Как называется кислотность кофе что это такое и почему?

Наверняка, вы уже слышали о таком термине, как «кислотность кофе». Это одна из ведущих характеристик зерна, по которой можно судить о его качестве. Кислотность или кислинка, как ее чаще называют на бытовом уровне, наиболее отчетливо проявляет себя в арабике. А вот в другом типе зерна — робусте — кислоты не ощущаются.

Что влияет на кислотность кофе?

Изначально у каждого сорта кофейного зерна свой уровень кислотности. Но он может меняться — это зависит от условий произрастания деревьев, способа обработки и приготовления. Например, на высокогорных плантациях собирается более кислый кофе, нежели на равнинных, а чем светлее обжарка такого зерна, тем больше кислот вы почувствуете в напитке.

Какими бывают кислоты?

Для начала, следует выделить две наиболее значимые группы — органические и неорганические.

• Органические кислоты — появляются естественным путем, как результат клеточного дыхания растений и их плодов. Сильно зависят от высоты произрастания деревьев. Так, в некоторых сортах высокогорной арабики присутствует более двух десятков кислот.
• Неорганические кислоты — появляются в результате деятельности человека. Зависят, например, от того, какие удобрения были внесены в почву для подкормки деревьев.

Теперь рассмотрим кислоты более подробно. Мы остановимся только на тех шести, которые имеют наибольшее значение для арабики — лимонной, яблочной, уксусной, винной, хинной и фосфорной.

• Лимонная кислота — самая очевидная в списке, ее наиболее легко обнаружить, даже если вы не являетесь профессионалом в кофейной индустрии. Лимонная кислота обладает очень высокой яркостью и сочностью, наиболее выражена в зеленом кофе и уменьшается с повышением интенсивности обжарки.
• Яблочная кислота — помогает добиться терпкой и тягучей кислинки во вкусе напитка. Это одна из наиболее ценных кислот для спешиалти-арабики.
• Уксусная кислота — сама по себе не очень привлекательна, в большом количестве может испортить впечатление от напитка (такое происходит, если кофе плохо ферментирован). Но в то же самое время уксусная кислотность помогает в формировании приятного, сложного вкуса дегустационной кофейной чашки.
• Винная кислота – подобно уксусу, будет портить вкус, если ее слишком много.
• Хиновая кислота — проявляется в процессе обжарки. Ее концентрация увеличивается в несвежем, охлажденном кофе, а также в сортах с темной обжаркой. Вы сами можете это заметить — достаточно будет продегустировать остывшую чашку эспрессо.
• Фосфорная кислота — ярче всего проявляет себя в кенийской арабике с ее яркими смородиновыми нотами.

Что еще влияет на кислотность?

Огромное влияние на восприятие кислот в кофе оказывают процессы обработки. Мытая арабика более кислая, поскольку вместе с удалением естественной слизи с поверхности удаляются также и естественные сахара. И наоборот, кофе натуральной или сухой обработки менее кислотен.

Второй важный момент — это степень обжарки. В результате химических реакций, которые происходят при нагревании зерен, многие кислоты разрушаются, остаются лишь самые устойчивые соединения. Поэтому купажи темной обжарки кажутся нам более горькими на вкус, а средняя степень обжаривания гармонизирует общее впечатление от чашки.

Кислотность — это не просто одна из характеристик кофейного зерна. Это куда более сложное понятие, которое зависит от многих природных и искусственных факторов. Зная, как конкретная кислота влияет на вкус, вы сможете более внимательно подходить к выбору и завариванию своего любимого напитка.

Кислота представляет собой сложное химическое соединение, содержащее в составе водород. С латинского языка буквальный перевод «кислый».
Растворы кислот в воде имеют уровень кислотно-щелочного баланса ниже 7. Чем ниже данный показатель, тем выше уровень кислотности.
Разнообразные кислотные компоненты содержатся в кофейных зернах. Различные кислоты встречаются нам ежедневно в различных продуктах питания (фрукты, овощи, молочная продукция и все тот же кофе), образуются они естественным способом в результате многочисленных химических реакций органического характера. Говорят, что кислотность Кислотность кофейных зёрен варьируется от 4, 85 до 5, 10. Такая среда является достаточно кислой. На вкус необработанное кофейное зерно отдалённо напоминает вишню. В состав кофейного зерна входит около 30 видов кислот.— это визитная карточка кофе. Давайте разберемся, как образуются, развиваются и проявляются основные кислоты, которые можно найти в кофе.

