焙煎中の水分量の変化を観察してみよう!

コーヒー

焙煎中の水分量の変化を観察してみよう!

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はじめに

みなさん、こんにちは。

  • ニュークロップの生豆の水分含量は10〜12パーセントである
  • 焙煎によって加熱されることで水分の蒸発と揮発性物質が失われる
  • このため焙煎後にはコーヒー豆の重量は10〜20パーセント減少する
  • 焙煎豆の水分含量は重量比にして数パーセントである

この辺りはだいたい共通している認識かと思います。

ここからが見解が分かれるところですが、では水分はいつからいつまで、あるいは豆温度が何度から何度まで蒸発し失われていくのでしょうか?

ある筋によれば、豆の色が薄い緑から白く変色するまでを「水抜き」と呼んでいます。

またある情報によれば、豆温度がおよそ130度あたりから豆の内部から蒸発が始まる、と述べています。

今回読んでいく記事は、この水の動態を科学的に観察していこう、という意欲的な内容となっています。

ご紹介する記事は”Roast Magazine”の”Issue January | February 2019″ に掲載された”BAKED BEANS Observations on Water Content During Coffee Roasting“です。

この記事は一般に公開されており、PDFファイルでダウンロードもできるようになっています。

BAKED BEANSObservations on Water Content During Coffee Roasting
BAKED BEANSObservations on Water Content During Coffee Roasting

コーヒー豆に含まれる水分は一体どのように失われていくのか、早速読んでみたいと思います。

本文

(文中に出てくるグラフなどは掲載元に載っていますので合わせてご覧ください。)

HOW DO WE KNOW when coffee has finished roasting? One might think coffee is considered roasted when the final target temperature is reached. If a final temperature of 205 degrees C (400 degrees F) is specified as an endpoint, and the coffee reaches this temperature, it’s roasted, right? In his book The Coffee Roasters Companion, author Scott Rao argues that this is not necessarily true.

珈琲の焙煎が終わったことをどのように知るのか?ある人は目標の最終温度に達した時だと考えるかもしれない。もし205度を最終的な温度だとしてコーヒーがこの温度に達すれば焙煎が完了したということでしょう。”The Coffee Roasters Companion”の筆者であるScott Raoは著書の中で、これは必ずしも正しくないと主張する。

Introducing the concept of baked coffee, which he describes as “flat” and “dull,” Rao writes, “Intentionally extending the last few minutes of roast usually creates baked flavors and should be avoided. Should a roast stall, meaning the bean temperature stops rising (i.e., the [rate of rise (ROR)] is 0 or has a negative value), baked flavors will dominate and sweetness will all but disappear.”

彼が「平坦」とか「気の抜けた」と表現する「ベイクトコーヒー」というコンセプトが同著の中で紹介されているが、彼はその中で以下のように述べている。「意図的に焙煎の終盤を数分間引き延ばすことは通常ベイクトフレーバーを形成するので避けるべきです。もし焙煎が失速したら、豆温度の上昇が止まり(言い換えると、RORが0になるあるいはマイナスになる)、ベイクトフレーバーに支配され、甘さが全て失われる」。

As a refresher, ROR refers to the change in roast temperature over time (rising 5 degrees over 30 seconds, for example). Most coffee roasters not only monitor the roaster’s temperature, but the rate of change of that temperature inside the drum. Rao asserts that when the rate of change approaches zero, the coffee tends to pick up the taste attributes commonly referred to as baked. Thus, two identical coffees roasted to the same end temperature can taste drastically different, depending on how they were roasted.

ここで思い出しておくと、RORは時間当たりの温度の変化を意味する(例えば30秒当たり5度上がるなど)。多くのコーヒーロースターは焙煎機の温度だけを観察しているわけではなく、ドラム内の温度変化も観察している。温度変化がゼロに近づくと、コーヒーはベイクトと呼ばれる風味属性を形成してしまう、とRaoは主張する。だから、2つの同一銘柄のコーヒーが焙煎終了時の温度が同じであっても、どのように焙煎されたかによって全く異なる味わいになりうるのである。

Measuring Water Content During Roasting

焙煎中の水分量を計測すること

There are some major differences in the composition of green coffee versus roasted coffee. One big difference is the greater mass of a green bean compared with that of a roasted bean, caused by water leaving the green bean during roasting.

