к анализу процесса создания кофе, от ягод до чашки, включает метаболомический (поверхностный) и микробиологический (сущностный) принципы, раскрывающие природу экосистемы обработки кофе, а также сенсорной оценки заваренной чашки. Полное описание результатов см. в соответствующих исследовательских работах.

При этом кофейное зерно также представляет собой живой организм, взаимодействующий с окружающей его средой и реагирующий на нее. Как любой такой организм, оно проявляет метаболическую активность на протяжении всего процесса обработки. Кофейные зерна являются промежуточными семенами, что позволяет им реагировать на различные стрессовые факторы окружающей среды даже при низком содержании влаги, а также соответствующим образом менять состав метаболитов (формирующийся из динамической совокупности углеводов, аминокислот и других органических кислот внутри семени). Два превалирующих стрессовых фактора в процессе обработки — это гипоксия, или недостаток кислорода, при погружении в воду и излишняя сухость (недостаток воды) при сушке. Во время мытой обработки зерна подвергаются как гипоксии, так и излишней сухости, тогда как при сухой обработке они претерпевают длительный стресс из-за излишней сухости. Эти различия также играют свою роль в разграничении между мытым и обработанным сухим способом кофе. Поэтому, когда мы говорим о влиянии обработки кофе на вкус, речь идет не только о формировании «ферментированного вкуса», существующего на внешней поверхности обрабатываемых зерен, но и о принципиальных изменениях состава метаболитов самого кофейного зерна.

Разные процессы способствуют накоплению метаболитов в разной концентрации

При разных условиях обработки микробиологические факторы и метаболизм в семенах влияют на метаболомические профили кофейных зерен и тем самым, в итоге, на качество чашки. Здесь мы коротко рассмотрим вопрос о воздействии трех конкретных параметров мытой обработки, которые мы изучили подробно: как долго длилась ферментация, была ли клейковина с ягод удалена механическим способом, а также вымачивались ли зерна после ферментации и промывки. Однако прежде чем мы начнем, будет полезно прояснить некоторые используемые термины, касающиеся обработки.

Во время основной части мытой обработки свежие ягоды кофе лишают мякоти (производят депульпацию) и погружают в воду (осуществляют ферментацию). Затем из ферментационного резервуара сливается жидкость, а ферментированные зерна очищаются водой, чтобы удалить остатки клейковины (это промывка). Иногда промытые зерна снова вымачиваются в резервуаре или отдельных емкостях в чистой воде (это вымачивание). После промывки или вымачивания зерна подвергаются сушке. Вариантом классической ферментации является механическое удаление клейковины с помощью демусильяжера (в котором два вращающихся барабана сдавливают зерна, чтобы механически соскоблить с них большую часть клейковины); этому процессу мы здесь даем определение «демусильяж».

Продолжительность ферментации оказывает значительное влияние на качество кофе. Мы обнаружили: хотя принято считать, что длительная ферментация снижает качество кофе, приводя к неприятному запаху или кислому вкусу зерен, она также может оказывать положительное и даже желательное воздействие при условии применения тщательно контролируемых агрономических методов. При гигиеничных условиях обработки (в особенности в ферментационном резервуаре и промывочном канале) более длительная ферментация дает больше времени для желательной микробной деятельности и приводит к более выраженному эффекту ферментации в зернах. Этот эффект ферментации сохраняется в зеленых зернах кофе, что выражается в более высокой концентрации микробных метаболитов (например молочной кислоты и маннита) и повышенной насыщенности цветочных или фруктовых летучих органических соединений. В то же время со стороны микробиологии длительная ферментация усиливала воздействие гипоксии благодаря эндогенному метаболизму в зернах, что влияло на концентрацию простых углеводов (например, глюкозы и фруктозы), аминокислот (например аспарагиновой кислоты и аланина) и других органических кислот (например, янтарной). Перечисленные соединения могут выступать в качестве основных прекурсоров в ряде химических реакций во время обжарки, особенно реакции Майяра, и формировать характерный вкус кофе. С повышением количества этих предшественников вкуса в зеленых зернах более длительная ферментация приводит к усилению фруктовых нот в чашке.

Использование в качестве исходного сырья для ферментации при мытой обработке кофе зерен, лишенных не только мякоти, но и клейковины, показало противоречивые результаты. Применение демусильяжера является более экологичной альтернативой классической ферментации, поскольку помогает экономить используемую во время ферментации свежую воду и сокращает время обработки, однако его влияние на органолептические свойства остается неясным. Наша работа показала, что присутствие клейковины на депульпированных зернах повышает концентрацию нутриентов, нужных для деятельности микробов, в ферментирующей воде. Поэтому эффект ферментации в воде и зернах был более выраженным по сравнению с процессом ферментации зерен, лишенных клейковины. В результате в зеленых зернах кофе, прошедших депульпацию, сохраняется больше микробных метаболитов, чем в зернах, лишенных клейковины, а также отличаются профили аминокислот и фенолов. Поэтому в качестве чашек, полученных по итогам этих двух процессов, были заметны небольшие различия по насыщенности цветочных и фруктов нот.

