烘焙基礎科學——褐變反應

 

烘焙基礎科學——褐變反應

(一）酶促褐變反應( Enzymatic Browning) 

咖啡烘焙需要在高溫環境下進行，而酶促褐變反應在室溫條件下就會產生。

 自然界所有的反應都需要起始能量。對於烘焙咖啡來講，這個起始能量來自於烘焙機提供的熱能。但是酶促反應需要特殊的促發因素-酶.

 簡單講酶是一種特殊的蛋白質，它可以對特定反應起到加速作用。生物界中有幾千種不同的酶，生命中沒有酶就會停止。  

葡萄酒無非是脫氫黴的新陳代謝。(註：醇脫氫酶是催化醇脫氫形成醛或酮的酶，參與醇的發酵。醇脫氫酶（Alcoholdehydrogenase），又名酒精去氫酵素，是一組化合物，存在於人體或其他動物的消化系統內。酒精在人體內分解，90-95%以上經由氧化途徑，而脫氫過程是當中的最主要步驟，由這種醇脫氫酶及醛脫氫酶負責)。 

而胃蛋白酶（Pepsin）可以使牛肉中的蛋白質更容易被人體吸收。（註：Pepsin是一種消化性蛋白酶，由胃部中的胃黏膜主細胞（gastric chief cell）所分泌，功能是將食物中的蛋白質分解為小的肽片段。主細胞分泌的是胃蛋白酶原，胃蛋白酶原經胃酸或者胃蛋白酶刺激後形成胃蛋白酶）。 

細胞色素P450同工酶使人體可以吸收咖啡因。

（註：人體內代謝藥物的主要酶是細胞色素p450超家族（Cytochrome p450, proteins,CYP),它們是一類主要存在於肝臟，腸道中的單加氧酶催化多種內外源物質的代謝，P450酶通過其結構中血紅素中的鐵離子傳遞電子氧化異源物增強異源物質的水溶性。） 

酶促褐變聽起來比較陌生，但酶促褐變現象在日常生活中隨處可見。我們以蘋果為例，我們將一個蘋果切為兩半，此時我們實際上切開的是蘋果的纖維組織(Cellulose.又稱細胞膜質) 

（註：纖維素cellulose是由葡萄糖組成的大分子多糖。不溶於水及一般有機溶劑。是植物細胞壁的主要成分。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖） 

細胞膜質破裂後析出無數化合物，這些化合物進入到四周的纖維組織中。其中一種化合物是一種酶-多酚氧化酶(PPO). 一旦和空氣接觸後多酚氧化酶會快速將纖維組織中的多酚催化（氧化）為醌，醌聚合併與細胞內蛋白質的胺基酸反應，結果產生黑色素沉澱造成蘋果發黃的現象。酶促褐變反應使蘋果看起來不是很好，但對人體不會產生有害作用。 

但是,酶促褐變產生的聚合物質對細菌有強烈的毒性，它構成保護性屏蔽使細胞免受病菌的侵害，這是植物保護自己免受細菌侵害的有效措施尤其是在成熟期間。 

酶促褐變反應僅僅對少數水果可以帶來明顯的好處如：葡萄乾，李子，無花果，可可。人們考慮更多的是酶促褐變反應對水果蔬菜品質的影響以及對水果蔬菜產業所造成的經濟損失，相關研究數據表明50%的水果蔬菜在運輸期間會受到不同程度的損害。

（註：植物如蘋果、荔枝、菠菜、馬鈴薯、豆類、茶葉、桑葉、菸草等，多酚氧化酶PPO是與內囊體膜結合在一起的，天然狀態無活性，一旦將水果蔬菜組織勻漿或損傷後多酚氧化酶PPO被活化，從而表現出活性造成酶促褐變反應。）

 酶促褐變反應和咖啡有何關係？

酶促褐變反應對茶葉及可可影響比較大(註：茶葉加工利用酶的特性，用技術手段鈍化或激發酶的活性，使其沿著茶類所需的要求發生酶促反應而獲得各類茶特有的色香味。）酶促褐變反應只是褐變反應的一種，酶促褐變反應與咖啡沒有關係，但是對讀者了解褐變現象有幫助作用，與咖啡有關的褐變反應是-非酶促褐變反應（Nonenzymatic Browning)。

 非酶促褐變反應(Nonenzymatic Browning)

 非酶促褐變反應不同於酶促褐變反應。非酶促褐變反應不需要酶，但是其反應需要熱能，糖，胺基酸。與咖啡烘焙有關的非酶促褐變反應有兩種：焦糖化反應(Caramelizationrecation)及梅拉德反應（Mailardreaction).

