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測量精品咖啡生豆的水活性(上)

by on 23/02/2015

資料來源:roast雜志 / 作者:Ian Fretheim / 編譯:胡元正 呂宜蓓 / 2014-04-25

對於咖啡產業來說,生豆的質量隨時間衰退是眾所周知的事實。精品咖啡族對於高質量的訴求令產業對生豆老化的議題倍覺敏感。

進口商需要面臨的最大挑戰之一就是如何讓購買的頂級生豆在運輸過程中保持原有的質量漫長的海運和陸路旅途對生豆的影響可能是凶多吉少。當一個杯測92分的昂貴生豆抵達目的地後只有87分,這支豆子再也無法列入頂級的精品咖啡之流。那些風味獨特又好喝的杯測表現才是我們心甘情願付咖啡農高昂價格的真正原因。

良性的產業鏈理論上應該是這樣的。

好的咖啡能讓農民賣出更好的價錢,再生產更多的好咖啡然後再一次讓我們能以高價格購買質量卓越的生豆。這代表著烘豆師有更多機會去呈現出咖啡的層次,店家也能為客人提供美味的飲品。

Sam Miller在Finca Pennsylvania組裝

生豆提早老化是個在任何階段都可能發生的問題。對生產者而言,重復銷售和高定價策略是很冒險的行為;因為杯測分數直接影響了高價豆的收購價格,價格不再是以咖啡期貨市場的水平加上基本的溢價。兩者都會是重要的考量。同時,如果咖啡農投入了相當的心血來生產精品級的咖啡,卻只獲得商品豆等級的質量,如果我們假設以杯測質量來定價,農民肯定無法維持生計。

對於生豆進口商而言特別是不用期貨咖啡的範疇做采購的精品進口商,如果生豆的狀況持續衰退,導致一批咖啡必須以期貨價做為售價的基准,這些累積的損失很快就變得非常可觀。對烘焙行與咖啡店而言,以質量跟技術建立的品牌形像由其重要,豆子老化造成的損失將演變成自家特調或被法式深焙等「巧妙利用」,但也會因此引發與客人之間棘手的矛盾或換來尷尬的沉默。

為了解生豆老化的過程,美國明尼阿波裡斯市的生豆進口商Cafe Imports開始從食品科學的角度探索這一切的來龍去脈。在過去的一年裡,我們與濕度測量儀的研發公司德克剛(Decagon Devices)一起研究了一項我們認為是關鍵性的測量數據:水活性 (Water Activity)這個數據可能是預測生豆老化速率的指標,或許在未來可能有助於預防生豆質量的衰退。

Huila coffee烘干機組裝設備

盡管Cup of Excellence和Terrior等業界先驅在過去也曾測量生豆的水活性,但運用這個數據來預估頂級精品豆風味的穩定度目前還沒有得到確鑿的證明。關於咖啡與水活性已有的研究並沒有涉及質量上的風味流失,更別說從杯測分數從爆濃花香的92分掉到淺香的87分這種精品級質感上的差別了。87分說起來也絕對可以算作是精品咖啡,但商用豆或食品安全等級的大宗標准根本不在乎這些細微的差異,目前的研究還僅限於保存最低標准和抑止食品中的微生物繁殖。

但對我們而言,水活性的意義完全相反。我們鮮少見到咖啡水活性的數據在可以讓微生物增殖的範圍內,即使有,大多數都是已經被淘汰的批次。所以症結在於當咖啡以92分的頂級精品等級買入,卻只能以87分精品商用豆的質量來賣出,情況就完全不同了。我們研究的方向不在於以期貨商品的領域來驗證水活性與咖啡的關聯,而是將數據的應用歸納到更明確的區域;水活性的原理依舊,但再不限於商用食品安全標准的應用。

水活性(aw)是物質的平衡蒸氣壓(P)與純水的飽和蒸氣壓(p0)的比值:aw = p/p0。簡單來說,它測量的是一個系統中水份的能量狀態。水活性與含水率不同,如名稱所述,含水率(MC)測量的是一個系統中所含水份的比例。這兩種概念可以用水分子總量、結合水分子、以及自由水分子來解釋。含水率所考量的是生豆中所有水份的總和值。但水份的特性在一個物質中卻不一定相同。任何物質在細胞層面上的含水量多少會受限於該物質特性。水活性測量的便是這種依附性的程度,而並非含水量中結和水分子與自由水分子的比率水活性不是一種含量的數值,而是能量的計量,以及在一個系統中水份是結合在物質上,還是以流動形態存在。

