ESPRESSO AROMATİK BİLEŞENLER ANALİZİ

Bu yazımızda henüz tam olarak netleştirilmemiş olan espressonun aromatik yapısının analizlerini birçok değişkene bağlı olarak değerlendireceğiz.

Sektörün her geçen gün gelişmesiyle birlikte kahve zanaat ürünü olarak herkeste yer etmeye başladı. Her nadide zanaat ürününde olduğu gibi kahveyi bütün olarak incelemek, kimyasal bileşiklerine, fiziksel formlarına kafa yormak, bilinmezliği aydınlatmaya çalışmak büyük bir heyecan yaratmaya başladı.

Duyusala duyulan heyecan bir tarafa bilimsel alan bizlerin içini epey kıpırdatmakta. Laboratuvar çalışmalarımızın durmaksızın devam ettiği bu günlerde tüm bilim dünyasındaki hareketlilik bizi de oldukça ileri gitmek için motive etmekte.

Nerdeyse tüm kahve türlerinin üzerine inşaa edildiği, polifazik bir içecek olan espressonun aromatiklerini incelemek için yazımıza başlayalım…

Bilindiği üzere espresso, sıcak su ve yüksek basınç kullanılarak hızla yoğun ve kısa bir içecek elde etmeyi amaçlayan bir içecektir. Bu içecek belki de benzersiz duyusal özellikleri nedeniyle takdir edilir ve sevilir, bu özellikler arasında yoğun bir vücut ve yoğun aroma, acı/ekşi bir tat ve hoş bir kalıcı tat bulunur. Kahve aroması, oral ve nazal mukozaların duyusal algılarını etkileyen 1000'den fazla bileşiği içerdiği için son derece karmaşıktır. Kahve kimyasal bileşimi ve ardından bu içeceğin yarattığı duyusal algı, tarımın yapıldığı arazinin özellikleri, yetiştirme mevsimindeki iklim, hasat edilirken gösterilen özen, benimsenen işleme yöntemleri, fermentasyon prosesleri, kavurma işlemi, karıştırma, öğütme, suyun iyonik derişimleri, muhafaza tekniği ve demleme gibi birçok faktöre bağlıdır. Espresso hazırlamak için barista, istenen kahve fincanını elde etmek için kavrulmuş ve öğütülmüş kahve miktarı, kahve granülometrisi, bazı makine araçlarının tasarımı (örneğin, filtre sepeti, delikli disk), sıkma kuvveti ve su sıcaklığı ve basıncı gibi birkaç demleme değişkenini oynayabilir ve ayarlayabilir.

Espresso hazırlanırken, pre-infüzyon, kahvenin bazı mililitre suyu emerek şişmesine olanak tanır. Bu, kahve yüzeyinin gereken geçirgenliğe ulaşmasını sağlar, ve ardından ekstraksiyon (özütleme) aşaması başlar. Özütleme aşaması, suda çözünen bileşiklerin çözünmesi, bazı az çözünür bileşiklerin zorla (basınç ve yüksek sıcaklık) çıkarılması ve fiziksel olarak hapsolmuş moleküllerin, örneğin, arabinogalaktanlar, çıkarılması, ısıtmanın neden olduğu bozulma reaksiyonları (galaktomannanlar gibi birçok maddenin çözünürlük üzerinde etkili olduğu önceki çalışmalarda not edilmiştir) gibi birçok fenomenin meydana geldiği karmaşık bir mekanizmadır. İnce partiküllerin, kahve yağının ve kahve yağının su akışı yoluyla göçünün gerçekleştiği bu mekanizmada farklı kimyasal-fiziksel özelliklere sahip bileşikler çıkarılarak kompleks bir tat içeceği elde edilir.

Aslında, espresso birkaç sınıf bileşen içerir, ana ve iyi bilinen araştırılmış biyoaktif moleküller alkaloitler, fenolik asitler, fenolik asit türevleri, diterpenler ve melanoidinlerdir. Bu bileşiklerin aynı zamanda kahvenin antioksidan olma özelliğine katkıda bulunduğunu daha önceki yazımızda paylaşmıştık.

