专业咖啡烘焙 | 烘豆时二氧化碳与水份的演变

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无意间读到一份 2005 年由 R. Geiger 先生发表的论文,把咖啡烘焙过程中所产生的水分和二氧化碳做了很详细的探讨,某些结论甚至有如当头棒喝.尽管实验室的加热节奏与我们的惯用手法相距甚远, 但理解这些概念,对于日后烘焙应可起到触类旁通的作用,在此把重点节录下来.

首先说明几个名词与测试条件：

• HTST (High temperature short time) 高温短时间烘焙
• LTLT (Low temperature long time) 低温长时间烘焙
• 两种烘焙手法的烘焙度 (L* value) 一致,皆在 22~23
• HTST: 260 度热风, 170 秒,风速 3.007 m/s
• LTLT: 228 度热风, 720 秒,风速 2.037 m/s
• 此处提到的豆温都是钻孔量测的豆芯温度
• 生豆含水率为 8.3%
• 量测化学反应水的生豆,预先烘烤至含水率 1.1%
• 咖啡含水率以烘干秤重的方式得到

烘完豆子计算它的失重率已是习以为常,这张表除了描述相关的比例成分,还有意料之外的信息.

• 烘焙蒸发的水分高于原本的含水率
• 多出来的水分代表着化学反应水 (chemical reaction water)
• 烘焙时排出的二氧化碳占比颇低
• 存放时会排出较多的二氧化碳
• 虽然 HTST 经由烘焙蒸发的水分少于 LTLT, 透过估算,冷却过程蒸发 1.6g 的水,以致于最后两者的失重仍很接近 (15.38g vs. 15.86g).
• 上述估算是以 CO2/H2O 的累积蒸发率 (Cumulative evaporation rate) 线性延伸 20 秒得出.
• 两种测量方法 (On-line/calculated vs. Gravimetric) 得到不同的失重数据,其差异可能来自于第一种方法无法量测物质的损耗 (e.g. tipping),和 CO2/H2O 之外的挥发性气体所致.另外气体流速,挥发浓度等等的测量误差也是原因之一.

豆温,含水率,烘焙失重与时间的关系

• HTST, 两个曲线和时间几乎为线性关系
• LTLT, 两个曲线和时间则近似指数关系
• 咖啡豆的整体变化主要由烘焙温度决定
• HTST 在第 100 秒时,豆温约 220 度,失重率 >8%, 含水率 <4%.
• LTLT 在第 100 秒时,豆温约 200 度,失重率 <6%, 含水率 >4%

CO2, H2O 的浓度与时间的关系

• HTST 二氧化碳的浓度在最后因热解反应陡升,而 LTLT 的变化不大
• HTST 的二氧化碳浓度比 LTLT 高
• HTST 测得的水分浓度也比 LTLT 高
• 两者 H2O 的挥发浓度几乎都在 100 秒左右达到最高点.

CO2/H2O 的发展/蒸发速率,累积量与时间的关系

• 由于烘焙时间较长, LTLT 两者的累积挥发量都比 HTST 高
• 因为大量 CO2 陷在咖啡豆内且在储存时释放,此处测得 CO2 的累积量并未代表总生成量
• 把烘焙与储存 63 天释放的 CO2 加总后发现, HTST 与 LTLT 并没太大差别
• 二氧化碳的生成似乎仅与烘焙度相关,与烘焙温度无关 (烘的越深排气量越多)
• 两种烘焙手法皆让水分的发展速率呈现由高点滑落的趋势
• 水分的蒸发率与烘焙温度相关

Initial water & chemical reaction water

这张图解释了第一张表格,为何蒸发水分高于原先的含水率

• 呼应前张图, 水分蒸发率与温度相关,HTST 的最大蒸发率高于 LTLT
• 借着烘焙时间较长, LTLT 累积的水分蒸发量比 HTST 高
• 观察 LTLT ,第 300 秒时原有水分几乎已蒸发殆尽,而化学反应水的生成率此时与蒸发率相等
• 化学反应水的生成率递减,应与随后的化学反应有关

化学反应水的发生温度

• 化学反应水与二氧化碳在豆温 180~200 度时开始产生
• 低于此温度,可认知为主要的化学反应尚未发生?
• 此生成速率也描述了不同条件下 (HTST/LTLT) 化学反应的动态状况.

累积蒸发水分与化学反应水的比例

• 此实验是用 8.3% 含水率的生豆烘烤量测得到的数据
• 在 HTST, 化学反应水占比 41%
• 在 LTLT, 化学反应水占比 36%
• 两条曲线围成的区域代表原有水分 (initial water) 的蒸发量.
• 留意在第 100 秒时两种烘焙方式的豆温皆高于 200 度了.

二氧化碳与化学反应水的生成,起源于一连串的反应:史崔克降解,绿原酸降解,蔗糖降解,胺基酸脱羧基作用与梅纳反应. 部分的二氧化碳在烘焙时挥发,有些键结在豆子的聚合物,溶解于油脂或残余水分内,或者陷入细胞内部.

以上大致是我的整理,如此看来,北欧重火快烘的手法的确有让脱水加速的趋势 .另外,化学反应水的生成证实无法避免,随之与绿原酸的反应关系值得留意.至于二氧化碳的产生量如果和烘焙度成正比,烘的越深二氧化碳越多,代表随着气体释放带走更多香气,也解释了为何深焙咖啡不易久放的原因.

原本已购买能在高温下工作的湿度计,准备架在烟囱口纪录烘焙过程的湿度变化,想到瓦斯燃烧会产生大量水气,再加上看到这份报告,一时兴起的念头就此打消了.

7/16/2017 更新: 补一张实验所使用的烘豆机
9/12/2017 更新:
不计烘焙时的气体损耗,测量咖啡豆存放四个月,失重比与排气量的关系

由此推论为何手冲闷蒸时,浅烘焙的咖啡粉不太会膨胀

2022-05-18 07:34:56