测量精品咖啡生豆的水活性（上）

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　　对于咖啡产业来说，生豆的质量随时间衰退是众所周知的事实。精品咖啡族对于高质量的诉求令产业对生豆老化的议题倍觉敏感。 　　进口商需要面临的最大挑战之一就是如何让购买的顶级生豆在运输过程中保持原有的质量漫长的海运和陆路旅途对生豆的影响可能是凶多吉少。当一个杯测92分的昂贵生豆抵达目的地后只有87分，这支豆子再也无法列入顶级的精品咖啡之流。那些风味独特又好喝的杯测表现才是我们心甘情愿付咖啡农高昂价格的真正原因。 　　良性的产业链理论上应该是这样的。 　　好的咖啡能让农民卖出更好的价钱，再生产更多的好咖啡然后再一次让我们能以高价格购买质量卓越的生豆。这代表著烘豆师有更多机会去呈现出咖啡的层次，店家也能为客人提供美味的饮品。 　　Sam Miller在Finca Pennsylvania组装 　　生豆提早老化是个在任何阶段都可能发生的问题。对生产者而言，重复销售和高定价策略是很冒险的行为；因为杯测分数直接影响了高价豆的收购价格，价格不再是以咖啡期货市场的水平加上基本的溢价。两者都会是重要的考量。同时，如果咖啡农投入了相当的心血来生产精品级的咖啡，却只获得商品豆等级的质量，如果我们假设以杯测质量来定价，农民肯定无法维持生计。 　　对于生豆进口商而言特别是不用期货咖啡的范畴做采购的精品进口商，如果生豆的状况持续衰退，导致一批咖啡必须以期货价做为售价的基准，这些累积的损失很快就变得非常可观。对烘焙行与咖啡店而言，以质量跟技术建立的品牌形像由其重要，豆子老化造成的损失将演变成自家特调或被法式深焙等"巧妙利用"，但也会因此引发与客人之间棘手的矛盾或换来尴尬的沉默。 　　为了解生豆老化的过程，美国明尼阿波里斯市的生豆进口商Cafe Imports开始从食品科学的角度探索这一切的来龙去脉。在过去的一年里，我们与湿度测量仪的研发公司德克刚（Decagon Devices）一起研究了一项我们认为是关键性的测量数据：水活性 （Water Activity）这个数据可能是预测生豆老化速率的指标，或许在未来可能有助于预防生豆质量的衰退。 　　Huila coffee烘干机组装设备 　　尽管Cup of Excellence和Terrior等业界先驱在过去也曾测量生豆的水活性，但运用这个数据来预估顶级精品豆风味的稳定度目前还没有得到确凿的证明。关于咖啡与水活性已有的研究并没有涉及质量上的风味流失，更别说从杯测分数从爆浓花香的92分掉到浅香的87分这种精品级质感上的差别了。87分说起来也绝对可以算作是精品咖啡，但商用豆或食品安全等级的大宗标准根本不在乎这些细微的差异，目前的研究还仅限于保存最低标准和抑止食品中的微生物繁殖。 　　但对我们而言，水活性的意义完全相反。我们鲜少见到咖啡水活性的数据在可以让微生物增殖的范围内，即使有，大多数都是已经被淘汰的批次。所以症结在于当咖啡以92分的顶级精品等级买入，却只能以87分精品商用豆的质量来卖出，情况就完全不同了。我们研究的方向不在于以期货商品的领域来验证水活性与咖啡的关联，而是将数据的应用归纳到更明确的区域；水活性的原理依旧，但再不限于商用食品安全标准的应用。 　　水活性（aw）是物质的平衡蒸气压（P）与纯水的饱和蒸气压（p0）的比值：aw = p/p0。简单来说，它测量的是一个系统中水份的能量状态。水活性与含水率不同，如名称所述，含水率（MC）测量的是一个系统中所含水份的比例。这两种概念可以用水分子总量、结合水分子、以及自由水分子来解释。含水率所考量的是生豆中所有水份的总和值。但水份的特性在一个物质中却不一定相同。任何物质在细胞层面上的含水量多少会受限于该物质特性。水活性测量的便是这种依附性的程度，而并非含水量中结和水分子与自由水分子的比率水活性不是一种含量的数值，而是能量的计量，以及在一个系统中水份是结合在物质上，还是以流动形态存在。 　　我们使用了一台由德克刚（Decagon Devices）旗下AquaLab部门开发的水活性测量仪器4TE Duo。