Espresso hazırlanmasına ilişkin birçok değişken, örneğin, kahve miktarı, parçacık boyut dağılımı, filtre sepeti, delikli disk, su kalitesi, suyun sıcaklığı ve basıncı, perkolasyon süresi, kek porozitesi, vb., kahve ekstraksiyonunda önemli bir rol oynayabilir.

Espresso yüzyıllardır kullanılmasına rağmen içeceğin kimyasına ilişkin bilgiler oldukça kısıtlıdır.

Önceki yazılarımızda bahsettiğimiz üzere kahvede 1000'den fazla uçucu tanımlanmıştır, ancak şu an ki bilgilerimize göre bunlardan sadece birkaçı kahvenin lezzet ve aroma özellikleri için önemli olarak kabul edilir. Bu bileşiklerin aroma bileşiklerini etkilediği düşünülmektedir. Kimyasal sınıflara göre, pirazinler, furanlar, aldehitler, ketonlar ve piroller olarak sınıflandırılırlar. Bu bileşikler, fenoller, hidrokarbonlar, asitler ve anhidritler, esterler, alkoller, kükürt bileşikleri ve diğerleri ile bulunur. Nicel olarak, kahvedeki ana iki kimyasal sınıf furanlar ve pirazinler iken, nitel olarak, kükürt içeren bileşikler pirazinlerle birlikte kahve aroması için en önemli olarak kabul edilir. Farklı kahve çeşitlerinin benzersiz ve özgün tatlarını neden açıkladığı, bu bileşiklerin konsantrasyon ve duyusal güçte değişken değişiklikler sergilediği bildirilmiştir. Sadece 20 ila 30 uçucu bileşiğin farklı kahve türlerinin aroması için önemli olabileceği öne sürülmüştür. 2023 yılında Zürih Üniversitesinde keşfedilen ve bloglarımızdan birinde daha önceki yazılarımızdan birinde iki yeni aromatik bileşik keşfinden söz etmiştik. 1000’den fazla bileşiğin yer aldığı bu muazzam kompleks yapıda 2 molekül keşfi oldukça heyecan verici olarak karşılanmakta.