 焦糖化反應（CaramelizationReaction)

焦糖化反應比較容易解釋。焦糖化反應是糖的氧化，脫水，降解過程，它對咖啡的風味及顏色都會有影響。我們這裡指的糖主要是蔗糖（sucrose),我們在做菜過程中使用的糖屬於蔗糖。當蔗糖杯加入到160度C開始慢慢脫水溶解變成半透明的液態。當被加熱到200度時糖中的化合物開始重組，產生棕色的焦糖（太妃糖）帶有一定的燒糊（burnt)氣味及苦味（bitter)，和一般人想像中甜甜的焦糖蛋糕中的焦糖味道完全不同。平常食用的焦糖會加入糖，奶，或其它風味劑。 

根據使用目的不同，製造商可以對焦糖化所造成的風味和顏色做選擇，例如使用氨法生產的焦糖色素用於可樂飲料的上色。 

除了產生氣味和顏色，焦糖化反應會產生有機酸(organic acids).例如在糖脆的製作過程中加入小蘇打粉（baking soda)與有機酸產生反應釋放出二氧化碳,形成獨特的口感。 

在咖啡烘焙過程中也有類似的反應發生，糖降解也會產生二氧化碳，二氧化碳加大了咖啡豆內部纖維細胞組織的壓力，最終造成纖維組織的斷裂，形成了咖啡烘焙過程中「二爆」所發出的爆裂聲。咖啡過程中「一爆」現象產生的原因不同於「二爆」，「一爆」主要是由咖啡豆中水分蒸發所形成的壓力造成的。 

大約90%的蔗糖會在烘焙過程中降解形成多種產物，包括：甲酸（formic acids),醋酸（acetic acids). 

有實驗表明醋酸含量在烘焙前期可以增加大約20倍，隨烘焙後期醋酸會快速減少。雖然醋酸屬於弱酸但是它會對咖啡風味造成影響。阿拉比卡咖啡的蔗糖含量大約是羅布斯塔咖啡的兩倍因此我們可以在阿拉比卡咖啡中體驗到明顯的香氣和酸度。 

總之，焦糖化反應會在烘焙過程中產生香氣，酸度，二氧化碳，及顏色。焦糖化反應和梅拉德反應一起對咖啡最終風味的形成造成影響。 

梅拉德反應The Maillard Reaction

梅拉德反應因該是所有褐變反應中最複雜的一種。雖然它和食品有密切的關係，但實際上它的最初發現是在醫藥業。1900年Dr Louis Camille Maillard 正在從事他一生中最為複雜的研究：人體產生蛋白質的機理。當他在加熱還原糖和特定胺基酸混合溶劑時，溶劑逐漸從透明液體轉化為棕色液體並帶有烤堅果及烤麵包的香氣，這標示了梅拉德反應的正式發現。隨後有大量的公司開始對梅拉德反應展開研究。二次世界大戰期間士兵抱怨供給品中的粉狀雞蛋有變色變味現象，這引起軍方的注意並開始調查研究。直到現在人們也沒有完全認識梅拉德反應的全部過程，梅拉德反應是現代食品行業中的重要研究課題，在醫藥行業它涉及到有關衰老過程問題的研究。 

梅拉德反應的核心問題是在有機食品的熱加工過程中不同胺基酸和不同糖相互結合，對最終產品（烤麵包，牛肉，咖啡等）的風味及味道造成的影響。鑑於梅拉德反應的複雜度，本文的討論只能算是基本的介紹，更深的研究探討超出本文的範圍。 

梅拉德反應可以總結為4個主要步驟：

第一步，糖和胺基酸在烘焙中結合生成葡萄糖胺（N-glucosamine)化合物，這些化合物性質不穩定，一般會進行第二次反應（葡萄胺重排反應AmadoriRearrangements)生成另外一些中間產物。到此步為止所有生成的化合物沒有顏色也沒有氣味及味道。第三步strecker降解過程中葡萄糖胺與特定的胺基酸再次產生反應生成了新的具有芳香特徵的化合物,這些化合物與咖啡的香氣有直接關係，如：吡嗪,吡啶有烤玉米/烤堅果/苦的氣味。第四步生成的蛋白黑素化合物決定了咖啡的顏色。 

有些因素可以影響梅拉德反應包括：含水量，pH值，溫度.胺基酸和糖的結合過程中產生水，烘焙物質的水活性（物質中水分含量的活性部分或者說自由水）過高會妨礙梅拉德反應。對於那些水活性較低的物質如：麵包，奶粉等褐變會發生的比較快。梅拉德反應在鹼性條件下會加速，有利於Amadori重排產物形成1-deoxysome（脫氧葡萄糖醛酮），它是許多食品香味的前驅體。溫度是我們可以掌控的影響因素，溫度每上升10度C,梅拉德反應速度會翻倍。這種現象在「二爆」之後比較明顯。 

隨著烘焙度的加深，越來也多的水分從咖啡豆中消失從而造成潛在反應物比重的增大（比較像海水蒸發，鹽的比重隨之增加），梅拉德反應也會隨反應物比重的增大而加快。隨著溫度上升及反應加快，咖啡風味走向也發生變化，苯酚，吡嗪,吡啶的含量增加，醋酸含量在初期達到頂峰後會迅速減少。簡單講，咖啡烘焙度的加深會造成香氣，醇厚度，刺激性的增加，酸度逐漸減少。

 焦糖化反應和梅拉德反應即相似又不同：

1.焦糖化反應不需要氮源物質(元素），它僅僅是糖的分解。梅拉德反應需要糖及胺基酸（氮源物質)。 

2.焦糖化反應發生的溫度要高於梅拉德反應發生的溫度。梅拉德反應可以在室溫條件下緩慢進行，而焦糖化反應一般會在150度C以上進行反應。

 3.兩個反應都會形成蛋白黑素及風味化合物即形成：顏色和風味。

 本文只是簡單介紹咖啡烘焙過程中的化學反應，希望本文成為大家繼續深入研究的起始點。