تعرف معنا بالتفصيل على كيمياء القهوة!

القهوة ليست مجرد مشروب يومي نعتمد عليه للحصول على دفعة من الطاقة، بل هي عالم معقد من التفاعلات الكيميائية التي تحول حبوب البن الخام إلى الكوب الغني والعطري الذي نستمتع به. من الزراعة وحتى الطحن والتحميص، تلعب كيمياء القهوة دورًا حاسمًا في كل خطوة من خطوات تحضير المشروب.

في هذا المقال، سنغوص في الأسس الكيميائية التي تجعل من القهوة مشروبًا فريدًا، مستكشفين العلوم التي تقف وراء النكهات والروائح التي نحبها. سنتعرف على كيفية تأثير مركبات مثل الأحماض، السكريات، والزيوت على طعم وجودة القهوة، وكيف يمكن لدرجات التحميص المختلفة وطرق التحضير أن تغير من توازن هذه المكونات. انضم إلينا لرحلة في علم كيمياء القهوة التي تبين لماذا هذا المشروب أكثر من مجرد كافيين.

كيمياء القهوة: المكونات الكيميائية

تتكون القهوة من بذور ناضجة لنبات القهوة أرابيكا (Coffea arabica Linn.)، وهي تنتمي إلى عائلة الرُبياسيات. القهوة التي يتم استخراجها من حبوب البن، التي تتواجد أيضًا في الثمار القرمزية، يتم إزالتها بالكامل، وأحيانًا يتم إزالة الغلاف البذري. يمكن أن تكون بذور جنس القهوة نيئة أو محمصة، كاملة أو مطحونة. المشروب الذي يُحضر من هذه البذور يُعرف أيضًا باسم القهوة.

من بين 70 نوعًا من القهوة، يتم زراعة ثلاثة أنواع فقط. توفر قهوة أرابيكا (Coffea arabica) حوالي 75% من إنتاج القهوة العالمي، بينما توفر قهوة روبوستا (Coffea canephora) حوالي 25%، وأقل من 1% يأتي من القهوة الليبرية (Coffea liberica) وأنواع أخرى.

بشكل عام، تُزرع القهوة على ارتفاع يتراوح بين 1000 و2000 متر. وهي نبات موطنه الأصلي إثيوبيا، البرازيل، الهند، فيتنام، المكسيك، نيبال، غواتيمالا، إندونيسيا، وسريلانكا.

المكونات الكيميائية:

المكونات الرئيسية للقهوة هي الكافيين، العفص (التانين)، الزيت الثابت، الكربوهيدرات، والبروتينات. تحتوي على 2-3% من الكافيين، 3-5% من العفص، 13% من البروتينات، و10-15% من الزيوت الثابتة. في البذور، يتواجد الكافيين على شكل ملح لحمض الكلوروجينيك (CGA). كما تحتوي أيضًا على الزيت والشمع.

سيتناول هذا المقال أنواع الكربوهيدرات، البروتينات، الدهون، وغيرها من المكونات الكيميائية بالتفصيل.

سيتناول هذا المقال مراجعة للطرق التحليلية المختلفة لتقدير كيمياء القهوة.

غالبًا ما تُستخدم القهوة كمضادات للأكسدة، لكن الأهم من ذلك أن القهوة مصدر جيد للكروم والمغنيسيوم اللذان يساعدان في التحكم في سكر الدم من خلال ضمان الاستخدام الصحيح للأنسولين.

أدناه المكونات الكيميائية الرئيسية في حبوب القهوة:

• الكافيين
• التانين
• الثيامين
• الزانثين
• السبيرميدين
• الجواياكول
• حمض الستريك
• حمض الكلوروجينيك
• الأسيتالديهيد
• السبيرمين
• البوتريسين
• السكوبوليتين

تم تحديد وقياس محتوى الكربوهيدرات في القهوة الخضراء والمحمصة (سانتوس). تحتوي القهوة الخضراء على حوالي 6إلى7% من السكروز كسكريات قابلة للذوبان وكمية قليلة من الجلوكوز. السكريات القابلة للذوبان في القهوة المحمصة هي السكروز والفركتوز والجلوكوز. كما تم إجراء تجربة لعزل كسور الهولوسيليلوز من القهوة الخضراء والمحمصة.