下面有两种方式来说明这部仪器的运作过程： 　　用于测量水活性的 4TE Duo Dew Point 湿度测试仪 　　我的说法：首先，将样本放在样本杯里。下一步，把样本杯放入仪器中、再将操纵杆放置到"读取"。第三个步骤很简单：开始等。这部机器敏感度的缺点之一就是整个步骤会需要至少两分钟，但是也可能要二十分钟之久（而水份仪只需花几秒钟测量）。通常大约五分钟左右时仪器读取到稳定的数据之后会发出声响，我们就将结果记录下来。 　　Finca Pennsylvania的烘干设备 　　德克刚的官方说法：最佳测量水活性的方式建议以p/p0的比例来进行测量。纯水的饱和蒸气压（p0）取决于样本温度。如果我们知道样本温度，我们就能得出p0值。样本的水份蒸气压可以从仪器内密封的顶部空间蒸气压来测量。但回到物理原理，测量饱和蒸气压最准确的方式还是以测量空气的露点为准。AquaLab露点测量仪用露点温度来测量蒸气压，因此能提供直接而基础的水活性计量。 　　另外，德克刚如此描述："集中在微形镜面上的远红外线光束能判断样本精确的露点温度。这个露点温度再用来研判水活性。" 　　如果我们能判断、测量水活性与精品咖啡生豆快速老化两者之间强烈的关联性，或许就可以逐渐锁定是怎样的条件让生豆的情况开始走下坡。这也代表著能有更好的生豆质量，更高的售价，也能冲煮出更棒的咖啡。这回到了我们当初的新想法，将水活性的计量应用于分析高级精品咖啡。这个研究的第一个目标便是揭开一只豆子的杯测分数下降的原由，以及这个变化如何限制了咖啡的订价；第二个目标则是去探讨是否能在运输之前通过分析水活性来改善咖啡生豆的状态。这里的问题非常简单：假如我们发现一个批次运输前的样本杯测有92分，在送来后会掉到87分，那么有多少在装运前是87分的样本是已经从92分掉下来的？然后的问题是：我们是否可以预防这种情况？ 　　我们的研究设计最初必须从简单的蓝图开始。虽然关于水活性与精品咖啡都有相关资料可查，但很少有研究将两者相提并论。我们首先假设是水活性对于精品咖啡生豆的稳定性能提供可靠的预测值。以此为基础，我们的第二个假设则是在生豆处理过程的干燥与装柜前的步骤中，水活性能提供一个可测量、同时也是最实际的系统来帮助任何一批豆子能维持在最佳状态。这与在期货市场通过简单的接受或驳回处理方式迥异，也跟微生物霉菌的繁殖是否会在生豆仓库大爆发无关，我们想知道的是，豆子原本在装运前的样本里富含的水果般酸质跟甜度、细腻的花香以及焦糖余韵，是否在抵达后还依然保存。 　　aw：传统的用法与新的应用 　　水活性的概念并不是新发现。1953年，William James Scott首次证实了食物中的微生物繁殖主要取决于水活性，而不是含水量。这跟咖啡的水活性有什么关系？水活性之于咖啡和其他所有物质是一样的。在24页的表格列出了常见的食物以及对应的水活性，同时也列出在各个程度会繁殖的微生物。像干果类有远比燕麦片更高的含水率，但燕麦片的水活性却高于干果。假设干果的aw提升到0.65，有些适旱的霉菌就可以增生。即使含水量高，除非水活性增加了，不然这样的情况还是不会发生。微生物增生的条件最终是由水活性主导是1953年的突破性发现。时至今日这依然是科学标准。 　　对咖啡来说，测量水活性还是含水率完全取决于你想知道的信息。 　　如果想判断生豆的进价有多少比例是花在水份的重量上，含水率是相对理想的数据。但如果你需要研判生豆水份的保存或流失的可能性，或者是微生物增衍的可能性，水活性则能提供更好的信息。在后者的情况下，水活性才是实际的计量。对于水份转移和微生物繁殖的评估而言，含水率所给予的指标则实在不足。或者说，含水率可以作为水活性的一个缺陷预测。假如拿含水率来预估那些受水活性影响的动态（包括造成风味老掉的情况），这些预测的失误将会倍增。但即使这样，水活性的指标也并非万能，当然也不像科幻片的桥段。如含水率，水活性也是在某个定点测量的取值。我们正在研究如何应用这个数值来警示生豆状况的波动，无论是预估还是事后的参考，我们都无法从定点得知水活性是否在运输时曾一度飙到0.6889，也无从得知即使飙高了，究竟在当时的状态维持了多久。 　　