十二. 烘豆的物理和化學反應
物理變化
關於本文所用到名詞的簡要說明
- 玻璃轉化溫度 (glass transition temperature，Tg)：為非結晶態物質在玻璃態(glassy state)與橡膠態(rubbery state)間轉換的溫度，其受到物質種類、物質分子量及系統中塑化劑(如水、小分子物質)的影響
- 玻璃化 ：溫度低於玻璃轉移溫度(Tg)時，分子鏈節的運動大部分會被凍結(frozen)，呈現出較多的晶格狀排列，呈現出剛性具硬脆(brittle)特性之玻璃態(glassy state)，類似玻璃的特性，堅硬但容易脆裂。
- 橡膠化 ：溫度高於玻璃轉移溫度(Tg)時，分子鏈節則會有更多的自由度可以運動，呈現出柔軟可繞曲的橡膠態(Rubbery state)。
- HTST （high-temperature short-time roasting process）：簡單直譯為高溫快烘，實務上很少這樣烘焙，這是為了實驗對照所設計出來的烘焙條件，通常是設定240 C熱風烘焙，直到預定的烘焙度為止
- LTLT （low-temperature long-time roasting process)：簡單直譯為低溫慢烘，這是為了實驗對照HTST所設計出來的烘焙條件，通常是設定210 C熱風烘焙，直到預定的烘焙度為止
此外，有2個基本概念
生豆含水率約8～12%，在室溫時為堅硬的玻璃化狀態，當開始把它加熱進行烘焙後，隨著豆體溫度昇高、水分慢蒸散，它會由玻璃化慢慢進入橡膠化，豆體變得比較軟並且帶有彈性；再持續對它加熱，當水分散失到一定程度時，它又會回到硬脆的玻璃化狀態。烘焙過程中，豆子倒底處在玻璃化或橡膠化，不能單看溫度，還必須配合當時豆子的含水率。
生豆加熱烘焙之後，豆體會逐漸膨脹，原因是當豆子進入橡膠化變得柔軟有彈性時，內部水份受熱變成蒸氣，加上豆子的有機質部分轉化成揮發性氣體，蒸氣及氣體被豆子的細胞組織侷限住無法立即脫離，對細胞壁産生極大的壓力（可達8-25大氣壓），豆體就這樣被撐大，直到爆裂(一爆，二爆是另一段故事）。
引用文獻上的結論
- 經HTST烘焙的豆子，比LTLT烘焙的豆子，膨脹程度明顯大很多，並且經切片觀察，豆子組織的孔洞，HTST也比LTLT大。
我們可確知，烘焙會讓咖啡豆的豆體膨脹，並且使其組織細胞變得孔洞稀疏，並且，高溫快烘的效果明顯大於低溫慢烘。但這對一個烘豆人來說又有什麼用？
科學家就是那麼理性，他們不會回答這樣的問題，相反的他們做了用水銀去侵入豆子這麼一點也不美、不感性的事。
科學家是要證實水銀可以侵入豆內的細胞室及以細胞壁的孔洞，並且由顯微影像得到證實。水銀如何經由細胞壁侵入細胞室內？細胞壁經加熱結構轉變形成ink-bottle pore system，提供了水銀入侵的通路。相對的這個通路，也會是水蒸氣、揮發性氣體以及熟豆磨粉萃取時的通路，也是咖啡脂質由豆內移動到豆表的通路，更是熟豆保存時氧化衰變、受潮的通路。豆體膨脹得越大，洞越大，通路越大，上述物質也就越容易進出。
看完文獻的結論，烘豆人該怎麼烘豆子呢？
我們平常人不會有恆溫控制的熱風烘豆機，因此文獻中的某些條件我們可能不容易達到，例如讓豆子均匀受熱、穩定不變的熱源這種實驗的基本要求，熱源複雜（傳導、對流、輻射複合式熱源）、時間過短易受熱不均是現實的情況，因此我們會用風火控制以及不同的烘焙節奏（例如fast start slow finish - FSSF、slow start fast finish - SSFF），並且搭配一些手法（例如soaking、悶蒸、催火）來達到我們的要求。只是這些方法實現的過程中，大家比較專注在豆子的化學反應所産生的香味與滋味，甚少去探討如何營造一個適合某種化學反應的物理結構。譬如，之前有引述澳洲的專家的說法【若要強調花香，則要拉高RoR，並且不要烘過度】。高RoR的背後有高溫快烘的影子，它的結果就是高膨脹高孔洞，但如果把它套在FSSF或SSFF節奏上，就會變成只有部分階段是高RoR，控制得宜，就變成烘豆人獨有的手藝了。