В отличие от факторов, упомянутых выше, применение промывки и вымачивания снизило эффект ферментации. При отсутствии вымачивания или даже меньшем времени промывки ценные метаболиты, накопленные во время ферментации, в большем количестве сохранялись в зеленых зернах кофе и повышали баллы каппинга. Однако, если по какой-либо причине результаты ферментации будут не слишком удачными, вымачивание может помочь избавиться от некоторых нежелательных метаболитов, сформировавшихся во время нее, и обеспечить средства контролирования посторонних привкусов кофе.

Сорт кофе как переменный фактор ферментации

Состав метаболитов в клейковине и мякоти свежих ягод разных сортов кофе может варьироваться. Различия в составе клейковины — основного поставщика нутриентов для микроорганизмов — в различных сортах кофе также влияет на выраженность эффекта ферментации. Например, мы обнаружили, что ягоды сорта типика, которые мы использовали в Латинской Америке, обладают сочным среднеплодником, более богатым нутриентами, чем среднеплодник сорта катимор в Азии. Мы выяснили, что эта особенность в сочетании с внешними факторами, такими как температура окружающей среды, влияла на значение водородного показателя, динамику микрофлоры и состав метаболитов во время ферментации. Поэтому при оценивании потенциального воздействия методик обработки важно принимать во внимание сорт кофе.

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).

Рис. 2. Обработка кофе после сбора урожая заключается в нескольких взаимосвязанных динамических процессах, в основном в микробной деятельности и эндогенном метаболизме в зернах (слева). Замена способа обработки или изменение ее параметров могут преобразовать состав (зеленых) зерен кофе и органолептические свойства заваренной чашки. Степень воздействия на качество кофе зависела от того, какой именно параметр менялся, а также от условий обработки (справа).

Мы полагаем, что такое разнообразие является сильной стороной кофе, поскольку означает, что огромное количество комбинаций вышеупомянутых факторов еще предстоит изучить и что такое многообразие в цепочке создания ценности кофе отражает неразрывную связь мастерства и научных достижений. Мы по-прежнему убеждены, что результатом некоторых комбинаций обязательно станет чашка невероятно вкусного кофе.

СОФИЯ ЦЗИЮАНЬ ЧЖАН, химик и любитель кофе, работала на множестве кофейных плантаций по всему миру, чтобы понять связь между обработкой и качеством кофе. ФЛОРАК ДЕ БРЮИН — микробиолог, остро интересующийся самопроизвольной ферментацией в пищевых продуктах. В своей диссертации сосредоточил основное внимание на экосистеме микроорганизмов при ферментации кофе. В настоящее время оба они работают в компании Nestlé Research в Швейцарии.

Дополнительная литература

Исследовательские работы по упомянутым вопросам присутствуют в следующих публикациях: Ф. де Брюин, С. Ц. Чжан, В. Потакос, Х. Торрес, С. Ламбо, А. В. Морони, Л. Де Вюист (De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L.) «Исследование воздействия обработки после сбора урожая на профили микробиоты и метаболитов при производстве зеленых зерен кофе» (Exploring the impacts of post-harvest processing on the microbiota and metabolite profiles during green coffee bean production), 2017 г. Applied and Environmental Microbiology 83, e02398-16.

С. Ц. Чжан, Ф. де Брюин, В. Потакос, К. Фалькони, Х. Торрес, С. Моккан, С. Веккс, Л. Де Вюист (Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L.) «Производство кофе от ягод до чашки: микробиологический и метаболомический анализ мытой обработки вида Coffea arabica» (Following coffee production from cherries to cup: microbiological and metabolomic analysis of wet processing of Coffea arabica), 2019 г. Applied and Environmental Microbiology 85, e02635-18.

* равный вклад в публикацию

Ферментирующее вещество

Микроорганизмы играют критически важную роль в ферментированных пищевых продуктах, которые мы знаем и любим.

Кислая капуста

Такие виды бактерий, как лейконостоки и лактобактерии, повышают кислотность белокочанной капусты, придавая ей характерную приятную кислинку и делая ее безопасной для употребления.

Йогурт

Лактобактерии и стрептококки играют важную роль в формировании кремовой мягкой текстуры и освежающей кислинки.

Пиво

Дрожжи вырабатывают алкоголь и фруктовые или цветочные ароматы, благодаря чему пиво становится приятным на вкус.

Мягкий зрелый сыр

Лактококки создают мягкую кремовую текстуру внутренней части. Помимо этого, плесневые грибы формируют на поверхности белую корочку, покрытую налетом.

Подробная информация о ферментации сыра содержится в статье Бронвена Персиваля «Ферментация в системе фермерского хозяйства» (“Fermenting a Farming System”, Bronwen Percival) во 2-м выпуске журнала 25 Magazine.

Вы являетесь членом SCA? Получите бесплатную подписку на печатную версию журнала 25 Magazine на английском языке на странице sca.coffee/signmeup.

Не состоите в SCA? Вступайте уже сейчас и поддержите миссию нашей некоммерческой отраслевой ассоциации на sca.coffee/join.