Молочная кислота

Развитие: молочная кислота – это еще один продукт ферментации, обычно встречающийся в камчи, квашеной капусте, скисшем/испорченном молоке и т.д. В кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.эта кислота является результатом распада сахаров во время обжарки.

Органические свойства: кислотный профайл мягче, чем у яблочной кислоты.

Уксусная кислота

Развитие: получается в результате распада углеводов во время обжарки. В больших количествах содержится в мытом кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.за счет процесса ферментации. Концентрация уксусной кислоты достигает своего пика во время обжарки, затем снижается.

Органические свойства: увеличиваются в процессе обжарки до распада. Может повысить ароматический характер, но в больших концентрациях может создать нежелательные «ферментные» нотки.

Яблочная кислота

Развитие: одна из основных кислот, содержащихся в зеленом кофе. Ее содержание уменьшается в процессе обжарки. Медленно начинает распадаться при температуре 190 градусов.

Органические свойства: у яблочной кислоты более резкий вкус, чем у цитрусовой кислоты, обычно ощущается на боковых сторонах языка.

Цитрусовая кислота

Развитие: одна из важнейших кислот, содержащихся в specialty кофе. В незрелых зёрнах концентрация цитрусовой кислоты может быть выше. На температуре 176 градусов эта кислота медленно начинает распадаться. Обычно кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.средней обжарки теряет порядка 50% органической цитрусовой кислоты в своем составе.

Органические свойства: кислый вкус неспелых фруктов, резкий вкус на нёбе. Этот вкусовой профиль характерен для несозревшего кофе, тем не менее в умеренных концентрациях цитрусовая кислота придает приятный вкус чашке.

Фосфорная кислота

Развитие: получается в результате распада неорганического вещества в почве. В своем работе исследователь CQI Йозеф Ривера обнаружил высокое содержание фосфорной кислоты в восточно-африканском кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.(1998/1999).

Органические свойства: фосфорную кислоту легко отличить, потому что она придает яркость кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.и в то же время увеличивает его сладость.

Винная кислота

Развитие: несмотря на то, что винная кислота часто встречается в винограде и вине, в кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.она содержится в концентрациях, которые невозможно обнаружить.

Органические свойства: не применимо.

• Рост и развитие кофейного куста
• Обработка кофе
• Обжарка кофе
• Метод заваривания

• Рост и развитие кофейного куста будет зависеть от “клеточного дыхания”, где вдох – фотосинтез, а выдох – дыхание. Именно серия таких каскадных событий создает циклы различных кислот.
  Растение использует сахара, которые производят в процессе фотосинтеза, и преобразует их в побочные продукты, первый такой продукт – цитрусовая кислота. С продолжением цикла в зерне образуется яблочная кислота. Чем дольше ягода созревает, тем больше кислот образуется таких, как яблочная или уксусная.
  Бонусная кислота – если в почве есть фосфаты в процессе созревания ягод, то растением может быть также произведена фосфорная кислота. Фосфорная кислота – это неорганическая кислота, что значит в молекулярной формуле присутствует такой элемент как железо.

  Что влияет на клеточное дыхание?
  – Температура
  – Возраст растения
  – Наличие фотосинтеза
  – Здоровые листья

  Почему температура так важна для образования кислот?
  В процессе фотосинтеза в течение дня в растении образуются простые сахара, такие как сахароза.
  Далее в процессе клеточного дыхания сахара распадаются, высвобождая энергию.
  Чем ниже ночью температура, тем меньше частота дыхания у растения и поэтому сохранившиеся сахара могут конвертироваться в кислоты в процессе обжарки.

• Обработка
  – Мытая обработка:
   * анаэробная среда (без участия кислорода)
   * замачивание (в результате растворимые компоненты, содержащие в кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.вымываются водой)
  – Натуральная обработка:
  в больших объёмах образуется уксусная кислота, кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста.получается не такой однородный, как обработанный мытым способом. Кислоты развиваются индивидуально, каждая ягода по себе.
  – Механически депульпированный кофе – нет мякоти, нет сахаров, нет среды.
• Обжарка
  – Цитрусовая и яблочная кислоты образуются в самом начале процесса обжарки и уменьшаются на первом крэке.
  – Уксусная кислота – образуется в самом начале процесса обжарки и уменьшается на втором крэке.
  – Молочная кислота – медленно образуется с начала и до конца обжарки.
  – Хлорогеновая кислота – распадается в процессе обжарки на хинную и кофейную кислоты.
• Метод заваривания
  – Хлорогеновая кислота распадается при высокой температуре.
  – Экстракция не равна кислотности.
  – После заваривания кислоты продолжают распадаться на хинную и кофейную.

