關於生豆水活性與美拉德反應關係的研究

過去幾個月,我將絕大部分精力放在了研究生豆水活性與烘焙過程中美拉德反應的關係上面,或許將這兩個咖啡烘焙中最複雜的原理放在一起研究本身就是在給自己找不自在……

言歸正傳,前段時間我的一名同事Jen Apodaca 和我討論了水活性對咖啡烘焙風格的影響。此前,我的一位來自Red Fox Coffee Merchants 的好友Joel Edwards 曾就這個問題撰寫過一篇文章,但諷刺的是,在研究水活性的三大目的當中,對烘焙風格的影響或許是最不重要的一個。

IMG_2041 首先,水活性能夠告訴你生豆是否受微生物感染,水活性過高說明生豆中黴菌、酵母和細菌過於活躍。

其次,水活性還可以用來衡量咖啡口味的保質期,水活性(aW)高於0.60的生豆中的風味物質揮發性更強,可能會造成生豆在運輸或儲藏過程中提早變質。

當然,如《Green Coffee Analytics》一文中所說,從以上這兩個方面,有關水活性的研究還可延伸至眾多領域,但除以上兩點以外,還有另一個方面值得注意,那便是水活性可能對生豆焦糖化和美拉德反應造成的影響。

什麼是美拉德反應?

美拉德反應對於烹飪領域的重要性毋庸置疑,有關美拉德反應的定義,或許諾貝爾獎得主、化學家Jean-Marie Lehn 給出的結論最為準確:“美拉德反應是世界上應用最為廣泛的化學反應。”

美拉德反應是糖、脂肪或脂肪酸之間發生的一系列反應,通常由熱引發,反應中分子會大量分散、重組。說實話我個人也不是非常懂其背後的化學原理,但我知道該反應是由一位法國化學家Louis-Camille Maillard 命名的。他於1912年在一份研究報告中首先提出了這個概念,可直到50年之後,科學家們才找出了該反應的準確模型,其中以美國化學家John E. Hodge 在1953年對美拉德反應機理給出的解釋最為廣為人知。

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但不幸的是,咖啡烘焙過程中的美拉德反應並沒有那麼簡單。在烘焙過程中發生的美拉德反應決定了咖啡口味的複雜性,例如糖分的種類、酸度的高低、口感的結構等等,且美拉德反應始終貫穿於咖啡烘焙的全過程中,決定了咖啡的成熟度和感官特徵。

在美拉德反應過程中,即便是最細微的溫度變化(通常從300℉開始,一直持續到“一爆”和“一爆”後糖分的焦糖化)也會對咖啡的最終口味帶來巨大影響。Rob Hoos 曾就此問題專門撰寫過一本書,書中他建立了一套關於美拉德反應時間與咖啡口感之間關聯的理論模型。

我決定進行這項研究的另一個原因在於,我發現在其他條件不變的情況下,美拉德反應時間越短,咖啡的甜味和酸味就越足。

我懷疑這和咖啡中可溶物質總量有關。幾個月前,我剛剛寫過一篇文章,證明了烘焙時間越長,咖啡中可溶物質總量就越少。這些可溶物質,例如檸檬酸、蘋果酸、酒石酸等,會隨烘焙時間的推移逐漸揮發殆盡。同時,我們知道糖在加熱條件下會發生焦糖化,形成更長的分子鏈,其甜度也會比原本的糖更低。因此減少有機酸和糖分的流失,尤其是在美拉德反應過程中的流失,能夠增加咖啡的酸度和甜度。

舉例來講,讓我們看以下這張烘焙曲線圖,圖中的綠色曲線通過美拉德反應的速率更快,升溫的陡度也更大,所烘焙出的咖啡口味檸檬酸和水果味更濃,甜味更足,但口感更偏單薄。相比之下,黃色曲線所烘焙出的咖啡口味更加柔和,酸味更弱,但口感更加醇厚。