تم تحليل الهولوسيليلوز للقهوة الخضراء بطريقة جديدة تتكون من حمض الكبريتيك اللامائي وهيدروكسيد البوتاسيوم غير القابل للذوبان بنسبة 10%، والذي تم تحلله جزئيًا عند التحميص وأسفر عن النسب التالية من السكريات:

L-أرابينوز / 2D-جالاكتوز / 2D-جلوكوز / 6D-مانوز. من بين هذه السكريات، تم تحلل الأرابينوز بسهولة بالحمض. تم تحليل وتحديد مكونات أخرى في القهوة مثل الكافيين، التريجونيلين، حمض الكافيك، حمض الكلوروجينيك، حمض الإيزوكلوروجينيك، والأحماض الأمينية العشرة.

اختفت الأحماض الأمينية الحرة أثناء التحميص. تم تطوير طريقة تحليلية لتقييم الكافيين على الكروماتوغرامات.

في لب القهوة، يكون العفص المكثف هو المركب الفينولي الرئيسي، بينما في البذور، توجد المركبات الفينولية أساسًا كعائلة من الإسترات المكونة بين الأحماض الهيدروكسية سينامية وحمض الكينيك، والتي تعرف جماعيًا باسم أحماض الكلوروجينيك (CGA). تحتوي بذور القهوة الخضراء على ما يصل إلى 14% من CGA، والتي توجد بتركيزات عالية ولها تأثير أكبر في تحديد جودة القهوة وتلعب دورًا حيويًا في تكوين نكهة القهوة.

كيمياء القهوة: الكربوهيدرات و الدهون

الكربوهيدرات:

تشكل الكربوهيدرات جزءاً هاماً من كيمياء القهوة وتؤثر بشكل مباشر على نكهة القهوة وملمسها. في القهوة الخضراء، يمثل السكروز النسبة الأكبر من الكربوهيدرات القابلة للذوبان، وقد يصل تركيزه إلى حوالي 6-7%. بالإضافة إلى ذلك، يوجد كميات قليلة من الجلوكوز والفركتوز.

عند تحميص القهوة، يتم تفكيك السكروز وتحوله إلى كربوهيدرات أبسط مثل الجلوكوز والفركتوز نتيجة للتفاعلات الحرارية التي تحدث خلال عملية التحميص، مما يؤدي إلى تطوير النكهة واللون في القهوة المحمصة. تلعب الكربوهيدرات المحولة دورًا رئيسيًا في تشكيل نكهة القهوة من خلال تفاعلات مايلارد والكراملة التي تعطي القهوة طعمها الغني ولونها البني المميز.

بالإضافة إلى دورها في النكهة، تسهم الكربوهيدرات أيضًا في الخصائص الجسمانية للقهوة، مثل القوام واللزوجة، خاصةً عند تحضير القهوة بطرق تستخدم معدلات استخلاص مختلفة، مثل الإسبريسو أو القهوة المقطرة. بشكل عام، تؤدي الكربوهيدرات دورًا مهمًا في تحديد جودة القهوة وتجربة الاستمتاع بها.

الدهون:

تلعب الدهون في كيمياء القهوة دورًا مهمًا في تحديد ملمس ونكهة المشروب. حبوب القهوة تحتوي على نسبة من الدهون تتراوح بين 11 إلى 20%، والتي تشمل مزيجًا من الزيوت الثابتة والأحماض الدهنية. الزيوت الموجودة في حبوب القهوة تساهم بشكل كبير في تكوين الكريما، وهي الطبقة الرغوية الذهبية التي تتشكل على سطح الإسبريسو والتي يُنظر إليها على أنها علامة على جودة القهوة.

أحد الأمثلة على الأحماض الدهنية الموجودة في القهوة هو حمض الكافيستول، الذي يُعتقد أنه يساهم في رفع مستويات الكوليسترول إذا تم استهلاك القهوة غير المصفاة، مثل القهوة المحضرة بالفرنش برس. ومع ذلك، يُعتقد أيضًا أن حمض الكافيستول له خصائص مضادة للأكسدة.

عملية التحميص تؤثر بشكل كبير على مستويات ونوعية الدهون في القهوة. الحرارة خلال التحميص تُحفز تحولات كيميائية تُغير من تركيبة الدهون، مما يؤدي إلى تطوير النكهات المعقدة والمتنوعة التي نتذوقها في القهوة المحمصة. هذه الدهون لا تذوب في الماء ولكنها تساعد على نقل النكهات المركبة عبر الزيت الموجود في القهوة، مما يعزز النكهة الغنية والمرضية للقهوة.

الجزء الدهني للقهوة مستقر للغاية، وتكوينه موضح أدناه.

حمض اللينوليك هو الحمض الدهني السائد، يليه حمض البالمتيك.