Kahvede birçok uçucu bileşik bulunmasına rağmen, sadece birkaçı kahve aromasından sorumlu olan anahtar koku maddeleri olarak kabul edilir. Bu uçucu bileşiklerin kahve çekirdeği kavurma sırasında oluştuğu bildirilmektedir.Kahvede en fazla bulunan bileşik furanlardır, şu an ki keşiflere göre, kahvede 12 çeşit furan grubu yer almaktadır. Bu bileşikler karamelizasyon ve maillard reaksiyonlarının bir sonucu olarak karşımıza çıkar ve çoğunluklu olarak kakao, bitter, karamel tatlarından sorumludur. Espresso için çeşitli aromatik uçucu bileşiklerin arasında, furanik bileşikler ana kimyasal sınıf olarak nitelendirilebilir.  Arabica ve Robusta türleri arasında dahi furanik gruplar bir ayırt edici olarak karşımıza çıkar ve en önemli gruplardan olan furfuril asetat, yalnızca Arabica türünde yer almakta ve tatlı, meyvemsi tatlardan sorumlu olmaktadır. Furanları takiben, fenolik bileşikler aromatiklerin en önemlilerindendir ve kahvenin tadına birçok anlamda zenginlik katar. Polifenollere birçok yazımızda detaylıca yer vermiştik ve kahvenin antioksidan özelliğine katkısından bahsetmiştik. Polifenollere bu yazımızda, aromatikler gözüyle bakacak tada olan etkisine değineceğiz. Kavrulmuş ve öğütülmüş Arabica kahvesinde, yetiştirme parametrelerine bağlı olarak fenolik bileşikler 3 ila 56 mg/kg arasında değişmektedir. Bazı fenolik bileşikler, özellikle guaiacol, 4-etilguaiakol ve 4-vinilguaiakol, kavurma işlemi sırasında üretilir ve kahve aroması için oldukça önemli olarak kabul edilir. Bilinmesi gereken kısım, bu fenolik bileşiklerin, klorojenik asitlerin termal bozunmasından kaynaklanması ve kavrulmuş ve öğütülmüş kahvedeki içerikleri, orijinal yeşil çekirdekteki klorojenik asit seviyeleri ile ilişkili olduğudur. Polifenollerin temel bileşikelrinden guaicol, kahvedeki dumansı ve baharatsı tatlardan sorumludur. Pirazinler ise kahvenin kavrulması sonucu ortaya çıkan bir molekül grubu olarak bilinir. Bu molekül sınıfı, kahvede bol miktarda bulunur ve karbonhidratlar ile α-amino asitler arasındaki reaksiyonlar sonucunda oluşur. Alkilpirazinler, kahve deminin anahtar aroma bileşenleri olarak kabul edilir. Espresso hazırlanırken 96 derecenin üzerindeki her sıcaklıkta pirazinler fazlasıyla ekstraksiyonda yer almaktadır. Yapılan çalışmalardan espressoda 12 adet tattan sorumlu pirazin keşfedilmiştir. Bunlar arasında, 2-etil-6-metilpirazin, 2-etil-3,5-dimetilpirazin ve 2-etilpirazin daha önce güçlü anahtar aroma bileşenleri olarak rapor edilmiştir. Şekerin aminoasitli ortamda yükseltgenmesiyle ortaya çıkan pirazinler, kahveye fındık, patates, mısır, karamel, yağ, çikolata ve pişmiş gıda tatlarını verirler. Sayıca fazla bileşik grupları ile yer alan pirazinler tatta oldukça fark yaratıcı bir etkiye sahiptirler.Aldehitler ve ketonlar kahvenin aromalarına oldukça yüksek seviyede katkıda bulunan, miktarları henüz netleşmemiş farklı türleri ile katkıda bulunan bileşik kalıplarıdır. Bu yazımızda espresso aromatikleri ile sınırlı kalacağımız için detaylı şekilde anlatmayacağız ama koku, tat, aromalar ile ilgili oldukça geniş çaplı bir yazının sizleri beklediğini söylemek isterim. Zira bu konu elimizdeki çalışmaların çokluğu, kahvenin muhteşem kompleks yapısı ile başlı başına bir eğitim konusudur. Yakında bununla ilgili bir eğitim de açacağımızı duyurarak konumuza devam edelim.Metionin pirolizinden türeyen bir mercaptan olan metanetiyol gibi kükürt içeren bileşikler, duyusal potansiyelleri nedeniyle kahve aromasına çok önemli katkıda bulunurlar. Metanetiyol, diğer demleme tekniklerine göre espresso'da daha yüksek konsantrasyonlarda bulunmuştur ki muhtemelen bu durum daha yüksek su basıncı ve hızlı demleme süresinden kaynaklanmaktadır. Tiyol grupları ve merkaptanlar, espressoya çeşitli aromalar katarlar. Özellikle metanetiol, espressonun belirgin kokularından biridir ve çoğunlukla meyvemsi, çiçeksi ve ilginçtir ki sarımsaklı kokularla ilişkilendirilir.

Espressonun karakterizasyonunda, en temel 8 bileşiği sıralayacak olursak; 3-metilbutanal, 2-etilpirazin, 2-metilbutanal, 2-etil-6-metilpirazin, 2-etil-3,5-dimetilpirazin, guaiacol, 2,3-pentanedion ve diasetil gruplarıdır. Espresso için keşfedilen genel bileşik grupları olarak ise; 11 furan, 10 pirazin, 4 aldehit, 3 fenolik bileşik, 2 keton, 2 piridin, 2 indol, 1 ester, 1 lakton ve 1 benzotiyazin şeklinde 37 bileşik tanımlanmıştır.