Основные характеристики кислот

– обе формируются в процессе клеточного дыхания;

– цитрусовая кислота преобладает в зеленом кофе;

– обе содержаться в большем количестве в арабике, чем в робусте;

– яблочная кислота формируется при долгом созревании, при долгом клеточном дыхании;

– яблочная более деликатная, мягкая;

– образуется в процессе клеточного дыхания, во время ферментации, в процессе обжарки;

– увеличивается в процессе обжарки, затем начинает разрушаться при температуре 240 С;

– если кислоты много то может быть ассоциация с переферментированным кофе, если ее немного, то она положительная;

– образуется в процессе влажной обработке или ферментации;

– возрастает в процессе обжарки;

– продолжает расти с нагревом;

Хинная кислота

– присутствует в зеленом кофе, является защитным компонентом;

– в небольшом количестве увеличивается в процессе обжарки, но незначительно;

– образуется в результате распада хлорогеновой кислоты;

– продолжает формироваться после заваривания уже в готовом напитке;

пример хинной кислоты – клюква

Фосфорная кислота (неорганическая)

– может быть потеряна в процессе обработки, во время замачивания кофе;

– фитиновая кислота распадается до фосфорной в процессе обжарки, но в целом ее количество увеличивается незначительно;

– в робусте обычно содержится больше фосфорной кислоты, чем в арабике;

Публикация сделана при использовании материалов с курса Q grader и сайта Coffee Chemistry

Не нужно быть знатоком кофе, чтобы заметить во вкусе напитка кислинку, порой проявляющуюся сильнее, а иногда едва заметную. Что касается профессионалов, то опытные бариста различают несколько десятков уровней кислотности – от привкуса персика до нот лимона.

Попробуем разобраться, с чем связано появление кислинки и от чего зависит ее уровень.

Кисло-сладкая ягода

Те, кому удавалось попробовать только что сорванные с ветки ягоды кофейного дерева, с удивлением обнаруживали, что по вкусу они напоминают вишню. Природный вкус кофейных ягод – именно кисло-сладкий, и так же, как вишня, они могут быть более или менее кисловатыми. Но все же кислотность кофе – особая, делящаяся на четыре типа.

Уксусная – самая нежелательная, огрубляющая вкус напитка. Чаще всего она появляется из-за чрезмерно долгой ферментации кофе. Самая редкая кислотность – это ортофосфорная, встречающаяся лишь в отдельных сортах, например, робусте. А самыми желанными типами кислотности являются яблочная и цитрусовая. Их присутствие угадывается по необычайно богатому вкусовому букету.

Уровень кислотности во многом обусловлен сортом кофе: так, у арабики он выше, чем у робусты, но это не единственный фактор, от которого зависит, какой привкус будет у дымящегося напитка – лайма, сливы или шоколада.

Факторы, влияющие на кислотность

• Высота произрастания. Поскольку по мере продвижения вверх по склонам гор растет амплитуда суточных температур (днем очень жарко, ночью почти холодно), вкус кофейных ягод зависит от того, на какой высоте они созревали. В высокогорье ягоды вызревают медленнее и успевают накопить больше кислот. Разница столь ощутима, что один и тот же сорт может обладать разной вкусовой гаммой в зависимости от высоты произрастания.
• Обработка. Наиболее кислотный – кофе мытой обработки, наименее – натуральной. Это связано с тем, что в процессе натуральной обработки сахар, содержащийся в клейковине, успевает перейти в само зерно. Все остальные способы: хани, полумытый и т.д. – обеспечивают умеренную или слабую кислотность.
• Обжарка. Здесь все просто: чем светлее обжарка, тем выраженнее кислотность. И наоборот: кофе темной обжарки крепкий, с орехово-карамельными нотками, но начисто лишенный цитрусовых оттенков. Если стоит задача сохранить всю вкусовую палитру, то необходимо обжарить кофейные зерна до достаточно светлого тона.
• Приготовление. Придать напитку ощутимую кислотность позволит более быстрое приготовление или более мелкий помол. Любителям эспрессо хорошо известен этот маленький секрет, ведь данный вид кофе всегда с кислинкой. Еще один способ усилить кислотность – уменьшить температуру приготовления. Чем дольше готовится кофе, тем больше кислот успевает раствориться, и потому в сваренном в турке напитке преобладают сладковатые ноты.