William James Scott发现水活性是影响微生物繁殖的主导因素，因为水活性的基本功能之一就是主导物质中水份的转移方向。水份移动最终会达到动态平衡。德克刚表示，水份转移的方向是从高水活性的区域转移到低水活性的区域，最终趋于能量平衡。在低水活性的状态下，也就是在缺乏自由水分子的状态下，水份因无法透过微生物的细胞膜，使得细胞处于潜伏状态。在高水活性的情况下，相对有更多自由水分子，水份不仅能够穿透细胞膜也必然会有移动的倾向。 　　我们向德克刚的产品实验科技工程师Wendy Ortman讨教更多关于水份转移与水活性的机制。她解释，加入可溶物质会降低水活性。"分子效应使得溶质阻碍了水的动能状态，但这个效应也影响了水分子跟溶质的互动。糖和盐可以非常有效地降低水活性，因为这些物质会和水分子结合。" 　　现今水活性被广泛地应用于规范食品安全。如何抑制各种微生物繁殖的水活性程度也已有了相关的完善研究，这套控制系统是制订和维持食品安全的标准。由德克刚授权转载的24页表格列出了常见的微生物以及相关的水活性抑制标准。 　　咖啡会被列在这张表格的何处？关于这点，必须先指出这张表格右方列出的食物其实对应一个水活性的区间。我们测量的生豆水活性可以高达0.7549，而最低的程度则到0.3149。大部分咖啡都在中间范围（0.5--0.6），目前为止呈现相对常态的分布。除了水活性本身会有数值差异，这些数据也会随著时间改变。我们的研究将以个别生豆纪录的单一数据做静态分析，同时也会分析这些数据随时间的改变。 　　水活性也被应用在食物设计上，以加强食品口感和口味的保存性。很好的两个例子便是葡萄干麦片和杯子蛋糕；这两者皆由两种不同口感特性的食材组成。水活性让这些食材的特性难以持久。 　　葡萄干麦片刚开始，葡萄干充满嚼劲、略为湿润，麦片爽脆。但不久后葡萄干就变得又干又硬，麦片则变得绵而无味。葡萄干的高水活性将它原有的水份转移到了低水活性的麦片上，就造成了完全不想产生的口感。 　　杯子蛋糕蛋糕上的糖霜比蛋糕本身含有更多的水份，但糖霜中的糖份与这些水分子结合的强度远超过蛋糕里的面粉可以依附水份的程度。随著时间推移，蛋糕很快会干掉。尽管蛋糕原本就有较低的含水量和相对较高的水活性，却使回归到平衡状态的过程中反而将水份转移到糖霜。在这两种情况之下，动态平衡的过程会持续到食品中两种组成的水活性（而不是含水率）达到同样的程度。 　　安装技术员Sam Miller 在 Pennsylvania庄园工作场景 　　食品安全与保质的稳定性是典型的水活性应用。我们有关咖啡生豆的研究，对于这两种应用也有分析。依照同样的原理，使用这个数据，合理的下一步便是用以尝试预估杯测质量与杯测质量的稳定度。 　　但生豆呢？只有单一物质的情况下，水活性是如何发挥作用？即使是未结霜的生豆依然有两个首要的因素：环境与所有生豆的水活性。环境的影响来说，考虑的是空气。就咖啡而言，考虑的则是单一批次里的差别性。这两种因素可以造成整体的水活性处于失衡状态，换句话说，处于活动的状态。 　　我们认为aw数值可以用来预测生豆质量、稳定度、以及无法避免或早发性老化。水活性是全然不同于含水量的计量方式，它测量的是能量值。假设一颗豆子的含水率从11.5%增加到13.5%，又掉回11.5%这些数据缺乏的是无法完整解释生豆的历程。水活性aw数值也同样随时间起伏，但或许是因为这些浮动是能量动态的过程，目前水活性的数据似乎比较不会出现剧烈的增减。如果我们能将aw做为生豆干燥过程和质量保存周期的测量基础，或许就有更强有力的证据来作生豆质量的轨迹分析。 　　将水活性的数据用于此研究是基于已知的水份转移、相对湿度、以及酵素活性等条件对生豆老化的影响。咖啡生豆依然存有植物本身的呼吸特性。Jean Nicolas Wintgens在参考文献《咖啡：栽种、处理、持续生产》（Coffee: Growing，Processing, Sustainable Production）一书中阐述，呼吸作用是利用空气中的氧气，将豆子内的有机物质（淀粉、碳水化合物、脂质与蛋白质）做为能量，以酵素分解产生二氧化碳与水的放热反应。