Bileşikleri kafa karışıklığına mahal vermemek için, her bir kimyasal grubunun en yüksek miligramlı bileşi!

Aldehit grupları için; 2-metilbütanal (malt, fermante, yağlı tatlar), Pirazin grupları için; 2-etilpirazin (topraksı, odunsu, kağıtsı, küflü tatlar), Furan grupları için; 2-furanmetanol asetat (maltlı, tatlı, dumansı tatlar), Keton grupları için; 2,3-pentanadion (yağlı, karamelimsi tatlar), Alkol gruplarından; feniletilalkol, Asit gruplarından; asetik asit, Ester gruplarından; asetol asetat (meyvemsi tatlar), Pirol gruplarından; N-furfurilpirol (fındıksı tatlar), Sülfür bileşiklerinden; metanetiyol ( lahana, sarımsak tatlar (sülfür bileşikleri rahatsız edici olarak tanımlansa da espresso yapılırken hızla oksidayona uğraması nedeniyle tazelik ve ferah tatları bardağa bırakır ki bu da büyük bir katkıdır)), tiyol gruplarına ek olarak en önemli espresso bileşiklerinden 2-furfuriltiyol (güçlü kavruk tatlar), Fenolik bileşiklerden; 4-vinilguaiacol (baharatlı tatlar) ve bunların haricindeki bileşik gruplarından en çok rastlanan ise piridinler (tozlu, yağlı, fındıksı tatlar) ve terpenlerdir (tatlı, meyvemsi tatlar).Bu bileşikler kendi başlarına bu tatları vermektedir fakat birbirleri ile ilişkilendirildiği durumlarda farklı aromaları ortaya çıkarmaktadır. Örneğin, Metanetiolün, meyvemsi tadı artıran asetaldehit ile sinerjik bir etki oluşturduğu gözlemlenmiştir, bu durumda metanetiol ve taze-meyvemsi koku arasındaki korelasyonu açıklanmaktadır.

Espresso için oldukça ileri seviye olan bu bileşik tanımları bilinmesi gereken en temel formlardır.Kompleks yapıdan bileşikleri tek tek ayırmak oldukça zordur, espressonun aromasını analiz etmek için Gaz Kromatografisi-Kütle Spektrometrisi (GC-MS) kullanmıştır. GC-MS, kullanışlı bir analitik araç olarak kabul edilse de uçucu bileşiklerin koku açıklamalarını vermez ve dolayısıyla, aromadan sorumlu bileşikleri ayırt etmez ve tanımlamaz. Bunun için, gaz kromatografisi-olfaktometri (GC-O), anahtar koku maddelerini belirlemek için değerli bir sistem olarak düşünülebilir. GC-O, insan burnunu bir dedektör olarak kullanımıyla tipik gaz kromatografik ayırma işlemini birleştiren tekniklerdir. Daha önce Zürih Üniversitesinin bileşik keşfinde bu cihazdan bahsetmiştik. GC-O analizi ile elde edilen veriler, CharmAnalysisTM (kombinasyonlu hedonik aroma tepki ölçümü), aroma ekstraktı seyreltme analizi (AEDA), yüzey nazal etki frekansı (SNIF) ve Osme (kokudan türetilen Yunanca kelime anlamına gelir) gibi yöntemlerle değerlendirilebilir. Birçok çalışma, espressonun anahtar koku maddelerini belirlemek için GC-O'yu kullanmıştır.