В заключение следует заметить, что нет единственно “правильного” вкуса кофе. Главное, чтобы он не горчил и не имел “деревянного” привкуса, а все остальное зависит от индивидуальных пристрастий: кому-то мила легкая кислинка, кому-то – ореховая карамель.

Баланс — это понятие, применимое к кофе, вкусовые характеристики которого не перебивают друг друга: одни не преобладают над другими. Какие это характеристики? Кислотность, сладость и горечь. При этом вкус напитка должен быть достаточно сложным. Определяя его как «сбалансированный», мы имеем в виду то, что все вкусовые компоненты кофе находятся примерно в одинаковом количестве.

Кислотность — один из важнейших параметров описания вкуса кофе. Её можно разделить на несколько типов: винная, ортофосфорная, яблочная, цитрусовая.

На интенсивность кислотности влияют несколько факторов: высота произрастания кофе, способ обработки зерна и степень обжарки.

Влияние высоты произрастания в следующем: чем выше растёт кофе, тем больше перепад дневных и ночных температур и меньше кислорода, поэтому кофе дольше созревает и в его ягодах накапливается больше органических кислот.

У зёрнах арабики яркая кислотность заложена от природы. В робусте кислоты присутствуют в совсем не больших количествах.

Кофе, обработанный мытым способом, имеет большую кислотность, чем зерно сухой обработки, т.к. второе, из-за более долгого контакта с мякотью кофейной ягоды, содержит больше сахаров.

Чем темнее обжарка кофе, тем меньше в нем кислотности. Это связано с тем, что кислоты распадаются под воздействием высоких температур.

Горечь

Горечь является первичным вкусовым ощущением (однако может быть и ситуативной характеристикой или послевкусием), прежде всего ощущаемым у корня языка и на мягком небе.

Горечь является одним из пяти основных вкусов — кислый, сладкий, соленый, горький и умами.

Чаще всего горечь воспринимается как негативная характеристика, но на самом деле горечь вместе с кислотностью и сладостью формирует баланс напитка, без которого невозможно представить любимый вкус кофе. Горечь в кофейном напитке «развивается» дольше, чем кислотность и сладость, но очень быстро может подавить все другие вкусовые характеристики.

Условно говоря, горечь может быть позитивной и негативной. Так, позитивной будет восприниматься горечь темного шоколада, грейпфрута, цветов, лесных ягод (калина, рябина), косточки фруктов (абрикос, яблоко и т.д.), пряная горечь перца. Однако чрезмерная горечь создает неприятный, жесткий, иногда таблеточный вкус, едкость, сухость на языке.

Основные причины негативной горечи:

• кофе слишком темной обжарки (в первую очередь за счёт распада хлорогеновых кислот на фенилинданы)
• переэкстагированный кофе
• старый кофе
• слишком мелкий помол
• слишком маленькая закладка молотого кофе
• в робусте больше горечи, чем в арабике за счет бОльшего содержания хлорогеновых кислот и кофеина (10% против 2% в арабике)
• дефекты кофейного зерна.

Сладость

Сладость — мягкая, гладкая вкусовая характеристика, относящаяся к базовым вкусам. Сладость не подразумевает резкости, каких-либо дефектов вкуса, воспринимается как приятная, ощущается преимущественно на кончике языка.

Баланс кофе складывается из сладости, кислотности и горечи. Оценить хороший баланс, округлое тело напитка мы можем даже, если сладость будет не выражена. Сладость важна не для сладкоежек, это важная часть баланса.

Сладость в кофе может быть фруктовая, цветочная, карамельная, медовая, шоколадная и др.

Что создает сладость в кофе?

В кофе сладость вырабатывается растворами сахаров, гликолей и спиртов, а также некоторыми аминокислотами, которые вместе создают разнообразные дескрипторы сладкого аромата (например, шоколад, фруктовый, карамельный).

В арабике почти вдвое больше сахарозы, чем в робусте. Это одна из причин, почему она завоевала лучшую репутацию.

