咖啡烘焙時發生了什麼物理變化？

2021-08-09

烘豆知識

烘焙會讓咖啡豆從生豆轉化成富含香氣與風味的熟豆，但你知道烘焙過程發生了什麼事嗎？
當我們在烘豆時，主要分成物理與化學變化(前篇)，本篇我們來看看烘焙時咖啡豆發生了什麼物理變化。

【物理結構的重要性】
咖啡豆分層的結構，對於烘焙出我們想要的風味影響很大。若沒有特定的物理結構，就不會發生對風味和香氣必不可少的化學反應。
在The Craft and Science of Coffee《咖啡的工藝和科學》這本書中，Britta Folmer表示：「將生豆磨成粉並放置於跟烘焙時一樣的溫度環境，並不會產生我們需要的風味化合物，完整的咖啡豆是產生化學反應所必須的狀態，完整的結構能夠控制、並反應烘焙環境是在正確的前提、能夠以正確的順序相互產生反應。」

【烘焙時戲劇性的變化】
咖啡生豆是密度高且具有緊湊結構的種子，但是一旦開始烘焙，就會改變其原生狀態，讓我們來看看烘焙時會發生什麼物理變化：

顏色的改變
烘焙時改變最明顯的也許就是顏色，在烘焙前，新鮮的咖啡生豆會呈現藍綠色，接著會因為類黑素的產生而轉化成棕色，這些是當醣和氨基酸在加熱下結合時形成的聚合物。在烘焙過程中，部分的銀皮也會脫落，銀皮是最接近咖啡豆的外層紙質物質。
烘豆師跟消費者會用顏色作為咖啡豆跟烘焙結果的品質界定標準。

含水率跟質量的改變
乾燥程序後的咖啡生豆含水率約10-12%，但烘焙後會讓含水率降至約2.5%。除了已經存在於生豆中的水分，還通過化學反應產生額外的水分，但是這在烘焙的過程中都會蒸發。
水分的損失和一些乾性物質轉化為氣體，是生豆烘焙後整體質量減少的原因。平均而言，咖啡豆的重量在烘焙前後會減輕12-20％。烘豆師經常記錄失重比，以確定哪些批次的生豆可能要在質量方面進行額外的監測。
不同的烘焙曲線將影響脫水發生的時間，烘焙不同的時間點，其水活性的變化可能代表化學反應的差異，這可能對最終的烘焙曲線產生影響。

體積和細孔的改變
咖啡豆的細胞壁強度名列植物界頂端，它們具有韌性很強的外層物質，增加其剛度和強度。
當咖啡烘焙時，上升的溫度以及水分轉化成氣的過程，會讓咖啡豆內部的壓力升高，這些條件會將細胞壁的結構從剛性轉變為橡膠狀，因為咖啡豆含有多醣體（結合的醣分子）。
內部物質向細胞壁推出，在中心留下充滿氣體的空隙。這代表隨著質量下降，豆子的體積會膨脹，而大部分氣體的積聚是在烘焙後所釋放的二氧化碳。
烘焙還會增加咖啡豆的細孔，使密度降低，溶解性更強。當然，這對於將它們變成美味的飲料也有很大的關係。

油脂的改變
咖啡豆含有油脂，在烘焙過程中，內部的高壓會使這些化合物從細胞的中心往表面移動。
油脂有助於將揮發性化合物保留在細胞內，揮發性化合物是在室溫下具有高揮發特性的化學物質，這些物質對於產生咖啡的香味和香氣是不可或缺的，如果沒有油脂，這些分子可能會快速消散。
烘焙時間越長，結構的轉變會越明顯，咖啡豆的密度不斷降低，也會產生更多的氣體。而烘焙時間越長，咖啡豆的表面油脂也會越多。
這些發展在某種程度上解釋了為什麼深焙咖啡的味道跟淺焙咖啡的味道不同，但也存在影響烘焙結果的重要化學變化，這個部分我們會在另一篇文章再來看。

【烘焙的各階段發生了什麼事】
不同烘焙方式會影響最後咖啡的風味、香氣、口感，因為烘焙時會在不同時間點發生化學變化。
但不論是何種烘焙方式，烘焙主要會分成三個階段：脫水，梅納（焦糖化）反應，以及風味的發展，這些術語實際上描述了化學和物理變化的不同階段。
1.脫水
脫水程序會在回溫點發生，回溫點是當你將生豆放到烘豆機，機器內部的熱量會在再度上升之前先下降，而溫度開始上升這個點就稱為回溫點。脫水階段，生豆的水分會開始蒸發，壓力也會開始在豆子內部形成。
2.梅納反應
當咖啡豆開始轉變成棕色，就表示梅納反應開始了，這會在加熱到大約150°C時發生。這個過程會產生許多氣體，包含二氧化碳、水蒸氣、揮發氣體等。當內部壓力夠大到衝破細胞壁，就會膨脹，稱為第一爆。
風味的發展也會同時在梅納德反應發生，除了豆子顏色改變，還會影響最終的咖啡風味。
3.風味發展期
當烘焙到一爆之後，烘焙從吸熱反應（吸收來自滾筒的熱量）變為放熱反應（豆子釋放熱量）。在這個階段，物理變化仍會持續，豆子表面的孔隙繼續增加、油脂繼續從豆芯移到表面、顏色繼續變深。