تركيب الدهون:

• الترياكيلجليسيرول.
• إسترات الديتيربين.
• الديتيربينات.
• إسترات الثلاثي تربين.
• الثلاثي تربينات (الستيرولات).
• مركبات غير محددة.

بشكل عام، الدهون مهمة ليس فقط لملمس ونكهة القهوة، ولكن أيضًا لتأثيراتها الصحية والكيميائية داخل جسم الإنسان.

كيمياء القهوة: الأحماض

تشمل الأحماض المتطايرة أحماض الفورميك والأسيتيك، في حين تشمل الأحماض غير المتطايرة اللاكتيك، الطرطريك، البيروفيك، وحمض الستريك. المكونات الثانوية تشمل الأحماض الدهنية الأعلى والأحماض المالونية، السكسينية، الجلوتارية، والماليك. منتجات تحلل حمض الستريك تشمل أحماض الإيتاكونيك (I)، سيتراكونيك (II)، وميساكونيك (III)، بينما تعد أحماض الفيوماريك والماليك منتجات تحلل لحمض الماليك:

أحماض الكلوروجينيك هي الأحماض الغنية بشكل رئيسي في القهوة.

تحتوي القهوة الخضراء على التريغونيلين (حمض N-ميثيلنيكوتينيك) بنسبة تصل إلى 0.6% ويتم تحللها بنسبة 50% خلال التحميص. المنتجات المتحللة تشمل حمض النيكوتينيك، البيريدين، 3-ميثيل بيريدين، حمض النيكوتينيك، ميثيل إستر، ومركبات أخرى.

كيمياء القهوة: الملف النكهي

الملف النكهي للقهوة هو مصطلح يشير إلى السمات المميزة لنكهات القهوة التي تشمل الطعم، الرائحة، الجسم، والحموضة. هذه السمات تتأثر بعدة عوامل بدءًا من نوع القهوة ومنطقة الزراعة إلى طريقة المعالجة والتحميص. إليك نظرة مفصلة على المكونات الرئيسية للملف النكهي للقهوة:

1. الطعم: الطعم في القهوة يمكن أن يتراوح من الحلو والفواكه إلى الأرضي والمر. النكهات يمكن أن تشمل الشوكولاتة، الكراميل، الفواكه الحمضية، التوت، وأكثر. التنوع الكبير في الطعم يأتي من تفاعلات الكربوهيدرات والأحماض أثناء التحميص.
2. الرائحة: الرائحة هي واحدة من العناصر الأساسية في تجربة القهوة. الروائح مثل الجوز، الأزهار، الحمضيات، والشوكولاتة يمكن أن تتطور بناءً على الأصل الجغرافي وطريقة التحميص.
3. الجسم: الجسم يشير إلى الشعور الكلي بالوزن والقوام الذي تتركه القهوة في الفم. قد يكون خفيفًا، متوسطًا، أو ثقيلًا. قهوة بجسم ثقيل قد تكون غنية وكريمية بينما تكون القهوة بجسم خفيف أكثر نعومة وأقل كثافة.
4. الحموضة: الحموضة في القهوة لا تعني “الحامضية” بالمعنى السلبي، بل هي تلك النغمة النابضة التي تعزز النكهات الطازجة والحيوية. قهوة بحموضة عالية قد تظهر نكهات تذكر بالفواكه الحمضية مثل البرتقال والليمون.

كل هذه السمات تجتمع لتكوين ملف نكهي معقد يمكن أن يختلف بشكل كبير من حبة إلى أخرى ومن محصول إلى آخر. الملف النكهي للقهوة ليس فقط ما يجعل كل كوب فريدًا، بل إنه أيضًا يدعو محبي القهوة إلى استكشاف وتذوق مجموعة واسعة من النكهات والأرومات التي تقدمها هذه الحبوب الرائعة.