生豆と焙煎豆の組成にはいくつかの主要な違いがある。一つの大きな違いが生豆が焙煎豆と比べて非常に大きな質量を持つことだ。それは焙煎によって生豆から水分が失われることによる。

Using the example of a light roast with a 10-kilogram (22-pound) batch size, about 12.5 percent mass will be lost as water, resulting in a total decrease in weight of 1.25 kilograms (2.76 pounds). Water will account for 1 kilogram (2.2 pounds) of the mass lost. (The remaining mass loss likely can be accounted for by CO2 and other volatiles.) While there may be other factors that affect this number—such as the green coffee’s water content, the roaster, the environment and desired roast (a darker roast will tend to lose more water than a lighter roast)—these figures should serve as reasonable starting points for this discussion.

例として10KGのバッチサイズでライトローストを用いると、およそ12.5パーセントの質量が水分として失われ、全体として1.25KG減少する。このうち水分として失われた質量は1KGである。(残りの消失分はCO2や他の揮発性物質による。)この数字は生豆の水分含量や焙煎機、環境、焙煎度(より深い焙煎度では浅い焙煎よりも水分が失われる傾向がある)のような他の要因が影響を与えているかもしれないが、これらはこの議論のスタート地点としては意味のある数字だろう。

If this water could be measured during the roast, the measurement could be used to predict the final mass of the coffee. This would involve measuring the properties of the exhaust gas leaving the roaster.

この水分を焙煎中に測定できれば、計測がコーヒー豆の最終的な質量の予測に利用できるだろう。このデータは焙煎機から発散するガスの性質を計測することから得られる。

Air is a mixture of several gases, mostly nitrogen, oxygen and water, with trace amounts of argon, helium and hydrogen. The amount of water in air is described as the air’s humidity. Air will be able to absorb more or less water depending on its temperature and pressure. Hot air, like that inside a coffee roaster, can evaporate liquid water into gaseous water. There is a more complicated explanation for this phenomenon, but for simplicity’s sake, consider that hotter air has a greater capacity to hold more water than cooler air. One way to measure the amount of water in the air—as detailed in an article published in the Journal of Food Engineering in 2001 titled, “A preliminary study on the feasibility of using composition of coffee roasting exhaust gas for the determination of the degree of roast”—is to collect the air from the roaster and cool it until it returns to a liquid state. But to collect all the air coming out of a coffee roaster and cool it is difficult, energy intensive and time consuming. Another way to do this is to measure the capacitance of the air.

空気は数種類のガスが混じったもので、主に窒素、酸素、水で、微量のアルゴンやヘリウム、水素が含まれる。空気中の水分は湿度として表現される。空気の湿度は気温と気圧による。焙煎機の中のような熱い空気は液体の水を気体の水に蒸発させることができる。この現象にはもっと複雑な説明があるが、簡単にするために、より熱い空気が冷たい空気よりもより多くの水分を保持できる、と考えることにする。空気中の水分を計測する一つの方法は、2001年にThe Journal of Food Engineeringで発表された『コーヒーの焙煎度を規定するために焙煎中に放出されるガスの構成を利用することの実現可能性についての予備的な研究』という記事に詳細があるが、焙煎中に放出されるガスを集めて液体の状態に戻るまで冷やすというものである。しかし、焙煎中に放出される空気を集めてそれを冷やすのは難しく、膨大なエネルギーと時間を要する。もう一つの方法が空気の静電容量を計測することである。

Capacitance is a measurement of how much electrical charge a substance can hold, and can be used to infer other properties, such as density. Water has high capacitance, and air with higher humidity can hold more electrical charge. This ability to hold charge can be measured by a capacitive-relative humidity probe, which can be placed in the coffee roaster’s chimney. This sensor provides a number that reflects the ratio of the amount of water in the air compared to the theoretical maximum the air could hold. The theoretical maximum can be calculated using experimental data that is relatively simple to collect. (We used formulas from The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. A free calculator is available at aqua-calc.com/calculate/humidity.) This equation can then show the amount of water in the air volume being measured, if the ratio is known and the theoretical maximum is calculated.

静電容量の物質がどの程度電荷を保持できるかを計測することであるが、他の性質を推論することにしようされてきた、例えば密度のような。水の静電容量は大きく、湿度の高い空気はより多くの電荷を保持できる。この電荷を保持する性質が静電容量と湿度を関連させたプローブとして使え、このプローブは煙突に設置することになる。このセンサーが示す数値は理論的な飽和水蒸気量と比較して実際の空気中に含まれる水蒸気量の比率を反映する。理論的な飽和水蒸気量の計算には比較的シンプルに採られた実験データを使用した。(我々は1995年にThe IAPWS Fomulationで発表された『the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use』の方程式を使用した。フリーの計算式が以下のサイトにて利用可能である。 aqua-calc.com/calculate/humidity)比率が計測されて理論的な飽和水蒸気量がわかれば、この公式を用いれば空気の体積あたりの水分含量を示すことができる。

The result of these equations gives the amount of water in the air at any given point during the roast. The total amount of water that has left the roaster will be the sum of all measurements taken during the roast. At the end of the roast, the result will be the total amount of water multiplied by the volume of air that went through the machine. If this number is divided by the amount of air that went through the machine, or the airflow rate, the total mass of water that came out of the coffee will be all that is left. The result is a method of predicting the final mass of the coffee by subtracting the measured value from the coffee’s initial mass.