这些有机物质是咖啡风味与香气形成的来源。呼吸作用将这些有机物质做为氧化反应的能量消耗掉，正是生豆老化或变质的首要因素。呼吸作用会不断循环，一旦被催化更容易持续自我执行。这代表细胞的呼吸作用会产生一连串更多的呼吸作用，直到能量耗尽。 　　而呼吸作用关键的催化剂，就是环境的相对湿度、含水率、温度和空气的组成。水活性控制了环境相对湿度与生豆含水率之间的互动转移。同时，酵素活性和油脂氧化的速度也随水活性降低而减弱。即使水活性不是造成咖啡质量恶化的唯一原因，它也至少直接驱动，或严重影响了生豆保存状况下滑。 　　进一步调查：使用的资源与采用的方式 　　首先要说明一下，我们并不是专门的研究机构。尽管我们希望能为未来的实验打下基础，但现阶段仍处于观察性的研究。我们的数据来自相对广泛而不可控的来源；测量的生豆可能是露台上干晒的、或者是放在塑胶棚下或高架棚上晒，也可能是用机械干燥；众多品种生长在截然不同的环境里，以独特的方式被处理；豆子也经过不同时间的仓储后以海运或陆运输出。 　　生豆最令人赞叹的就是每一只豆子的独特风味和因产地特色与栽培手法不同而造就出的独有特质。对我们的研究而言，这些独特之处全都变成了大量的变因。 　　收到生豆样本后，我们会依顺序在几天内安排杯测。杯测的前一天，样本会被拆封测量、烘焙。在这个阶段，水活性的程度第一次被纪录下来。同时，新购买的生豆到货入仓；这个时候会再抓一次样本，测量生豆状态和杯测。我们记录含水率、水活性、杯测分数与所有相关的笔记，并且在准备烘焙样本时记下任何有关生豆分级、瑕疵的状况。 　　我们收集的数据可以用从简单到复杂的不同层面来分析。最简单的问题是：水活性aw跟杯测分数有怎样的关联？换句话说，如果将所有的aw数据跟对应的杯测分数进行分析，杯测高分是否会落在某个水活性区间？那和含水率又有关联吗？上方的散布图列出了我们实验室近一年的数据，其中杯测分数显示在Y轴，对应的水活性程度为X轴。 　　以上图表是我们能架构出更完整假设的立足点，并更清晰地划分出样本的分布区块。 　　咖啡的杯测分数受到很多因素影响。如果对这些数据进行相应分类，我们就可以假设出不同情况并提出更多的问题，譬如：高含水量并且杯测分数高的咖啡之中（图表右上角的区域），有多少保持了高分？而同样的问题，如果是应用在含水率与杯测分数之间呢？ 　　散布图上X轴的0.6100和0.6050被标上红色。这个实际上大约是12%的含水率，但这个关系毕竟不是等比例的，所以0.6050的水活性可以有12.8%的含水率，在另一只豆子又可能只有11.8%的水份。当然，含水量11.8%的生豆的水活性又可能有0.5600，也可以是0.6200。所以水活性与含水率之间并不是一个等比例关系。从图表呈现的分布上看，好像水活性与杯测分数没有一个规律性。但经过进一步解析、区分这些样本，我们可以总结出杯测表现与这些数据的内在关系。 　　在评估数据中的关联性时，我们注意到图表上边际的数据，即在正态分布与离群值之间的区间数值。水活性在0.6500以上时，含水率往往也都在12%以上，通常那支生豆已经不被考虑。但回到图表上红线的区域内，情况就变得有趣了。 　　我们评估这些资料的方式之一就是考虑杯测分数与生豆分级的准确性。这样我们可以有评分的统一标准和更大的采样群。目前整体而言，以水活性预估杯测质量对应其生豆等级比用含水率预测要相对准确。以散布图中介于两条绿色分界线之间的水活性，咖啡较可能测到符合它的分级所预期的分数，而这个关联性比考量对应的适当含水率要来得好。但是，在水活性介于0.6050到0.6100之间，样本杯测的分数间有显著的差异，水活性与含水量双方似乎无法"达成共识"。在这个区间因应分级的准确度，关联性还是倾向于水活性的程度。当水活性低于0.6100，同时样本的含水率高于12%，74%的样本杯测分数合乎分级的标准；但同样的对应组，含水量只有51%的预测准确度（aw >0.61, MC < 12%）。 2022-05-17 22:28:52