化學反應
韓懷宗老師在精品咖啡學書中把舊版咖啡風味輪簡化為咖啡的氣味譜
我們知道，新版的咖啡風味輪，已經沒有像舊版最內第二圈，把關於Aroma的形成分為酵素作用、焦糖化、乾餾。或許是因為目前一般在討論Aroma的生成，都集中在梅納反應和焦糖化上面，酵素作用比較偏屬在生豆精製的部分。
焦糖化暫且不說，乾餾(dry distillation)就是之前提的高溫熱解反應(Pyrolysis)，乾餾不是只會產生燒焦的氣味，它在烘焙有一個很重要的作用，就是把豆子好像沒烘透的草本氣味轉化掉，並且會產生高揮發性的小分子芬香物質。關於高溫熱解，可以找到的資料不多，coffeereview上的這段話稍突顯了它的重要性
During the early part of the roast the bean merely loses free moisture, moisture which is not bound up in the cellular structure of the bean. Eventually, however, the deep bound moisture is forced out, expanding the bean and incidentally producing a snapping or crackling noise. So far, the color of the bean has not changed appreciably (it should be a light brown), and the oil has not been volatilized. Then, when the interior temperature of the bean reaches about 370°F, the oil suddenly begins developing. This process is called pyrolysis, and it is marked by darkening in the color of the bean.
原來高溫熱解不但會把咖啡的油脂發展成風味，也是咖啡表面顏色加深的原因之一。
有鑑於經常聽不懂也看不懂各式精深的烘豆化學反應著作，乃參考各家資料，以簡化可以理解的方式，整理成下圖
關於咖啡的風味以及它的關鍵化學反應，比較完整的資訊可以看下表，來自「The Craft and Science of Coffee」一書 page 297
Key Reactions of Coffee Roasting that Impact Flavor Quality
影響咖啡風味品質的烘焙關鍵化學反應
| Reactions化學反應 | Precursors Involved前驅物質 | Compounds Formed(Flavor Quality)生成物(風味品質) |
|---|---|---|
| Maillard reaction梅納反應 | Reducing sugars還原糖;N-compounds 含氮化合物 | Diketones (buttery)乙二酮(奶油香);Pyrazines (earthy, roasty, nutty)吡嗪(土味,焙味,核果味);Thiazoles (roasty, popcorn-like)噻唑(焙味,爆米花味);Enolones (caramel-like, savory)焦糖似;Thiols (sulfury, coffee-like)硫醇(硫磺味,咖啡味);Aliphatic acids (acidic)脂肪酸(酸味) |
| Strecker degradation史崔克降解 | Amino acids胺基酸;Diketones deriving from Maillard reaction梅納反應生成的乙二酮 | Strecker aldehydes (malty, green, honey-like)史崔克醛(麥芽,綠色植物,蜂蜜) |