これらの方程式から導き出される数値が焙煎中どの時点における水分含量でも示してくれる。焙煎機から失われた水分の全量は焙煎中に計測された数値の合計から導き出せる。焙煎終了時点における水分の全量と焙煎機を通過した気体の体積を掛けたものがその結果となる。この数字を焙煎機を通った空気の量、あるいはエアフローレートで割ったものが、コーヒー豆から蒸発して失われた水分の全量である(?)。この結果が焙煎前のコーヒー生豆の重量から差し引かれることで焙煎後のコーヒー豆の重量を予測する方法となる。

We hypothesized that the amount of water leaving the coffee (by mass) could be calculated by measuring the relative humidity of the exhaust gases. We attempted to test this theory using the method detailed in the following pages.

我々はコーヒーから失われる水分量(質量)が排出される気体の相対的な湿度を計測することで算出されうるという仮説を立てた。次ページ以降に詳述する方法を用いてこの理論をテストしてみた。

Observations

To conduct our observations, we used an electrically powered, 1-kilogram coffee roaster from the Chinese company North Coffee (now distributed by Mill City Roasters). Two sensors were installed in the coffee roaster’s chimney. These sensors were installed high in the chimney, approximately 5 meters (16 feet) up, because the exhaust gases from the roaster must cool somewhat to be within the sensors’ measurable temperature range.

観察結果

この実験を行うために、我々は中国企業であるNorth Coffee(現在はMill City Roastersによって展開されている)の熱源が電力の1KG焙煎機を使用した。この焙煎機には煙突に2つのセンサーが設置された。これらのセンサーはおよそ5メートル上部に設置されたのだが、これは焙煎によって排出されるガスがセンサーが計測可能な温度の範囲に冷却されなければならないからである。

A sensor made by Novus (model number RHT-DM) was used to measure the exhaust air temperature and relative humidity. This sensor does not measure temperature using type K thermocouples, the kind found in most commercial roasters. Rather, it uses a device called a thermistor, which is housed in the same probe as the relative humidity sensor.

排気温度と相対的湿度を計測するためにNovus製のセンサー(型番RHT-DM)が使用された。このセンサーは焙煎機に使用されるもっとも一般的なKタイプの熱電対を使用して温度を計測していない。その代わりにThermistorと呼ばれる装置を使用しており、それは相対的湿度計と同じ装置に収められている。

A custom-made anemometer, which functions like a windmill, was used to measure the airspeed in the duct. (Most commercial models were too expensive and/or did not provide the measurement range we needed, so we designed and 3D-printed our own, using ABS plastic that would withstand the high temperature.) A small motor was attached to the blades of the fan. When the fan turned because of air flowing past it, the motor would generate a small voltage. This voltage could be amplified, filtered and read by the roast controller to gain a value for the airspeed. It was calibrated using an industrial anemometer while the roaster was cold. The industrial anemometer was removed from the circuit and the signal reported by the 3D-printed anemometer was correlated to the speed reported by the industrial anemometer.

風車のような役割をするカスタムメイドの風速計をダクト内の風速を計測するために使用された。(もっとも商用的に使用されているものは高価すぎる上に、我々が求める計測範囲をカバーしていないため、我々は自らデザインし、3Dプリンターで作ったが、これには耐熱性のあるABS樹脂を用いた)。そのファンのブレードには小さいモーターが設置された。空気の流れが生じることでファンが回った時、そのモーターが小さな電圧を生み出す。この電圧は増幅され、フィルタリングされることで風速値として焙煎コントローラーに読み取られる。この風速計は焙煎機が冷たい間に工業用の風速計によって補正された。この工業用の風速計は回路からは外され、3Dプリンターで作成された風速計からの計測値を工業用風速計の計測値と結び付けられた。

We did not measure the initial moisture content of the green coffee used as the devices required to measure that data were cost-prohibitive.