Bu yukarıda saydığımız aromalara çekirdeğin bilinçli fermentasyona uğramadığı halidir. Çünkü fermentasyonla ilgili birçok yazıda yazdığımız gibi, işin içine bilinçli fermentasyon girdiğinde yukarıdaki kombinasyonlarda birçok değişiklikler meydana gelmektedir, özellikle polifenol gruplarında büyük farklar ortaya çıkmaktadır.Espresso kahvesinin duyusal özellikleri ve bunların kahve aromasıyla ilişkisi sadece uçucu profiliyle açıklanamaz. Önemli bileşiklerin önemi ve daha da önemlisi, kahve aromasına katkılarının doğası, kahve aromasının değerlendirilmesi için belirli kimyasal analizlerin yanı sıra belirli kemometrik araçlarla (örneğin, çok değişkenli istatistiksel yöntemler) birlikte kullanılabilir. Yaygın olarak kullanılan teknikler arasında birincil bileşen analizi (PCA) ve kısmi en küçük kareler regresyonu (PLS) bulunur. En küçük kareler metodunu da bir yazımızda anlatmıştık. EC lezzetinin görsel özelliklerle kimyasal bileşimi arasındaki ilişkiyi derinlemesine anlamak için, bazı araştırmacılar çok değişkenli istatistiksel yöntemlerin (örneğin, PCA ve PLS regresyonu) uygulanmasıyla anahtar bileşikleri ve tatlar arasındaki korelasyonu belirlemiştir ve duyusal tat profili, seçilmiş ve eğitilmiş bir hakem paneli kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Yazımızda kısa espresso hazırlama parametrelerinin ne gibi aroma sonuçlarına bizi ulaştıracağını özetleyeceğiz.

Öncelikle ekstraksiyon (çekim) süresi; espressonun lezzet profilinden sorumlu bileşiklerin çıkarılması, su ve kahve arasındaki temas süresine bağlıdır. Çekim işleminin ilk saniyelerinde, şekerler, organik asitler, kafein vb. gibi oldukça çözünür bileşiklerin %90'dan fazlası çıkarılır. Ayrıca, çekim süresi arttıkça, aromatik profil için sorumlu bileşiklerin ekstrakte edilmesi azalır. Benzer şekilde, espressoda antioksidanların, özellikle kafeoilkinik asit gibi daha az polar bileşikler için uzun süre (75 saniye) alındığı ve daha yüksek antioksidan içeriği sağladığı filtre kahveden daha uzun süre (75 saniye) alındığı belirtilmiştir. Uçucu organik bileşiklerin %95'inin çıkarılması için biraz daha fazla zaman gereklidir (10 saniye kadar), konsantrasyon zirvesi 2 ile 24 saniye arasında olmaktadır. Son olarak da daha az çözünür bileşikler, acı ve buruk bileşikler gibi, daha uzun çekim süresi veya daha yüksek su içeriği kullanılarak ortaya çıkar.

İkinci parametre olarak, su sıcaklığı değişkenliği gelmektedir. Sıcaklık, çift etkili bir parametredir çünkü su moleküllerinin hareketliliğini arttırarak kahveden çıkarma işlemini artırır ve diğer yandan, duyusal profili sağlamak için vazgeçilmez olan uçucu organik bileşiklerin salınımından sorumlu olabilir. Kahve duyusal profili korunurken, molekül çıkarma miktarının artırılması ile uçucu organik bileşiklerin olası kaybı arasında bir denge gereklidir. Ayrıca, daha yüksek su sıcaklığı, daha yüksek toplam katılar ve kafein içeriği sonucunu verir. Krema endeksi de sıcaklıkla artar. Ayrıca, artan bir sıcaklık rampası (88–93 °C) kullanarak, astringansiyon, acılık, iyi krema rengi, dengeli aroma yoğunluğu, vücut ve lezzet veren kafein, asitli bileşikler ve klorojenik asit içeriğinde artış vardır. Azalan bir sıcaklık rampası (93–88 °C) kullanmak, 5-dikafeoilkinik asit (5-CQA) içeriğinde azalma, krema endeksinde, viskozitede, vücutta ve hoş koku seviyesinde azalma ve acılıkta artışa neden olur. Uçucu organik bileşiklerle ilgili olarak, daha yüksek sıcaklık kullanımı, bu bileşiklerin daha yüksek salınımına neden olur. Özellikle, ≥96 °C sıcaklıkta su kullanımı, yukarıda yazdığımız gibi guaiacol ve pirazinler gibi maddelerin ortaya çıkmasını sağlamaktadır.