На формирование сладости влияет множество факторов

— Терруар. Пример: кофейные деревья, которые произрастают на большой высоте, созревают медленнее (ниже температура, медленнее метаболизм), поэтому обычно развивают больше сахаров

— Сбор и обработка. Согласно The Cup of Excellence Cupping Form, ощущение сладости прямо коррелирует с тем, насколько однородным был кофе, когда его собирали.

Кофейное зерно натуральной обработки обладает повышенной сладостью и сложностью вкуса, но нередко приобретает ферментированный привкус. Мытый способ чаще всего дает более изысканный вкус и мягкую сладость. Хани обработка (медовая), скорее всего будет давать более сладкий кофе, нежели мытая обработка

— Обжарка. В процессе обжарки происходит карамелизация сахаров. Чем больше время обжарки, тем больше сахаров разрушается, что приводит к более сложным и даже горьким карамельным соединениям. Пережаренный кофе, где сахара сгорели при обжарке, будет давать ярко выраженную горечь.

В целом кофе светлой обжарки имеет чаще фруктовую или цветочную сладость. А более темной — приобретают глубокую сладость с оттенком карамели, шоколада и пр.

— Приготовление. Мэтт Пергер считает поиск своего «sweet spot» для бариста равносильным поиску Святого Грааля): «по мере того, как вы двигаетесь от недоэкстрагированного к переэкстрагированному кофе, напиток становится слаще и слаще, поскольку получает больше сахаров, но затем он довольно быстро становится сухим и горьким». Этот миг, когда кофе находится на пике своих лучших качеств, — это то, к чему мы должны стремиться. Вот почему для каждого кофейного зерна подбирается собственный профиль приготовления, чтобы максимально раскрыть его сильные стороны.

— Личные предпочтения. Некоторые люди кладут сахар в любую чашку кофе. Хотя хорошо приготовленный кофе может быть восхитительно сладким сам по себе. Нужно только научиться чувствовать ее.

Питт Ликата, победитель World Barista Championship 2013, выделяет три вида баланса:

1. Полный баланс (все компоненты в нём представлены в равной степени и создают гармоничный напиток, который легко пить)

2. Баланс в сторону кислотности (в кофе мало горечи, но много кислотности и сладости; как правило, типичный представитель сегмента specialty-coffee)

3. Баланс в сторону горечи (противоположный сбалансированному в сторону кислотности. Этот кофе имеет характерный дымный вкус или «вкус обжарки», но сохранившаяся высокая сладость делает его довольно питким)

Профессиональные бариста «управляют» экстракцией так, чтобы подчеркнуть баланс: увеличивают/ уменьшают помол зерна, температуру, давление. По сути, настройка эспрессо или разработка профиля для заваривания кофе альтернативным методом и есть поиск баланса в напитке.

Обзор статьи «Роль растворенных катионов в процессе экстракции кофе»

Christopher H. Hendon, Lesley Colonna-Dashwood, Maxwell Colonna-Dashwood

Химический факультет, Университет г. Бат, граф. Эйвон, Клавертон Даун, Бат BA2 7AR, Великобритания

Перевод к.х.н,  Любови Чазовой

Аннотация: ароматические соединения в кофейных зернах существуют в форме апротонных электронейтральных частиц, а также кислот и соответствующих солей. Растворение и экстракция этих органических соединений есть процесс, который зависит от содержания в воде растворенных минеральных веществ. Известно, что различные соотношения и составы кофейного экстракта достигаются за счет контроля в воде «примесей»,  Na+, Mg2+ и Ca2+, которые ориентируются вокруг нуклеофильных центров кофе. Используя функциональную теорию плотности, авторы статьи рассчитали термодинамические энергии связи пяти известных кислот, содержащихся в кофе, а также кофеина и типичного ароматического компонента, евгенола. Исходя из этого, авторы выявили механизм и идеальный минеральный состав воды для экстракции ароматических соединений из кофе.

Ключевые слова: кофейный экстракт, водные примеси, функциональная теория плотности.

Введение

За последнее столетие, молекулярные компоненты обжаренного кофе были охарактеризованы посредством дистилляции и хроматографии (1-5). Эти компоненты дают сложные спектры органических молекул кофе после обжаривания, различающихся ароматом и интенсивностью. Представляемая работа дала толчок совместным усилиям как в университетах, так и в частных учреждениях, по объединению этих ароматических веществ в чашке сбалансированного и вкусного кофе (6). Существует однако много параметров, которые оказывают влияние на экстракцию водой содержащихся в кофе соединений (7). Обжарка, помол, температура, давление, время заваривания определяют продукт в чашке, но именно состав воды обеспечивает экстракцию сахаров, углеводов, оснований и кислот (8).