我々は最初の生豆の水分含量は計測していない。水分含量の計測装置は法外な価格だから。

On the day the tests were performed, the ambient conditions were:

テストが実施された当日の環境は:

Temperature: 17.8 degrees C (64.04 degrees F)

Relative humidity (RH): 75 percent

Water content was calculated as 11.4 g/m³ (grams of moisture per cubic meter of air, or “absolute humidity”)

温度:17.5度
相対湿度(RH):75パーセント
空気中の水分量は11.4g/m3だった。(体積空気中の水分量、あるいは「絶対湿度」)

In the first test, the machine was left to idle with nothing in it, with the heater on just over half and the airflow turned down to just below half. The temperature of the roaster was left to approach stable (equilibrium) conditions, meaning it was neither heating up, nor cooling down. The humidity observed in the stack could therefore be related only to the humidity already present in the air. The critical thing to note for this test is that the concentration of water in the air outside the roaster should be identical to the concentration inside the stack. The temperature and relative humidity will change, but the concentration will be the same. However, there may be slight variation due to some variation in the measurements made by sensors inside and outside of the duct, and also due to error between the sensors.

最初のテストでは、焙煎機は何も投入されていない状態で運転し、ヒーターは50パーセント強、エアフローは50パーセント弱に設定した。焙煎機の温度が平衡状態、つまり温度が上がりもせず下がりもしない状態になるようにした。なので煙突内について計測された湿度は空気中にすでに存在していた湿度とのみ比較された。このテストについて注意すべき重大なことは、煙突内の水分濃度と焙煎機の外の空気中の水分濃度は同一であるべきだということである。温度と相対湿度は変化し得るが、濃度は同じとなるだろう。しかしながら、ダクトの内外に設置されたセンサーによって計測された値のバラツキによって、あるいはセンサー間のエラーによってわずかな誤差は生じ得るだろう。

At equilibrium, the stack temperature was observed as:

平衡状態で計測された煙突内:

Temperature: 74 degrees C (165 degrees F)

Relative humidity (RH): 5.3 percent

Water content was calculated as 12.2 g/m³

温度:74度
相対湿度(RH):5.3パーセント
水分含量は12.2g/m3

The overall concentration calculated inside of the duct was 0.8 g/m³ different from the background humidity on the day of the test. This variation was considered negligible, so we proceeded with the second test.

煙突内について算出された水分濃度とテスト当日の周辺環境の湿度との差異は0.8g/m3であった。この差異は無視できると考えられるので、次のテストに進むことにした。

The second test (Figure 1, above) involved placing a known mass of water—275 grams—inside the roaster into a stainless-steel tray beneath the elements, at the conditions established in Test 1. The internal temperature of the roaster was stable at 231 degrees C (447.8 degrees F) and the temperature inside the exhaust stack was 73 degrees C (163.4 degrees F). The water was placed underneath the elements inside the roaster and left to evaporate. As the water began evaporating, the relative humidity climbed until it hit a peak value of 17.5 percent. Water was observed steadily leaving the roaster until most of it had evaporated from the tray within the roaster. At this point, the humidity declined back to the background levels observed in Test 1. The total amount of water leaving the machine was calculated at 268 grams. This was approximately equal to that of the water that had been placed inside the roaster.

2番目のテスト(上図1)は焙煎機内の下部にあるステンレス製のトレイに275gの水を投入し、テスト1の確立されたコンディションで実施された。焙煎機内部の温度は231度で平衡状態となり、煙突内の排気温度は73度であった。この水は焙煎機の下部に蒸発するように設置された。水が蒸発し始めると、相対湿度が上昇し、17.5パーセントのピークに達した。焙煎機に設置されたトレイから水が蒸発するまで焙煎機から蒸発していく様子が観察された。この時点では、湿度はテスト1で確認された周辺環境のものまで減少した。焙煎機から蒸発した水の総量は268gと計算された。これは、焙煎機内に存在した水の量とほぼ一致していた。

Figure 2 (above) shows the period of time after the water had been added. The total amount of water is shown in green. This line shows the amount of water that was introduced at the start of the test (275 grams). As the water evaporates, this amount decreases, until there is no more water left inside the roaster. The gradient or slope of this line shows the drying rate.

図2(上)では、水が投入されてからの時間が示されている。水の総量は緑色で示されている。この線はテストが始まったところから(275g)が示されている。水が蒸発するにつれて、この量は焙煎機内部に残った水がなくなるまで減少している。この線の勾配または傾斜が乾燥速度を示している。

In the third test (Figure 3, above), 1,029 grams of Sumatran coffee was placed inside the roaster. The roast took just over 12 minutes. During the roast, the minimum airflow was 0.84 m3 per minute, the average airflow was 0.85 m3 per minute, and the maximum airflow was 0.90 m3 per minute. The total amount of air that went through the roaster was 11.6 m3. The humidity observed in the exhaust duct steadily climbed as the coffee heated up. The amount of water leaving the roaster steadily increased throughout the roast until just before first crack. The water leaving the roaster then sharply increased through first crack, before declining just before the coffee was dumped out of the drum for cooling. The final mass of the water leaving the drum was calculated at 157.9 grams, using the same method as the previous tests. The mass difference measured when the coffee was weighed was 158.7 grams (i.e., the roasted coffee weighed 158.7 grams less than the green coffee placed in the roaster).