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再來看第二個例子,這次我們烘焙的是濕法脫殼蘇門答臘咖啡,其中綠色烘焙曲線美拉德反應速率更快,雖然“一爆”後成熟時間(PCD)長了9秒、結束溫度高了1℉、顏色深了1點(用ColorTrack進行檢測),但咖啡仍帶有濃郁的檸檬、蘋果、青檸和櫻桃味。黃色曲線的美拉德反應時間長了28秒,雖然“一爆”後成熟時間更短,但咖啡除糖分較為複雜之外,缺少了明亮的水果味,口感倒是更加醇厚、絲滑。

 

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水活性與美拉德反應之間的關係

那麼,上述研究和水活性有何關係?此前,已經有科學家證明了水活性能夠影響美拉德反應速率和熟豆顏色。當水活性接近0.70時,美拉德反應速率和焦糖化達到頂峰;高於0.70,速率下降,因為反應物會被過多游離水稀釋。

通常情況下,水活性高於0.70的生豆並不能保證生豆沒有受微生物感染,且品質在運輸和儲藏過程中極不穩定,因此想要增加美拉德反應速率,調高水活性並不是明智之舉。

但是,咖啡的水活性能夠告訴我們生豆在烘焙過程中究竟會反應如何。

1. 關於“一爆”穩定性的研究

我的同事Jen 在她每週的烘焙工作中發現了個有趣的現象,她似乎能夠通過生豆的水​​活性預測“一爆”的時間和溫度。

以下是她在烘焙兩款產自Huehuetenago 產區瓜地馬拉咖啡時收集到的數據,兩款咖啡的採摘和運輸時間相近,水份含量也幾乎相同,但水活性數值有所區別。在用不同型號、大小烘焙爐在5座城市烘焙34次之後,下圖展示了這兩款幾乎相同、但水活性不同生豆在烘焙過程中的差異表現。水活性更高的咖啡(0.58,下圖中用紫色點標出)“一爆”的溫度和時間更加穩定;相比之下,水活性較低(0.54,下圖中用綠色點標出)的咖啡“一爆”的溫度和時間穩定性相對較差。

2. 關於美拉德反應速率和熟豆顏色的研究

Jen 的數據為我們下一步的深入研究奠定了基礎。之後我又進行了2輪實驗,在8月使用的是瓜地馬拉咖啡,10月用的是哥倫比亞咖啡。在2次實驗當中,我通過更改倉儲環境改變了生豆的水活性。在瓜地馬拉咖啡的實驗中,我們分別對麻袋包裝和真空包裝在較長時間段內(4個月)對生豆水活性的影響進行了測試。

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對於哥倫比亞咖啡,我們則採用了更極端的包裝方法,測試了陰影儲藏拉鍊袋和敞口、陽光照射條件下塑料桶包裝之間的差別,儲藏的時間較短,僅為5天。

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兩次測試的結果差別很大(當然一部分原因源自實驗的時長)。但值得注意的是,雖然包裝方法不同,水活性對烘焙過程影響的趨勢是大致相近的。

 

首先我們來對瓜地馬拉咖啡進行測試。我們使用的是CoffeePro 樣品烘焙爐,火力、空氣流速均保證相同。美拉德反應從330℉開始(生豆開始變黃),“一爆”溫度為385華氏度。結束溫度視具體“一爆”時間而定,每次烘焙均在溫度達到385℉之後70秒時結束。

 

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測試結果發現,每次烘焙之間最大差別在於烘焙總時長和熟豆顏色之前的差別。相比水活性較低的咖啡,水活性較高的咖啡(黃色曲線)在烘焙時間延長的情況下,顏色變化更加明顯。

 

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在測試哥倫比亞咖啡時,我使用了Ikawa 樣品烘焙路以避免操作失誤影響烘焙時間或溫度。使用3種預設模塊,我僅對溫度從150℃(302℉)升至200℃(392℉)的時間進行了調整,調整幅度在1分鐘之內。由於Ikawa 對時間和溫度的控制十分精準,兩款水活性不同哥倫比亞咖啡在烘焙過程中表現差距不大。

 