Роль воды и содержащихся в ней примесей были экспериментально подробно изучены в двух отдельных исследованиях, проведенных Локхартом и соавторами (9) и позже Пэнгборном и соавторами (10). Наряду с интересными влияниями на экстракцию кофе, оба исследования также описали роль, которую примеси в воде оказывают на вкус и запах воды, предэкстракцию. Однако эти работы не исключали влияния прочих компонентов, с которыми сталкивается кофейная индустрия: растворенные в воде ионы такие как, переходные металлы, галогениды, нитраты, сульфаты, фосфаты и, особенно, карбонаты. Установление роли растворенных ионов в процессе экстракции кофейных компонентов — это сложная задача для количественного определения на практике, поскольку имеет место множество конкурирующих между собой взаимодействий энтропийно и термодинамически значимых (т.е. замена воды из координационных сфер с образованием ионных пар). (11) В попытке решить эту проблему для конечных потребителей  SCA (Specialty Coffee Association) разработало нормативы «идеальной» воды для экстракции кофе. (12) Эти нормативы приняты в кофейной индустрии; расчет всех растворенных ионов представляет собой сумму концентраций катионов и анионов, полученных посредством измерения ионной проводимости растворенных в воде твердых веществ (TDS).(13) Как результат SCA предложили диапазон с неопределенным верхним пределом растворенных твердых веществ (приблизительно 300 ppm TDS) для наилучшей экстракции кофе.

В большинстве географических локаций концентрация бикарбонатов выше, чем растворенных щелочноземельных металлов, что приводит к высокой буфферной способности воды.(14) Рассматривая указанные норматив в верхним пределом 300 ppm растворенных твердых веществ, большинство производителей система фильтрации воды и ионного обмена фокусируют свое внимание на удаленнии или обмене растворенных ионов CO32− , которые неизбежно уменьшают количество ионов Ca2+) посредством рекомбинации с образованием накипи, соответственно снижая количество растворенных твердых веществ. (15,16) Стандартные системы фильтрации имеют в своем составе осмотическую систему или фильтрующие частицы на углеродном блоке, в то время как ионообменные блоки главным образом проявляются, как карбоксилатный буферезированный канал Mg2+ или Na+, который одновременно уменьшает концентрацию ионов Ca2+ посредством ионного обмена и некоторых карбонатов (как CO2) через быстрый перенос протона из колонки в раствор с последующим декароксилированием. Если анализировать этот промышленный подход, то похоже, что растворенные ионы это то, чем можно управлять или уменьшить их количество, но не избавиться от них совсем.

Взамодейтсвие между растворенными ионами зависит от их природы. Например, гидратация ионов Ca2+ это более экзотермический процесс, чем Mg2+. (17) Растворение более крупных молекул является более сложным процессом, потому что растворенное вещество находится в сложной матрице поляризованных взаимодействий. В химии ароматических веществ органические компоненты проявляют себя в виде областей с конкурирующими гидрофильными и гидрофобными свойствами, которые взаимодействуют с водой за счет водородных связей, кулоновских взаимодействий и через образование упорядоченных гидратных структур.(18) Тем не менее, когда растворенные компоненты находятся ниже точки насыщения воды они не значительно изменяют электростатические или водородные связи системы в целом. (19-21) В соответствии со статьей Локхарта, верхний предел концентрации растворенных ионов в кофейном экстракте не ограничивается насыщением, а скорее переэкстракцией. В данном контексте для нас было интересным установить роль растворенных катионов во взаимодействии компонентов кофе.

Применение современной вычислительной химии оказалось очень полезным для изучения подобных взаимодействий. Здесь мы предлагаем доступный квантово химический подход для расчет энергий связи между органическими соединениями кофе и стандартными растворенными ионами металлов Na+ , Mg2+ и Ca2+.

Нами были отобраны пять типичных кислот (1-5), кофеин (6) и евгенол (7) как представители большого класса органических производных, обнаруженных в различных концентрациях в обжаренных зернах (рис.1). (22)

Рисунок 1. Семь соединений, содержащихся в обжаренном кофе, которые показывают диапазон функциональности. Среди них пять карбоновых кислот, расположенные в порядке увеличения молекулярной массы: молочная кислота(1), яблочная кислота (2), лимонная кислота (3), хинная кислота (4), хлорогеновая кислота (5), алкалоид кофеин (6) и ароматическое вещество евгенол (7).