3つ目のテスト(図3)では1029gのスマトラコーヒーが焙煎機に投入された。焙煎は12分間行われた。焙煎中、最小のエアフローは0.84m3/分、平均すると0.85m3/分、最大で0.90m3/分であった。焙煎機から排出された排気量の合計は11.6m3であった。排気ダクトで観測された湿度はコーヒー豆が熱せられるにつれて次第に増えていった。焙煎機から排出される水分量は1ハゼが起こる直前まで焙煎を通して次第に増加した。1ハゼが起こると放出される水分量は劇的に増加し、冷却のためにドラムからコーヒー豆が排出される直前に減少する前までそれが続いた。焙煎前後における質量の差異は158.7gであった(焙煎後のコーヒー豆が焙煎前の生豆に比べて158.7g軽かった)。

Figure 4 (above) shows the drying rate throughout the roast. It’s particularly interesting to note that drying took place throughout the entire process. The rate at which the coffee was drying (shown by the slope of the purple line) was lowest at the beginning of the roast, progressed gradually throughout the roast, then sharply increased at the end of the roast. That is to say that, post first crack, water was observed leaving the coffee rapidly.

図4では焙煎を通した乾燥速度を示した。それは明確に増加しており、全体の過程を通して乾燥が進んでいくことがわかる。コーヒーが乾燥する速度(紫色の線の傾斜で示されている)は焙煎開始時が最小であり、焙煎を通して徐々に進行し、焙煎終了直前に劇的に増加している。このことが示しているのは、1ハゼ後に、水分が急速に放出されるということである。

Water Transformation During Roasting

In chemical engineering, a unit operation is a building block used to design a process. Processes can be modeled based on the type of unit operation they involve. One specific operation that concerns coffee roasting is drying—or removing water from a solid. The rate of drying is a function of airspeed and air temperature. Conductive, convective and radiant heat transfer all play a role, to varying degrees, in drying. Variables such as drum speed and airflow can be used to change the characteristics of a drying operation. Simply put, drying is a function of how hot a substance gets and how much air is available to draw in water.

焙煎中の水の状態変化

化学工学的に、ユニット操作はプロセスをデザインするのに使用されるブロックの構築である。プロセスはそれが関わるユニット操作のタイプに基づいてモデル化される。焙煎に関わる一つの典型的な操作はドライング(乾燥)、言い換えると個体から水分を取り除くことである。乾燥速度はエアフローの速度と温度によって規定される。電動熱や対流熱、輻射熱による熱の移動がそれぞれ乾燥の度合いに役割を担っている。ドラムスピードやエアフローといった変数は乾燥工程で形成されるコーヒーの個性を変化させるのに利用することができるだろう。簡単にいうと、ドライングは物質がどの程度の熱を得てどのくらい多くの空気を水分を飛ばすのに使うことができるかということにかかっているのだ。

Remember that the hotter the air, the more water it can absorb. Some of the water leaving a substance during drying transfers into the hot air stream. The amount of hot air available is related to the flow rate of air across the substance. In the case of a coffee roaster, air is drawn into the air intake, heated by either elements or burners, passed through the beans and, finally, exhausted out of the roaster. To affect the rate of drying, the operator can increase the amount of energy by supplying more heat to the drum, or by raising or lowering the airflow rate. Beans that are left at high temperatures with high airflow rates will experience more drying than those with lower temperatures and airflow rates. But this affects coffee only to a point.

ここで思い出してもらいたいのは空気は熱いほど水分を包含できるということだ。ドライング中に物体から放たれた水分は熱い空気の流れに移動する。どのくらいの熱せられた空気が利用可能かは物体を通過する空気の流量によって決まってくる。コーヒーの焙煎機においては、吸気口から取り入れられた空気は、焙煎機そのものおよびバーナーによって熱せられ、コーヒー豆を通過し、最終的には焙煎機から放出される。ドライング速度を変動させるには、オペレーターはドラムへの加熱を増加(あるいは減少)させるか、エアフロー速度を増減させることだ。コーヒー豆がより高い温度で大きなエアフロー速度に晒されれば、低い温度で小さなエアフローに比べればより乾燥されやすくなる。しかしこのことがコーヒーに与える影響は一部分に過ぎない。

Espresso Coffee: The Science of Quality, edited by Andrea Illy and Rinantonio Viani, provides a simulation of heat transfer through a coffee bean. Heat transfer is a measure of how temperature is conducted inside the bean. To understand how heat is conducted into the bean throughout the roast, the latent heat of vaporization must be considered.