Diğer bir değişken olan basınç, espresso hazırlığında çok önemli bir parametredir çünkü bildiğiniz üzere suyun sıkışmış kahveye nüfuz etmesine olanak tanır. Daha yüksek bir basınç, aslında, basınç uygulandığında daha az buharlaşan aromatik bileşiklerin daha yüksek bir içeriği ile ilişkilidir. 11 bar basınç uygulaması, espressodaki uçucu organik bileşik içeriğini arttırır ve konsantrasyonun ilk 10 saniyesinde zirveye ulaşır. Bazı biyomoleküllerin ekstraksiyonu da basınçla artar. Aslında, alkoloid grubu olan trigonellin (bitter, acı tatlar), niasin ve kafein, 92 °C'de 7-9 bar basınç ile maksimum seviyede çıkarılır. Aynı şekilde toplam lipidler, 12 bara kadar ulaşan basınçlarla daha fazla çıkarılır. Basınç ayrıca krema oluşumundan da sorumludur. Aslında, kahvedeki karbon dioksit basınç tarafından suya zorlanır ve serbest bırakıldığında, kahvenin üzerinde tipik krema oluşur. Özellikle, 9 bar basınçta hazırlanan espresso yüksek krema tutarlılığına ve yüksek aroma yoğunluğuna sahiptir. Basıncın 11 bara kadar artırılması, acılığı, burukluğu ve tat sonrası yoğunluğunu arttırır, bu da bu espressonun daha az lezzetli olmasına neden olur.

Sonuncu değişkenimiz ise parçacık boyutudur. Parçacık boyutunun ekstraksiyon sürecindeki etkisi, öğütme işleminden sonra elde edilen yüzey alanının kullanılabilirliği ile ilgilidir. Bu, göz ardı edilmemesi gereken bir yönüdür. Aslında, kaba parçacıkların kullanımı, kahve partiküllerinin arasındaki suyun çok yüksek akışı nedeniyle çıkarma verimini azaltır; diğer yandan ise, küçük parçacıkların kullanımı filtre sepetini tıkayabilir ve su ile kahve partikülleri arasındaki temasın daha uzun olması nedeniyle aşırı çıkarıma neden olabilir. 2015 yılında yapılan bir çalışmada, daha ince partiküllerin kullanımının, kafein veya kahve aromatik profili için sorumlu bileşiklerin çıkarılmasını arttırdığını göstermiştir. Parçacık boyutları kahve örneklerinde neredeyse hiçbir koşulda sabit değildir çünkü öğütme işlemi sırasında nem içeriğine ve kavurma derecesine bağlıdır. Özellikle, kavurma derecesi ne kadar yüksekse, partiküllerin gözenekliliği ve kırılganlığı o kadar yüksektir. Nem içeriğine gelince de su içeriği ne kadar yüksekse, partiküller o kadar büyüktür. Bu nedenlerden dolayı, espressoda duyusal profili etkilemek için öğütme sürecindeki parçacık boyutu değişikliklerini belirlemek kolay değildir.

Bu yazımızda tüm temel içeceklerin bazı olan espressonun aroma analizlerini, analiz yöntemlerini aktararak, espresso hazırlık parametrelerine değinerek inceledik. Espresso kahvesinin fincana aktarılması sırasında aroma göçünü modüle eden ana etkenler büyük farklar yaratmakta ve bu seçiciliğin temel unsularını oluşturmaktadır. Çünkü espressonun aroma profili, tüketici tarafından, o kahvenin kabul edilebilirliğini etkileyen bir kalite göstergesidir. Espressonun aroma optimizasyonu temel bir bilince dayandırılarak yapıldığında herkesi mutlu edecek sonuçlar kaçınılmaz olacaktır.

Duygu Kurtuluş

Co-Founder / Chemist / Nanotechnology Engineer / Hazardous Chemical Consultant / Chemical Evaluation Specialist