我們使用了一台由德克剛(Decagon Devices)旗下AquaLab部門開發的水活性測量儀器4TE Duo。下面有兩種方式來說明這部儀器的運作過程:

用於測量水活性的 4TE Duo Dew Point 濕度測試儀

我的說法:首先,將樣本放在樣本杯裡。下一步,把樣本杯放入儀器中、再將操縱杆放置到“讀取”。第三個步驟很簡單:開始等。這部機器敏感度的缺點之一就是整個步驟會需要至少兩分鐘,但是也可能要二十分鐘之久(而水份儀只需花幾秒鐘測量)。通常大約五分鐘左右時儀器讀取到穩定的數據之後會發出聲響,我們就將結果記錄下來。

Finca Pennsylvania的烘乾設備

德克剛的官方說法:最佳測量水活性的方式建議以p/p0的比例來進行測量。純水的飽和蒸氣壓(p0)取決於樣本溫度。如果我們知道樣本溫度,我們就能得出p0值。樣本的水份蒸氣壓可以從儀器內密封的頂部空間蒸氣壓來測量。但回到物理原理,測量飽和蒸氣壓最准確的方式還是以測量空氣的露點為准。AquaLab露點測量儀用露點溫度來測量蒸氣壓,因此能提供直接而基礎的水活性計量。

另外,德克剛如此描述:“集中在微形鏡面上的遠紅外線光束能判斷樣本精確的露點溫度。這個露點溫度再用來研判水活性。”

如果我們能判斷、測量水活性與精品咖啡生豆快速老化兩者之間強烈的關聯性,或許就可以逐漸鎖定是怎樣的條件讓生豆的情況開始走下坡。這也代表著能有更好的生豆質量,更高的售價,也能衝煮出更棒的咖啡。這回到了我們當初的新想法,將水活性的計量應用於分析高級精品咖啡。這個研究的第一個目標便是揭開一只豆子的杯測分數下降的原由,以及這個變化如何限制了咖啡的訂價;第二個目標則是去探討是否能在運輸之前通過分析水活性來改善咖啡生豆的狀態。這裡的問題非常簡單:假如我們發現一個批次運輸前的樣本杯測有92分,在送來後會掉到87分,那麼有多少在裝運前是87分的樣本是已經從92分掉下來的?然後的問題是:我們是否可以預防這種情況?

我們的研究設計最初必須從簡單的藍圖開始。雖然關於水活性與精品咖啡都有相關資料可查,但很少有研究將兩者相提並論。我們首先假設是水活性對於精品咖啡生豆的穩定性能提供可靠的預測值。以此為基礎,我們的第二個假設則是在生豆處理過程的干燥與裝櫃前的步驟中,水活性能提供一個可測量、同時也是最實際的系統來幫助任何一批豆子能維持在最佳狀態。這與在期貨市場通過簡單的接受或駁回處理方式迥異,也跟微生物霉菌的繁殖是否會在生豆倉庫大爆發無關,我們想知道的是,豆子原本在裝運前的樣本裡富含的水果般酸質跟甜度、細膩的花香以及焦糖余韻,是否在抵達後還依然保存。

aw:傳統的用法與新的應用

水活性的概念並不是新發現。1953年,William James Scott首次證實了食物中的微生物繁殖主要取決於水活性,而不是含水量。這跟咖啡的水活性有什麼關系?水活性之於咖啡和其他所有物質是一樣的。在24頁的表格列出了常見的食物以及對應的水活性,同時也列出在各個程度會繁殖的微生物。像干果類有遠比燕麥片更高的含水率,但燕麥片的水活性卻高於干果。假設干果的aw提升到0.65,有些適旱的霉菌就可以增生。即使含水量高,除非水活性增加了,不然這樣的情況還是不會發生。微生物增生的條件最終是由水活性主導是1953年的突破性發現。時至今日這依然是科學標准。

對咖啡來說,測量水活性還是含水率完全取決於你想知道的信息。

如果想判斷生豆的進價有多少比例是花在水份的重量上,含水率是相對理想的數據。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,水活性則能提供更好的信息。在後者的情況下,水活性才是實際的計量。對於水份轉移和微生物繁殖的評估而言,含水率所給予的指標則實在不足。或者說,含水率可以作為水活性的一個缺陷預測。假如拿含水率來預估那些受水活性影響的動態(包括造成風味老掉的情況),這些預測的失誤將會倍增。但即使這樣,水活性的指標也並非萬能,當然也不像科幻片的橋段。如含水率,水活性也是在某個定點測量的取值。我們正在研究如何應用這個數值來警示生豆狀況的波動,無論是預估還是事後的參考,我們都無法從定點得知水活性是否在運輸時曾一度飆到0.6889,也無從得知即使飆高了,究竟在當時的狀態維持了多久。