Espresso Coffee: The Science of Quality』の著者であるAndrea IllyとRinantonio Vianiは、この著書の中でコーヒー豆が経験する熱の移動をシュミレーションした。熱の移動はコーヒー豆の内部にどのように熱が伝道するかを計測することで推察された。焙煎を通して豆の内部に熱がどのように伝わるかを理解するためには、蒸発潜熱を考慮しなければならない。

Latent energy is defined as the amount of energy required for a substance to undergo a phase transition—transforming from a solid, liquid or gas into another state. In the case of coffee, the most important phase transition is the transformation of liquid water to gaseous water, or steam. But this transition does not occur simply when the water is heated to 100 degrees C (212 degree F) to boil; it requires additional energy to undergo a phase transition. That additional amount of energy is the latent heat of vaporization, and it is substantial. It takes almost seven times the energy to transition water to steam as it takes to bring water from room temperature to boiling. This energy balance can be used to explain the behavior of coffee during the roasting process.

潜熱は物質に状態変化が起こるのに必要となるエネルギーの量と定義される。状態変化とは個体や液体、気体がそれぞれ別の状態へと変化することである。コーヒーについて言うと、最も重要な状態変化は液体の水が気体の水、もしくは上記に変化することである。しかし、この状態変化は水の沸点である100度に達したからといって起こるような単純なものではない。この時の状態変化にはそれ以上のエネルギーが必要となる。その追加で必要となるエネルギーこそ蒸発潜熱であり、それは小さなものではない。コーヒー豆において水分が液体から蒸気へ変化するためのエネルギーは、室温でお湯を沸かすためのものと比べて7倍に達する。このエネルギー差は焙煎におけるコーヒー豆の挙動を説明する際に用いられる。

The water inside a coffee bean acts as a storage medium for heat, absorbing and transmitting the energy from outside the bean. Coffee is a reasonably poor conductor of heat, so there is a limit to how quickly the heat can be transferred from the hot drum to the center of the bean. Heating too quickly will mean there’s not enough time for the heat to make it to the center and start raising the temperature of the coffee bean. Further along in the roast, the bean expands due to the pressure of steam pushing out of its internal structure. Over a certain limit, the bean cannot hold the internal pressure any longer and cracks open. During this phase, there is a spike in the water leaving the coffee, and the drying rate increases because the bean is now more permeable (spongy) and most of the water that was absorbing the heat is gone.

コーヒー豆の中の水分は熱の貯蔵媒体として働き、外部からの熱を吸収し媒介する。コーヒー豆は熱伝導がかなり悪いので、ドラムから豆の中心部へ熱が伝わる速さには限界がある。加熱が急速すぎると中心部まで熱が伝わる時間が十分でない中でコーヒー豆の温度が上昇し始めてしまう。さらに焙煎が進むと、蒸気圧によって内部構造が押し出されることで豆の膨張が始まる。ある程度まで進むと、コーヒー豆は内部からの圧力に耐えられなくなり、パチンと弾ける。この段階で、コーヒー豆から放出される水分量が一気に増加し、乾燥速度は増加するが、それはコーヒー豆の構造がスカスカのスポンジ状になり熱を吸収していた多くの水分が放出されるからである。

Applications in Roasting

For a coffee roaster, this sets up the following scenario: The drum of the roaster must be hot before the coffee is added, because a significant amount of energy is required to raise the temperature of the coffee when it’s at room temperature and has high water content. A larger amount of coffee generally will need a higher starting temperature in the drum. Failing to supply adequate energy at the beginning of the roast will result in a longer roast time. However, while the temperature has to be high enough to bring the roast up to a desirable temperature quickly, it can’t be so hot that the outside of the bean will burn on contact.