كيمياء القهوة: المعادن

القهوة ليست مجرد مصدر للكافيين، بل تحتوي أيضًا على مجموعة متنوعة من المعادن التي تلعب دورًا مهمًا في الصحة العامة. هذه المعادن تشمل البوتاسيوم، المغنيسيوم، المنجنيز، والنيكل، بالإضافة إلى كميات أصغر من الكالسيوم والنحاس. إليكم نظرة على بعض المعادن الرئيسية الموجودة في القهوة وفوائدها:

1. البوتاسيوم: البوتاسيوم معدن حيوي يساعد في تنظيم ضغط الدم، ويدعم وظائف القلب، ويساهم في تحسين الهضم. القهوة مصدر جيد للبوتاسيوم، مما يجعلها مفيدة في دعم هذه الوظائف الحيوية.
2. المغنيسيوم: المغنيسيوم ضروري لأكثر من 300 تفاعل بيوكيميائي في الجسم، بما في ذلك توليد الطاقة وتنظيم مستويات الجلوكوز في الدم. القهوة تحتوي على كميات معتبرة من المغنيسيوم، مما يساعد في دعم هذه العمليات.
3. المنجنيز: المنجنيز يلعب دورًا في عملية تكوين العظام وتخثر الدم، وهو مهم أيضًا للتمثيل الغذائي للكربوهيدرات والكوليسترول. القهوة تسهم في توفير جزء من احتياجات الجسم اليومية من المنجنيز.
4. النيكل: النيكل عنصر نزر يدعم الوظائف الإنزيمية في الجسم ويساهم في هضم الطعام وامتصاص العناصر الغذائية. على الرغم من أن الحاجة للنيكل منخفضة، إلا أن القهوة تساهم في تلبية جزء منها.
5. الكالسيوم والنحاس: بينما تحتوي القهوة على كميات أقل من الكالسيوم والنحاس مقارنة بالمعادن الأخرى، فإن هذه المعادن مهمة لصحة العظام وإنتاج الطاقة على التوالي.

على الرغم من أن القهوة ليست المصدر الرئيسي للمعادن في النظام الغذائي، إلا أنها تسهم في توفير هذه المغذيات الدقيقة الضرورية، مما يعزز فوائدها الصحية الشاملة إلى جانب توفير النكهة والطاقة المحببة للكثيرين.

كيمياء القهوة: الكافيين

أشهر مركب نيتروجيني هو الكافيين (1,3,7-تريميثيلزانثين) بسبب تأثيراته الفسيولوجية (تحفيز الجهاز العصبي المركزي، زيادة الدورة الدموية، والتنفس). يتميز بطعمه المر قليلاً. يتواجد الكافيين بنسبة 10٪ وحوالي 6٪ من حمض الكلوروجينيك في مشروب القهوة. خلال عملية التحميص، ينخفض مستوى الكافيين في الحبوب. يُستخدم الكافيين الصناعي والكافيين المستخلص من عملية إزالة الكافيين من قبل صناعات الأدوية والمشروبات الغازية.

يتم الحصول على الكافيين الصناعي بواسطة الميثيلة للزانثين، الذي يتم الحصول عليه من حمض اليوريك والفورماميد. طبيًا، يُستخدم الكافيين كمنبه للجهاز العصبي المركزي، عادةً ما يتم دمجه مع عنصر علاجي آخر وفي تحضيرات المسكنات.

يعمل الثيوبرومين كمدر للبول ومرخي للعضلات الملساء، لكن لا يُستخدم بشكل روتيني. يُستخدم الثيوفيلين كمرخي للعضلات الملساء وغالبًا ما يُصرف في تركيبات مستدامة لتقليل الآثار الجانبية. وهو متوفر أيضًا كأمينوفيلين (تحضير أكثر قابلية للذوبان يحتوي على الثيوفيلين مع إيثيلينديامين) وكولين ثيوفيلينات (الثيوفيلين والكولين). يمكن عزل القلويدات من المصادر الطبيعية أو الحصول عليها من خلال التخليق الكلي أو الجزئي.

تشمل القلويدات البيورينية الكافيين، الثيوبرومين، والثيوفيلين. لديهم توزيع محدود كقلويدات، لكن أصولها تقترب جدًا من تلك الخاصة بقواعد البيورين مثل الأدينين والجوانين، وهي مكونات أساسية للنيوكليوسيدات، النيوكليوتيدات، والأحماض النووية.

يُستهلك الكافيين بشكل رئيسي في شكل مشروبات مثل الشاي والقهوة والكولا وهو من أكثر المنبهات الطبيعية استهلاكًا وقبولًا اجتماعيًا. الثيوفيلين أكثر أهمية كمركب دوائي بسبب خصائصه المرخية للعضلات، ويُستخدم في تخفيف الربو القصبي بالمقارنة مع الكافيين طبيًا. الثيوبرومين هو المكون الرئيسي لمنتجات الكاكاو والشوكولاتة ذات الصلة.