William James Scott發現水活性是影響微生物繁殖的主導因素,因為水活性的基本功能之一就是主導物質中水份的轉移方向。水份移動最終會達到動態平衡。德克剛表示,水份轉移的方向是從高水活性的區域轉移到低水活性的區域,最終趨於能量平衡。在低水活性的狀態下,也就是在缺乏自由水分子的狀態下,水份因無法透過微生物的細胞膜,使得細胞處於潛伏狀態。在高水活性的情況下,相對有更多自由水分子,水份不僅能夠穿透細胞膜也必然會有移動的傾向。

我們向德克剛的產品實驗科技工程師Wendy Ortman討教更多關於水份轉移與水活性的機制。她解釋,加入可溶物質會降低水活性。“分子效應使得溶質阻礙了水的動能狀態,但這個效應也影響了水分子跟溶質的互動。糖和鹽可以非常有效地降低水活性,因為這些物質會和水分子結合。”

現今水活性被廣泛地應用於規範食品安全。如何抑制各種微生物繁殖的水活性程度也已有了相關的完善研究,這套控制系統是制訂和維持食品安全的標准。由德克剛授權轉載的24頁表格列出了常見的微生物以及相關的水活性抑制標准。

咖啡會被列在這張表格的何處?關於這點,必須先指出這張表格右方列出的食物其實對應一個水活性的區間。我們測量的生豆水活性可以高達0.7549,而最低的程度則到0.3149。大部分咖啡都在中間範圍(0.5~0.6),目前為止呈現相對常態的分布。除了水活性本身會有數值差異,這些數據也會隨著時間改變。我們的研究將以個別生豆紀錄的單一數據做靜態分析,同時也會分析這些數據隨時間的改變。

水活性也被應用在食物設計上,以加強食品口感和口味的保存性。很好的兩個例子便是葡萄干麥片和杯子蛋糕;這兩者皆由兩種不同口感特性的食材組成。水活性讓這些食材的特性難以持久。

葡萄干麥片剛開始,葡萄干充滿嚼勁、略為濕潤,麥片爽脆。但不久後葡萄干就變得又干又硬,麥片則變得綿而無味。葡萄干的高水活性將它原有的水份轉移到了低水活性的麥片上,就造成了完全不想產生的口感。

杯子蛋糕蛋糕上的糖霜比蛋糕本身含有更多的水份,但糖霜中的糖份與這些水分子結合的強度遠超過蛋糕裡的面粉可以依附水份的程度。隨著時間推移,蛋糕很快會干掉。盡管蛋糕原本就有較低的含水量和相對較高的水活性,卻使回歸到平衡狀態的過程中反而將水份轉移到糖霜。在這兩種情況之下,動態平衡的過程會持續到食品中兩種組成的水活性(而不是含水率)達到同樣的程度。

安裝技術員Sam Miller 在 Pennsylvania莊園工作場景

食品安全與保質的穩定性是典型的水活性應用。我們有關咖啡生豆的研究,對於這兩種應用也有分析。依照同樣的原理,使用這個數據,合理的下一步便是用以嘗試預估杯測質量與杯測質量的穩定度。

但生豆呢?只有單一物質的情況下,水活性是如何發揮作用?即使是未結霜的生豆依然有兩個首要的因素:環境與所有生豆的水活性。環境的影響來說,考慮的是空氣。就咖啡而言,考慮的則是單一批次裡的差別性。這兩種因素可以造成整體的水活性處於失衡狀態,換句話說,處於活動的狀態。

我們認為aw數值可以用來預測生豆質量、穩定度、以及無法避免或早發性老化。水活性是全然不同於含水量的計量方式,它測量的是能量值。假設一顆豆子的含水率從11.5%增加到13.5%,又掉回11.5%這些數據缺乏的是無法完整解釋生豆的歷程。水活性aw數值也同樣隨時間起伏,但或許是因為這些浮動是能量動態的過程,目前水活性的數據似乎比較不會出現劇烈的增減。如果我們能將aw做為生豆干燥過程和質量保存周期的測量基礎,或許就有更強有力的證據來作生豆質量的軌跡分析。