焙煎への応用

ロースターにとっては、ここまでのことから次のことが言えるだろう。ドラム式焙煎機はコーヒーの生豆が投入される前に十分に熱せられている必要がある。なぜなら、生豆が室温で水分量が多い場合、それを熱するためには非常に大きなエネルギーが必要となるからである。コーヒー豆がより多ければ一般的にはドラム内はより高い投入温度が求められる。焙煎初期に十分なエネルギーを加えることに失敗すると焙煎時間が伸びてしまう。一方で、投入温度は理想的な焙煎温度まで素早く達するのに十分高くなければならず、それはドラムとの接触でコーヒー豆が表面焼けするほど熱くはなり得ない。

After the beans are charged into the coffee roaster, there will be a sharp increase in the temperature of the coffee. As the coffee comes up to temperature, there must be enough time for the heat to transfer evenly in the bean. But recall that there will be evaporation throughout the entire roast. The amount of energy required to raise the temperature of the coffee will decrease throughout the roast as the water is boiled off. The danger with this decreased energy requirement is that, if too much heat is supplied, the roast can increase in temperature beyond the desired end temperature, potentially ruining the batch. During first crack, the heat input will be at a minimum; however, the temperature increase must not stall. A stalling rate of temperature increase at this point of the roast will mean that the coffee is sitting in a high temperature/high airflow environment for too long. At this point in the roast, the drying rate will be at its maximum. If the coffee sits in this environment, the end result will be a much drier product, which I believe is what roasters commonly consider “baked” coffee.

コーヒー豆が焙煎機に投入された後、豆温度の急速な上昇が見られる。コーヒー豆の温度が上昇する間には、熱が豆に均等に行き渡るのに十分な時間があるはずである。しかし、ここで思い出さなければならないのは、焙煎を通して蒸発が起こることだ。コーヒー豆の温度を上昇させるのに必要とされるエネルギーの量は、水分が蒸発するに従って焙煎を通して減少していく。必要なエネルギーが減少することが危険なのは、もし過剰なエネルギーが付加されると、理想としていた最終温度を超過して温度が上昇しうることであり、そのバッチが台無しになる可能性があるということだ。1ハゼ中は、熱の付加は最小であるべきだ。しかしながら、温度の上昇を急減速させてはならない。この時点での温度上昇の急減速が意味するのは、コーヒー豆が高温かつ高エアフローな環境に過剰に長く晒されるということだ。焙煎におけるこの時点で、乾燥速度は最高に達する。もしコーヒー豆がこの環境に晒されると、最終生産物はより乾燥したものになり、これこそがロースターが一般的に考える「ベイクト」コーヒーであると筆者は信じる。

For example, let’s consider two coffees that both reach the same end temperature or roast degree. The first roast has a decelerating rate of rise. This does not mean the roast is getting cooler; it means it’s increasing in temperature more gradually. In contrast, the second roast’s rate of rise crashes following first crack, meaning the rate of rise suddenly hits zero, or very close to it. The first coffee will reach its end temperature faster because it’s still increasing in temperature—albeit more slowly than before—therefore, it’s spending less time at high temperature and high airflow than the second roast.

例えば、最終温度が同じで焙煎度が同じ2つのコーヒーについて考えてみよう。一つ目の焙煎では温度上昇を抑えることにした。これは焙煎で温度が下がったという意味ではなく、温度上昇がより緩慢であることを意味している。一方で、2つ目の焙煎では1ハゼ後に温度上昇を急減速させた、つまり温度上昇率が突如ゼロ付近に落ちたことを意味する。1つ目のコーヒーでは継続して温度が上昇したので最終温度に早く到達したため(以前よりはより緩慢としていたとはいえ)、2つ目のコーヒーに比べて高い温度とエアフローによって短時間で済んだ。

Think of the first roast as a car traveling toward a stop sign; the driver eases off the accelerator and the car starts slowing down. Now imagine the second roast as a car with a panicky driver who slams on the breaks. The second car is still moving, but much more slowly than the first car. It’s going to take a lot longer to reach the stop sign than the first car, if it gets there at all. Similarly, the second roast will sit in the drum longer before reaching its end-goal temperature. It will spend more time drying, likely resulting in coffee that could be considered baked, flat, lifeless or dull.

1回目の焙煎を「止まれ」の標識に向かう車の運転として考えてみよう。ドライバーはアクセルを緩めることで車は減速し始める。次に2回目の焙煎をパニックに陥ったドライバーが急ブレーキをかけた車だと想像してみよう。2番目の車は動き続けているが、1番目の車と比べるとはるかに減速する。1番目の車よりもはるかに長い時間をかけて「止まれ」の標識に到達することになる。これと同様に、2番目の焙煎では最終的な温度に到達するまでにより長い時間ドラム内に止まることになる。つまり、ドライングにより長い時間をかけることになるので、おそらくベイクト、フラット、活き活きとしていない、鈍いコーヒーという結果になる。

Studying the water that leaves the roaster during the roasting process—if performed in conjunction with sensory evaluations—might provide an explanation for how “baking” occurs. There is also a physical explanation for what has long been observed by coffee roasters. First crack is known to be a critical phase in the roasting process. It is where temperatures, smells and colors are closely monitored to ensure good product. At the drying rates observed in these tests, there can be a large difference in the final weight of the product with only small differences in the time after first crack.