التأثيرات الصحية للقهوة:

بعد ان تعرفنا على كيمياء القهوة بشكل عام، سوف نتطرق للشق الصحي لهذا المشروب الشهير الذي يتمتع بشعبية عالمية، حيث له تأثيرات صحية متعددة قد تكون إيجابية أو سلبية حسب الاستهلاك والحالة الصحية للفرد. على مر السنين، خضعت القهوة للعديد من الدراسات العلمية التي بحثت في تأثيراتها المختلفة على الصحة، من تحسين الأداء العقلي والبدني إلى العلاقة بين استهلاكها والمخاطر الصحية المختلفة.

كما رأينا في النقطة الخاصة بالكافيين، و هو المحفز الرئيسي فيها، يعمل هذا الأخير على تحفيز الجهاز العصبي المركزي، مما يؤدي إلى زيادة التركيز وتقليل الإحساس بالتعب. هذا الأثر يجعل من القهوة مشروبًا مفضلاً للكثيرين، خاصة في الصباح أو خلال ساعات العمل الطويلة. كما أن الكافيين يساعد في تعزيز الأداء الرياضي عن طريق زيادة قدرة الجسم على حرق الدهون وتحرير الطاقة.

من الناحية الصحية، أشارت دراسات متعددة إلى أن القهوة قد تقلل من خطر الإصابة بعدة أمراض مزمنة، مثل النوع الثاني من السكري وبعض أنواع السرطان، بما في ذلك سرطان الكبد والبروستات. كما وجدت الأبحاث أن استهلاك القهوة مرتبط بانخفاض خطر الإصابة بأمراض القلب والجلطات الدماغية.

إضافة إلى ذلك، تحتوي القهوة على مضادات الأكسدة، مثل حمض الكلوروجينيك، التي لها دور في محاربة الجذور الحرة في الجسم، مما يقي من العديد من الأمراض المزمنة. تساهم هذه المضادات للأكسدة أيضًا في تحسين الصحة العامة والوقاية من الشيخوخة المبكرة.

مع ذلك، يمكن أن يكون للقهوة أيضًا تأثيرات سلبية، خصوصاً عند الإفراط في استهلاكها. الاستهلاك المفرط للكافيين يمكن أن يؤدي إلى مشاكل صحية مثل القلق، الأرق، اضطراب ضربات القلب، وزيادة ضغط الدم. كما أن القهوة قد تؤثر سلباً على امتصاص بعض المعادن الضرورية مثل الحديد والكالسيوم، وبالتالي ينصح بعدم تناولها مع الوجبات الغذائية الرئيسية.

من الجدير بالذكر أن تأثير القهوة يمكن أن يختلف من شخص لآخر بناءً على عوامل مثل الوراثة والعمر والحالة الصحية. لذلك، ينصح بالاعتدال في الاستهلاك ومراعاة أي تأثيرات جانبية قد تظهر. في النهاية، يبقى فهم الجوانب المختلفة للقهوة وتأثيراتها أمرًا ضروريًا لتحقيق أقصى استفادة منها مع الحفاظ على الصحة العامة.

خلاصة:

كيمياء القهوة عالم معقد ورائع يكشف عن العديد من الأسرار حول كيفية تأثير هذا المشروب الشهير على حياتنا اليومية. تتكون القهوة من مئات المركبات الكيميائية التي تشمل الكافيين والأحماض والدهون والكربوهيدرات والبروتينات، وكل منها يلعب دورًا حاسمًا في تحديد النكهة والرائحة والتأثيرات الصحية للقهوة. الكافيين، وهو أشهر المركبات، يُعرف بتأثيراته المحفزة على الجهاز العصبي المركزي، بينما تعمل مضادات الأكسدة مثل حمض الكلوروجينيك على حماية الجسم من الأضرار التأكسدية.

عملية التحميص للقهوة تعد مرحلة حاسمة حيث تتحول الحبوب الخضراء إلى البن الأسود الغني الذي نستمتع به، وتحدث خلالها تغييرات كيميائية تؤدي إلى تكوين مركبات جديدة تسهم في تعقيد نكهات القهوة. من خلال التحميص، يتم تكوين مئات من المركبات العطرية والنكهات التي تميز كل مزيج.

فهم كيمياء القهوة يمكن أن يعزز التقدير لهذا المشروب ويفتح أبوابًا لتحسين تقنيات الزراعة والتحميص والتحضير. سواء كنت مستهلكًا يبحث عن أفضل كوب من القهوة أو عالمًا يسعى لاكتشاف المزيد حول تأثيراتها، فإن كيمياء القهوة توفر نافذة رائعة على عالم معقد يعج بالاكتشافات اللذيذة والمثيرة للدهشة.