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在用ColorTrack 比較顏色時,發現了有趣的結果:水活性更高的樣品咖啡在烘焙時間延長的情況下顏色變化更為明顯。下圖展示了每一次烘焙熟豆的顏色差別。每款樣品都用3個模塊烘焙2次。

 

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在8月用CoffeePro烘焙瓜地馬拉咖啡時,我也使用了相同的方法,通過改變氣流使爐溫發生變化。增加溫度會產生一定影響,水活性較高咖啡的升溫速率要比水活性較低咖啡更快。

 

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我又嘗試在烘焙過程中降低溫度,結果水活性較低咖啡升溫停止,溫度甚至降低了5℉;而水活性較高咖啡並未發生明顯變化。

 

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此外我還發現,水活性較高樣品咖啡的溫度轉折點(Turning Point)溫度整體更低。

3. 群體感官評價結果

在用3種方式烘焙完水活性高和低2款樣品之後,我將收集到的數據帶到了烘焙協會講座上,讓參會人員進行了盲品測試,並自願提交測試結果。測試規模為63人,每個人需要用0-3分為6個樣品的甜度、酸度和口感打分。沖泡使用Bunn批量沖泡咖啡壺。

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測試結果與我就美拉德反應速率對咖啡甜度、酸度和風味影響的預測大體相同。但同時,結果顯示水活性較高的咖啡,無論用哪種方法烘焙,其酸度都是最高的。水活性較低咖啡對於美拉德反應速率和時長反應巨大,酸度極不穩定;相比之下,水活性較高咖啡口味特徵並未因美拉德反應速率發生太大變化。

結果顯示,水活性較高咖啡風味受烘焙風格影響較小,尤其是酸度變化不大。水活性較低咖啡對美拉德反應過程中溫度變化反應明顯,這或許是因為其自身應變性較差,導致每一種烘焙風格下咖啡體現出的特徵均不盡相同。

4. 哥倫比亞(Ikawa 烘焙爐)感官分析

此後,來自The Crwon 的5位成員對12款哥倫比亞咖啡樣品進行的盲品,同樣用0-3分為咖啡的甜度、酸度和口感打分,結果如下:

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同樣的,美拉德反應速率較快、時間較短的水活性較高咖啡更受人青睞。但整體上看,咖啡對於美拉德反應速率變化的反應程度和口味變化更難以預測,但水活性較高咖啡的整體趨勢大致清洗,美拉德反應時間更短,味道更甜、酸度更加明亮;美拉德反應時間更長,甜度更低,酸度更弱。

結論

總的來講,Jen 和我通過數據收集和分析,發現了水活性與美拉德反應之間的幾個關聯點:

1. 美拉德反應速率會影響咖啡甜度、酸度和口感,速率越快,甜度和酸度越高;速率越慢,口味越平衡,口感越醇厚; 

2. 生豆水活性會影響美拉德反應思慮和焦糖化程度(顏色變化); 

3. 在其他條件不變情況下,水活性不同的兩款咖啡,其中水活性更高咖啡(接近0.70 )可能:

)美拉德反應速率更快,且對美拉德反應過程中溫度變化的反應速度更快;

)酸度在美拉德反應速率變化情況下更加穩定;

)“一爆”時間和溫度可預測性更強;

)相同結束時間/ 溫度情況下,顏色更深。

這一結果對於烘焙師有何意義?我只能說選擇在你!選擇水活性更高的咖啡可能會讓你得到更令人興奮的口味特徵,但生豆的儲藏難度更大,保質期更短。烘焙水活性更高的咖啡,你無需太過在意美拉德反應過程中的溫度變化。但最終,雖然實驗結果如此,最終選擇哪種咖啡、使用哪種烘焙方式,都要根據咖啡的真實口味而定。沒有什麼比品嚐自己的咖啡更為重要。對於水活性和美拉德反應的了解能夠幫助烘焙師做出更好選擇,但沒有什麼能夠替代親身體驗咖啡的感官特徵,這才是你做出選擇的最終依據。

作者 :Chris Kornman

英文原文地址:dailycoffeenews.com/2017/11/22/the-relationship-between-water-activity-and-the-maillard-reaction-in-roasting/

 

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