Из пяти кислот молочная кислота (1) и яблочная кислота (2) содержат кислотные ноты, тогда как лимонная кислота (3) проявляет сладкий вкус. Хинная кислота (4) и ее более распростарненное производное хлорогеновая кислота (5) рассматриваются как источники остроты и горького вкуса. (23, 24) Кофеин (6) был взять как самый типичный ароматический алкалоид (являющийся также слабым основанием pKa = 14) (25), тогда как евгенол (7) придает кофе, вину и виску восхитительные древесные нотки. (26,27) Необходимо отметить, что некоторые кислоты существуют в зернах в виде солей калия. Как мы позже покажем в этой статье, ионы K+ проявляют существенно более слабое связывание с компонентами кофе благодаря как диффузии, так и однозарядности. В данной статье мы рассматриваем кислоты в их свободной форме, поскольку относительные энергии связи электронейтральный молекул по отношению к ионам представляют наиболее слабое из возможный взаимодействии, демонстрируя значение ионных форм.

Все квантовохимические расчеты были произведены с использованием пакета программ FHI-aims. FHI-aims это полноэлектронный метод вычислений, который использует атомоподобные орбитали численно  усеченные для включения диффузии и функций поляризации.

Результаты и обсуждение

Растворенные  катионы взаимодействуют с нуклеофильными центрами сольватированных компонентов кофе. Это взаимодействие можно представить при помощи законов классической электростатики:

где энергия взаимодействия Ur  пропорциональна заряду как иона, так и раствора, деленое на межатомное расстояние, r2. Учитывая это, мы можем предположить, что частицы с более локализованным зарядом должны сильнее взаимодействовать с многополярными молекулами. Исходя из геометрической оптимизации мы получили равновесную локализованную структуру с минимальной энергией, где ионы металлов активно взаимодействуют с центрами богатыми электронами. Наглядное представление равновесных геометрий каждого такого кластера  «ион-раствор» показано на русунке 2, с указанием длин связей между ионом металла и нуклеофильным участков (Таблица 1).

Рисунок 2. Равновесное координационное окружение молочной (1), яблочной (2), лимонной (3), хинной (4) и хлорогеновой кислот (5), кофеина (6) и евгенола (7). Водород, углерод, азот, кислород и магний показаны белым, серым, фиолетово-голубым, красным и зеленым цветами соответственно.

Суммарные энергии связи представлены на Рисунке 3, с указанием рефренсного значения связи H2O-Mn+. Движущей силой диссоциации связанной с металлом воды является энтропия, однако существует термодинамически конкурирующее замещение связанных с металлом молекул воды соединениями 1-7 (17)

Рисунок 3. Энергии связей в газовой фазе соединений 1-7 и H2O с Na+, Mg2+ и Ca2+ обозначены серым, бежевым и темно-зеленым цветами соответственно.

На основании проведенных термодинамических расчетов можно сказать, что обмен ионов Ca2+ на Mg2+ повышает выход экстракта, не ухудшая вкуса кофе, также это имеет дополнительное преимущество в удалении образующейся накипи. Мы также хотим обратить внимание на удивительные результаты: ионы Na+  очень слабо связываются с нейтральными компонентами кофейных зерен, таким образом, вода, богатая натрием не несет никаких преимуществ для потребителя кофе, кроме удаления источника образования отложений. Таким образом, если основной мотивацией является экстракция как можно большего компонентов кофе (т.е. растворимый кофе), тогда наиболее подходящей является вода, обогащенная ионами Mg2+. Если же главным является получение максимально сбалансированного вкуса для данного обжаренного кофе, тогда как Mg2+, так и Ca2+ играют сопоставимую роль.

Необходимо заметить, что не существует одного единственного минерального состава воды, который обеспечит 100% экстракцию ароматических соединений из любого кофе. Скорее можно говорить о воде с наибольшими экстракционными свойствами (т.е. богатой катионами) и о воде для достижения конечного вкуса, в которой должен достигаться баланс между катионами в растворе и количеством бикарбоната (представляещего роль буфера). В дополнение к этому, каждое зерно обжаривается для получения оптимального вкуса и заваривается водой того состава, для которой оно было обжарено.