Deux familles de réactions gouvernent la torréfaction, et ce sont celles de la croûte de pain et du caramel. La réaction de Maillard, décrite par Louis-Camille Maillard au début du XXe siècle, fait réagir sucres et composés azotés et produit à la fois la couleur brune et des centaines de molécules odorantes ; la caramélisation dégrade les sucres seuls. Les deux fabriquent les mélanoïdines, des polymères bruns hétérogènes construits sur le saccharose, les arabinogalactanes, les galactomannanes, les protéines et les acides chlorogéniques, qui représentent jusqu'à 25 % de la matière sèche d'une tasse et portent la couleur, une part du corps et de l'astringence.

La trigonelline est dégradée à 50 ou 80 % selon le degré de cuisson, en acide nicotinique (la vitamine B3, 1 à 2 % de ce qui est dégradé), en pyridine et en méthylpyridines. Le saccharose disparaît presque entièrement. Le détail de la cuisson est sur la planche torréfaction.

Moreira, Nunes, Domingues, Coimbra, Food & Function 3 (2012), p. 903-915 ; RSC 2019, ch. Trigonelline ; Yang et al. 2026, p. 12 ; LC ch. 16b

L'amertume est surtout fabriquée par la cuisson, pas héritée du grain. En 2007, Thomas Hofmann et Oliver Frank (université de Münster, puis TU Munich) isolent par fractionnement les composés amers du café torréfié : les lactones d'acides chlorogéniques, formées quand les CGA perdent une molécule d'eau, donnent l'amertume franche et plaisante des cuissons claires à moyennes ; si la cuisson continue, ces lactones se cassent en 4-vinylcatéchol, qui s'oligomérise en phénylindanes hydroxylés, responsables de l'amertume âpre et persistante des cafés trop cuits.

La caféine, que le public tient pour la source de l'amertume, n'en porte qu'une part. Dans le même mouvement, la dégradation des CGA libère de l'acide quinique, dont la teneur monte avec la cuisson foncée, le vieillissement et le refroidissement de la tasse.

Frank, Blumberg, Kunert, Zehentbauer, Hofmann, J. Agric. Food Chem. 55 (2007), résumé par l'American Chemical Society, 21 août 2007 ; document de formation professionnelle, l'acidité dans le café, p. 3

Les volatils sont l'autre produit de la cuisson. Plus de mille composés volatils ont été identifiés dans le café torréfié, mais seule une minorité pèse réellement sur l'odeur. La raison tient au seuil de perception : une molécule ne compte que si sa concentration dépasse la dose à partir de laquelle le nez la détecte. Être présent ne suffit pas.

Trier ces mille composés demandait donc une méthode. En 1992, Blank, Sen et Grosch (Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie, Garching) en essaient une sur la poudre et la boisson d'un arabica. Leur outil est l'analyse de dilution d'extrait aromatique, c'est-à-dire qu'on dilue l'extrait par paliers jusqu'à ce que l'odeur cesse d'être perçue. Plus une molécule résiste à la dilution, plus elle pèse.

Ils retiennent ainsi 13 odorants clés, dont le 2-furfurylthiol (rôti, « café »), le méthional (pomme de terre cuite), plusieurs méthoxypyrazines (végétal, poivron) et des furanones. Les travaux suivants de Grosch portent la liste à 25 ou 30 composés à fort impact.

Ces composés se rangent par famille chimique, et chaque famille apporte son registre.

• Les furanesdont le furanéol (4-hydroxy-2,5-diméthyl-3(2H)-furanone), qui sent le caramel.
• Les pyrazinesissues de la dégradation de Strecker. La 2-éthyl-3,5-diméthylpyrazine tire vers le terreux et le grillé, la 2,5-diméthylpyrazine porte l'odeur même de « café torréfié ».
• Les thiols soufrésle 2-furfurylthiol et le formiate de 3-mercapto-3-méthylbutyle, dont la note dite « chat » rappelle le cassis.
• Les aldéhydesl'acétaldéhyde et le méthional, déjà croisé plus haut.
• Les dicétonescomme la 2,3-butanedione, qui sent le beurre.
• Les phénols volatilsissus des acides féruliques : le gaïacol et le 4-vinylgaïacol, fumé et clou de girofle.
• La β-damascénonecitée à part, pour le fruit cuit et le miel.

Le degré de cuisson déplace l'équilibre entre ces familles. Une étude de 2024 a comparé cinq degrés de cuisson et compté 74 volatils, dont 25 actifs : 8 furanes, 7 pyrazines, 2 cétones. La cuisson moyenne concentre le sucré, la noisette et le caramel ; la cuisson foncée bascule vers le brûlé et le soufré. Un même lot, deux torréfactions, deux odeurs.

Blank, Sen, Grosch, Z. Lebensm. Unters. Forsch. 195 (1992), p. 239-245 ; Grosch, Chemistry III: Volatile Compounds, dans Coffee: Recent Developments, Wiley (2001) ; Sunarharum, Williams, Smyth, Food Research International 62 (2014) ; Effect of Roasting Level on the Development of Key Aroma-Active Compounds in Coffee (2024, PMC11477549)