| Caramelization焦糖化反應 | Free sugars (sucrose after inversion)游離糖(轉化糖) | Enolones (caramel-like, savory)焦糖味 |
| Degradation of chlorogenic acids綠原酸降解 | Chlorogenic acids綠原酸 | Phenols (smoky, ashy, woody, phenolic, medicinal)酚(烟味、塵味、木頭味、酚味、西藥味);Lactones (bitter)綠原酸內脂(苦味);Indanes (bitter, harsh)苦澀 |
| Lipid oxidation脂質氧化 | Unsaturated fatty acids不飽和脂肪酸 | Aldehydes (fatty, soapy, green)乙醛(油脂味、皂味、綠色值物) |
咖啡生豆經過高溫烘焙之後，會產生各式迷人香氣與滋味，主要是因為烘焙過程中，生豆內部所發生的化學反應，而促成這些化學反應的要素有原料(生豆內之有機質)、溫度(烘焙加熱)、壓力(豆子受熱後內部產生水蒸汽及其他氣體在豆內形成高壓)、水活性等，當然還有空氣中的氧等元素。烘豆過程中比較重要的化學反應有
- 梅納反應(包含史崔克降解)
- 焦糖化反應
- 高溫熱解反應
其中梅納反應持續的期間跨越乾燥（脫水）、梅納（褐化）、發展等三個階段，可說是最重要的化學反應，但即使做足梅納反應，最終咖啡的風味杯測起來卻不見得最佳，因為還要搭配焦糖化反應以及發展期的高溫熱解反應，一杯咖啡會萃取出怎樣的風味，才大致獲得決定。
很想細細解說上圖，但實非三言兩語說得清楚，有一點很重要必須提醒：烘豆過程不是在閱兵，什麼都整齊劃一，例如脫水結束所有的豆子或豆子內外就一致變白轉黃，這是不太可能的；倒是有點像觀光客懶散地狂大街，有人三兩下逛玩去等遊覽車了，有人還在某些店捨不得出來，也有人用一定的步頻慢慢走享受放空的感覺。即使是同一顆豆子，可能一部分在進行焦糖化了，一部分還在作梅納水解反應，而如何讓單一豆子可以同步進入同樣的化學反應，進而讓整鍋豆子儘量一致，是烘豆的設備及烘豆的手法所追求的基本功(馬步紮穩了再求變化)。
圖上面標的溫度是推想中的豆溫棒數字，一定誤差不小，但反應的次序或重疊的現象應該沒錯。
想要特別提出來講的是高溫熱解反應(pyrolysis)，它是有機物質在無氧(低氧)情況下的高溫裂解反應，反應溫度在200-300度，最終型態就是焦碳，類似用木炭窯燒木炭的反應。在烘豆過程中，一方面它會產生高揮發性的小分子芳香物質(很香但退得也很快)，另一方面會轉化掉梅納反應中間產物的生澀味，好好的用它，會幫咖啡添香去苦澀，但沒掌握好，就變碳燒風味的咖啡了。
咖啡的重要香味來自梅納反應的含氧雜環以及史崔克降解產生的芳香化合物，但不同產地的咖啡其有機質組成，以及生豆密度等物理結構均不相同，什麼階段產生什麼香氣，產地差距越遠，差異越大，例如瓜地馬拉和衣索比亞就有很大不同，而文獻研究證明，咖啡烘焙過程最主要的揮發性物質其揮發強度，會在一爆之後達到顛峰，可見得一爆洩壓後，豆內持續進行的梅納反應加上部分的焦糖化反應、高溫熱解反應，呈現一種多角崢嶸的現象，而這時離下豆結束烘焙的時間已近，特別是淺焙者，必須在這樣反應劇烈的情境下找一個最佳下豆點，的確是有難度，如果要求是每鍋都要一致，更是難上加難。
焦糖化反應的副產品乙酸不是一種很舒服的酸，它的揮發性高，淺焙豆完烘後聞到的酸味主要就是揮發出來的乙酸，相對的，極淺焙因為焦糖化反應很淺甚至還沒來得及開始，酸度反而比淺焙低，只帶點蘋果酸和檸檬酸或帶澀的咖啡酸。
在咖啡消費者眼中，符合偏好的咖啡風味才是好風味；在杯測師眼中，不論是淺焙、中焙、深焙，風味豐富、強度夠，並且完整發展，均衡度佳，沒有瑕疵味(包含under development)才是可以獲得高分的好咖啡。杯測師的要求可以建立烘豆人的基本功，烘豆人具備自我評測能力後，可以烘得更自在。