Changes in physicochemical properties of cacao beans (Theobroma cacao L.) during roasting, conching, tempering process

Abstract

The objective of this study is to provide basic data on cacao bean production process, by measuring the antioxidant functions and monitoring compositional changes using NMR combined with multivariate statistical analysis in roasting, conching, and tempering processes affecting the quality characteristics of cacao bean such as flavor, functionality and proper texture in the manufacturing process of cacao product. Antioxidant functions (total polyphenols content, DPPH radical scavenging, and ABTS antioxidant activity) were measured for green cacao bean, cacao beans roasted at various temperatures (90, 120, 150, 180, and 210 °C), and cacao mass subjected to conching and tempering processes. The components in the process were analyzed using NMR and HS-SPME/GC-MS. As the roasting temperature increased, antioxidant functions of cacao beans gradually decreased and the antioxidant functions of the cacao mass during conching and tempering processes were not significantly different. The 23 major components of cacao green bean were identified and quantified using NMR and the overall compositional changes during roasting process were investigated with multivariate statistical analysis. Amino acids, sugars, most organic acids, and (-)-epicatechin were decreased as the roasting temperature increased. Caffeine and theobromine of methylxanthines, which are known to be relatively thermally stable, did not seem significantly affected by roasting. In the case of cacao masses subjected to conching and tempering process, 1H NMR analysis showed that the composition of the whole constituents did not change but the signal intensity was significantly reduced compared to roasting cacao beans. Analysis of HS-SPME / GC-MS showed that the volatile flavor components of cacao bean were produced at temperatures above 120 ℃, which is related to the Maillard reaction occurring in the roasting process. The results of this study can provide useful information in choosing process conditions suitable for the final product considering the flavor and functionality in the process of manufacturing cacao beans and further study to establish process conditions of conching and tempering applicable in industry. ;본 연구는 카카오 제품의 제조과정 중 향미, 기능성, 적절한 텍스처 등 카카오의 품질 특성에 영향을 미치는 로스팅, 콘칭, 템퍼링의 공정 단계에서 항산화 기능의 차이를 분석하고, NMR과 다변량 통계 분석법을 사용하여 카카오의 성분 변화를 모니터링 함으로써 카카오 제품의 제조 공정에 대한 기초 자료를 제공하고자 하였다. 카카오 생두와 온도 별로 로스팅한 카카오콩 (90, 120, 150, 180, 210 ℃), 콘칭 및 템퍼링 공정을 수행한 카카오매스에 대해 항산화 기능(총 폴리페놀 함량, DPPH 라디칼 소거능, ABTS 항산화도)을 측정하였고, NMR과 HS-SPME/GC-MS를 이용하여 공정 중 변화되는 성분을 분석하였다. 로스팅 온도가 증가함에 따라 카카오콩의 항산화 기능은 점차 감소하였고, 콘칭과 템퍼링 공정에 따른 카카오매스의 항산화 기능은 유의적인 차이를 보이지 않았다. NMR을 이용하여 카카오 생두의 주요 구성 성분 중 23개를 확인, 정량 하였고, 다변량통계분석법으로 로스팅 공정 중의 전반적인 성분 변화를 확인할 수 있었다. 로스팅 온도가 증가함에 따라 아미노산, 당류, 대부분의 유기산과 (-)-epicatechin은 카카오 생두에 비해 감소하였고, 비교적 열에 안정하다고 알려진 methylxanthine 계열의 카페인과 테오브로민은 로스팅 과정 동안 적은 성분 변화를 보였다. 콘칭과 템퍼링 공정을 거친 카카오매스의 경우, 1H NMR 분석을 통해 전체 구성 성분의 조성은 변화가 없지만, 로스팅 카카오콩에 비해 신호강도가 크게 감소됨을 확인하였다. HS-SPME/GC-MS의 분석 결과 120 ℃ 이상의 온도에서 카카오의 휘발성 향미성분들이 생성되었으며, 이는 로스팅 공정에서 일어나는 Maillard reaction과 밀접하게 연관됨을 확인하였다. 본 연구결과는 카카오의 제조 공정에서 향미, 기능성 등을 고려하여 최종 제품에 적합한 공정 조건 선택 시 유용한 정보를 제공 할 수 있으며, 추후 산업체에서 적용 가능한 콘칭과 템퍼링의 공정 조건을 확립하는 후속 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.