將水活性的數據用於此研究是基於已知的水份轉移、相對濕度、以及酵素活性等條件對生豆老化的影響。咖啡生豆依然存有植物本身的呼吸特性。Jean Nicolas Wintgens在參考文獻《咖啡:栽種、處理、持續生產》(Coffee: Growing,Processing, Sustainable Production)一書中闡述,呼吸作用是利用空氣中的氧氣,將豆子內的有機物質(澱粉、碳水化合物、脂質與蛋白質)做為能量,以酵素分解產生二氧化碳與水的放熱反應。這些有機物質是咖啡風味與香氣形成的來源。呼吸作用將這些有機物質做為氧化反應的能量消耗掉,正是生豆老化或變質的首要因素。呼吸作用會不斷循環,一旦被催化更容易持續自我執行。這代表細胞的呼吸作用會產生一連串更多的呼吸作用,直到能量耗盡。

而呼吸作用關鍵的催化劑,就是環境的相對濕度、含水率、溫度和空氣的組成。水活性控制了環境相對濕度與生豆含水率之間的互動轉移。同時,酵素活性和油脂氧化的速度也隨水活性降低而減弱。即使水活性不是造成咖啡質量惡化的唯一原因,它也至少直接驅動,或嚴重影響了生豆保存狀況下滑。

進一步調查:使用的資源與采用的方式

首先要說明一下,我們並不是專門的研究機構。盡管我們希望能為未來的實驗打下基礎,但現階段仍處於觀察性的研究。我們的數據來自相對廣泛而不可控的來源;測量的生豆可能是露台上干曬的、或者是放在塑膠棚下或高架棚上曬,也可能是用機械干燥;眾多品種生長在截然不同的環境裡,以獨特的方式被處理;豆子也經過不同時間的倉儲後以海運或陸運輸出。

生豆最令人贊嘆的就是每一只豆子的獨特風味和因產地特色與栽培手法不同而造就出的獨有特質。對我們的研究而言,這些獨特之處全都變成了大量的變因。

收到生豆樣本後,我們會依順序在幾天內安排杯測。杯測的前一天,樣本會被拆封測量、烘焙。在這個階段,水活性的程度第一次被紀錄下來。同時,新購買的生豆到貨入倉;這個時候會再抓一次樣本,測量生豆狀態和杯測。我們記錄含水率、水活性、杯測分數與所有相關的筆記,並且在准備烘焙樣本時記下任何有關生豆分級、瑕疵的狀況。

我們收集的數據可以用從簡單到復雜的不同層面來分析。最簡單的問題是:水活性aw跟杯測分數有怎樣的關聯?換句話說,如果將所有的aw數據跟對應的杯測分數進行分析,杯測高分是否會落在某個水活性區間?那和含水率又有關聯嗎?上方的散布圖列出了我們實驗室近一年的數據,其中杯測分數顯示在Y軸,對應的水活性程度為X軸。


以上圖表是我們能架構出更完整假設的立足點,並更清晰地劃分出樣本的分布區塊。

咖啡的杯測分數受到很多因素影響。如果對這些數據進行相應分類,我們就可以假設出不同情況並提出更多的問題,譬如:高含水量並且杯測分數高的咖啡之中(圖表右上角的區域),有多少保持了高分?而同樣的問題,如果是應用在含水率與杯測分數之間呢?

散布圖上X軸的0.6100和0.6050被標上紅色。這個實際上大約是12%的含水率,但這個關系畢竟不是等比例的,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。當然,含水量11.8%的生豆的水活性又可能有0.5600,也可以是0.6200。所以水活性與含水率之間並不是一個等比例關系。從圖表呈現的分布上看,好像水活性與杯測分數沒有一個規律性。但經過進一步解析、區分這些樣本,我們可以總結出杯測表現與這些數據的內在關系。

在評估數據中的關聯性時,我們注意到圖表上邊際的數據,即在常態分布與離群值之間的區間數值。水活性在0.6500以上時,含水率往往也都在12%以上,通常那支生豆已經不被考慮。但回到圖表上紅線的區域內,情況就變得有趣了。

我們評估這些資料的方式之一就是考慮杯測分數與生豆分級的准確性。這樣我們可以有評分的統一標准和更大的采樣群。目前整體而言,以水活性預估杯測質量對應其生豆等級比用含水率預測要相對准確。以散布圖中介於兩條綠色分界線之間的水活性,咖啡較可能測到符合它的分級所預期的分數,而這個關聯性比考量對應的適當含水率要來得好。但是,在水活性介於0.6050到0.6100之間,樣本杯測的分數間有顯著的差異,水活性與含水量雙方似乎無法「達成共識」。在這個區間因應分級的准確度,關聯性還是傾向於水活性的程度。當水活性低於0.6100,同時樣本的含水率高於12%,74%的樣本杯測分數合乎分級的標准;但同樣的對應組,含水量只有51%的預測准確度(aw >0.61, MC < 12%)。
 

 

 

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