焙煎過程において焙煎機から放出される水分を研究することは(もし官能試験と結びつけられれば)、どのように「ベイキング」が起こるかという説明に貢献するかもしれない。さらに、ロースターによって観察されてきた物理的な変化の説明にも寄与する。1ハゼは焙煎過程において非常に重要な変化として知られていた。この時に品質を保証するために温度や香り、色付きが注意深くチェックされる。今回のテストで観察された乾燥速度においては、最終生産物の質量は1ハゼ後の時間の違いはわずかであっても大きな違いがあることがわかった。

Temperature can be used to set the final end point for a certain degree of roast. A lighter roast will have a lower end temperature, a darker roast a higher end temperature. But temperature alone does not answer the question, “When is a coffee considered roasted?” If there is indeed a physical number that can be assigned to a roast when it is done, it can be measured. If it can be measured, it may mean an automatic system will be able to determine the best point to end a roast. It could also be used to ensure a coffee is not roasted beyond the point where it will achieve its optimal flavor profile.

温度はある特定の焙煎度の最終チェックポイントとして使用されうる。より浅い焙煎ではより低い最終温度、より深い焙煎ではより高い最終温度というように。しかし、温度だけでは「コーヒーが確かに焙煎されたと言えるのはいつか?」という問いの答えにはならない。もし、実際に焙煎が確かに完了したことを示すような確固とした数値があるなら、計測されうるだろう。もしそれが計測できれば、自動制御のシステムが最適な焙煎完了のポイントを決定できるということを意味するかもしれない。それはまた、焙煎が最適なフレーバープロファイルが得られるポイントに到達していないことを確かめることに利用できるかもしれないことを示している。

Perhaps what is referred to by some as “baked” coffee is actually just a roast that has dried too long. The tests detailed in this article outline one possibility related to the cause of “baked coffee.” The next step in this exploration would be to add sensory analysis along with these moisture-loss measurements. Tools to measure moisture content, density and color of the beans would also add depth to this inquiry.

おそらく、何人かのエキスパートに「ベイクト」コーヒーと言及されているのは実際は焙煎が過度に長時間乾燥したということなのだ。この記事の概要で詳述された今回のテストから「ベイクトコーヒー」の原因と見られる一つの可能性が示された。この探求における次のステップは今回示された水分の計測値と関連付いた官能分析を実施することだ。コーヒー豆の水分含量や密度、色合いを計測する計器はこの探求の考察に役立つだろう。

The water content of coffee may be an important physical trait that can tell a roaster when a coffee has finished roasting—if it can be measured reliably. It could also be an important indicator of how a roast is progressing, and can help to explain the heat balance inside a coffee roaster. This will help to ensure more consistent, better tasting coffee and, I believe, help roasters avoid “baked” coffee.

コーヒーの水分含量の変化はいつ焙煎が完了したかをロースターに伝えうる重要な物理的性質となるだろう(もし信頼に足る計測ができれば)。それはまた、どの程度焙煎が進んでいるかを示すインジケータとして重要になりうるし、焙煎機内における熱のバランスを推察するのに役立つだろう。このことが、より均一でより美味しいコーヒーの生産に役立つだろうし、ロースターが「ベイクト」コーヒーを避けることに役立つと信じている。

おわりに

最後まで読んでいただき誠にありがとうございました。

長かったですね。。

長いだけにとても有益な情報が結構あったように感じますがいかがでしょうか。

例えば、

「固体として豆を構成している物質よりも水の方が熱を保持し伝えることができる」

ということから、

「水分量の多い生豆(ニュークロップやスマトラ式インドネシア産など)では、より乾燥している生豆(パストクロップなど)よりも芯まで熱を伝えやすい」

ということがわかります。

このことは、

「水分量の多い生豆は、初期に比較的多めに加熱しても表面焼けせずに内部まで熱を伝えることができる」

ということを意味しています。

これは焙煎アプローチを考える上でかなり役立ちますよね。

また、今回の実験から

「1ハゼが起こるポイントでもっとも多量の水分が放出されている」

ことが示されました。

水分が蒸発する際には気化熱として別が奪われるため、ROR(温度上昇率)が急減速します。

これがいわゆる意図しない「ベイクトコーヒー」の一因となっている、と筆者は考察しています。

さらに筆者は「車」を例えに使って「ベイクトコーヒー」の出現を回避する方法を示唆しています。

「ベイクトコーヒー」についてはこちらもどうぞ。

Rao先生に”Baked Coffee”について教えてもらう!

それでは今回はこの辺で。

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