The Fermentation Effect

コーヒー

発酵の効果

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はじめに

みなさん、こんにちは。

本日紹介する記事はSCA(Specialty Coffee Association)が発行している25 MagazineのIssue10から”The Fermentation Effect“(「発酵の効果」)です。

コーヒーの発酵と聞くと、水洗式(ウォッシュト)でコーヒーを精製する際にミューシレージを取り除くために発酵槽に浸ける工程が思い浮かびます。

また、最近では発酵を利用するために有用な微生物を添加するなど、精製方法も多様化していると聞きます。

コーヒー好きなら精製工程がカップに与える影響の大きさは十分認識しているところかと思います。

さらには生産者が生産物により大きな付加価値をつけることができる点でも今後さらに注目が集まると予想されます。

今回は、この「発酵」というキーワードについての研究報告のご紹介となります。

The Fermentation Effect

本編

では、早速本編を見ていきましょう。

尚、今回からは本文を意訳する形でご紹介して参ります。

本文は全文掲載させていただきますので「?」な部分については Google翻訳やホンヤクコンニャクなどを利用して適宜ご確認いただければと存じます。

The journey of coffee is complex and fascinating.

コーヒーの探求は複雑で魅力的

SOPHIA JIYUAN ZHANG and FLORAC DE BRUYN share research findings amassed during a four-year research collaboration focused on creating a better understanding of the impact of post-harvest coffee processing on coffee quality across different geographic locations.

SOPHIA JIYUAN ZHANG FLORAC DE BRUYNが、異なる地理的条件で収穫後の精製がコーヒーの品質に与える影響についての4年に渡る共同研究の成果を発表した。

As we walk along this path through the seeds, fruits, green coffee beans, roasted beans, and, finally, a brewed cup, we can appreciate the effort that goes into each single stage of the entire coffee value chain. Not surprisingly, each of these stages is interlinked and can be optimized to deliver coffee of ever-increasing quality. Coffee quality is commonly evaluated at the level of the green coffee beans and the brewed cup. As the green coffee beans have all the flavor precursors locked inside them, their quality bears a close relationship to the final cup quality.

コーヒーのバリューチェーンの各ステージ、つまり種から始まり、チェリー、生豆、焙煎豆、最終的なカップは互いに関連し合い、そのクオリティはそれぞれのステージで払われる多大な努力の元に成立している。クオリティの評価は大抵、生豆と最終的なカップによって成される。

But the role of post-harvest processing cannot be ignored when one thinks about improving coffee quality. The main goal of post-harvest processing is to remove the outer layers of the coffee cherries and transform their seeds into a dried and stable carrier of flavor precursors, i.e., green coffee. The common methods to achieve this are wet and dry processing, whose history can be traced back to the very birth of the coffee industry. Meanwhile, many hybrid or novel methods also have gained popularity in the coffee production regions, such as the well-known pulped honey process or the trendy anaerobic fermentation (i.e., with limiting or absence of oxygen during fermentation). In recent years, many producers have taken the lead in innovating coffee processing and have experimented with different methods across production regions. This provides a huge amount of empirical evidence regarding the influence of processing methods and specific processing parameters on coffee quality. However, rigorous scientific proof to back them up remains veiled, yet longs to be discovered.

収穫後の工程は無視できないものになってきている。収穫後の工程の主な目的はチェリーから果肉を除去し、最終的に安定した生豆の状態にすることである。伝統的な手法として、ウェット、及びドライプロセスがあるが、これらには長い歴史がある。一方で最近では、これらを組み合わせたハニープロセスや、嫌気的な発酵を用いたプロセスなどが台頭している。昨今、各地の生産者は様々な方法を試しており、有用な知見が集まっている。しかしながら、地域特性に合った知見はまだまだ不足している。

For the past four years, we have been working with coffee through a bilateral industry-academia research collaboration between the Vrije Universiteit Brussel (Brussels, Belgium) and Nestlé Research (Vers-chez-les-Blanc, Switzerland), endeavoring to understand coffee post-harvest processing. Here, we’ll highlight some of our research findings with different coffee varieties in various geographical locations – we hope you’ll find it as insightful and thrilling as we did during our journey.

この4年間、我々は収穫後のプロセスを理解しようと努めてきた。以下では、異なる品種についてそれぞれの地域における研究結果を紹介する。

Microbes and Metabolism

微生物と代謝

Two main phenomena happen during coffee post-harvest processing, namely the microbial activities in the processing environment and the internal seed metabolism of the coffee beans. The dynamic character of the processing is highlighted in the continuous consumption of nutrients and production of substances by the microorganisms, as well as an ongoing re-shuffling of the seed’s own metabolomic profile (i.e., a concentration profile of many different substances in the beans). The complexity lies in the multiple steps within a single processing method and its dependency on various external factors, such as temperature, coffee variety, and processing equipment.

収穫後のプロセスでは2つの主要な変化が起こっている。プロセスを行う環境での微生物の活動と、コーヒー豆の内部で起こる種子の代謝である。種子の周りにある栄養を使う微生物の活動によって様々な物質が生成し、種子内部でも代謝が活発になり、やはり様々な物質が生じる。一つの精製プロセス内でも複雑な複数のステップがあるし、温度や種、用いる器具などの外的要因にも影響を受ける。

Microorganisms are present in virtually any environment and, therefore, also in the coffee processing ecosystem. As they play a crucial role in other fermented food productions (see “Fermenting Flavor”), it is perhaps not surprising that microorganisms also perform important functional roles during coffee processing. Microorganisms are already present on the coffee cherry’s surface before the processing even begins: as processing progresses, these microorganisms (especially the lactic acid bacteria) thrive on nutrient-rich plant material, such as pulp and/ or mucilage, that is released into the fermentation environment. While they grow, microorganisms produce metabolites from these plant nutrients and accumulate in the processing environment – this is called a fermentation by microbiologists. To our excitement, we found that fermentation happens in different parts of the coffee ecosystem during wet and dry processing. During wet processing, fermentation happens in the processing water, while during dry processing, fermentation happens in the drying outer layers of the cherries. Interestingly, some of the metabolites produced during fermentation remain on the surface of the beans, and can even survive the entire process. As such, they linger on the green coffee beans as a microbial signature. We called this phenomenon the fermentation effect.

微生物はコーヒーの精製プロセス環境だけでなく、あらゆる場所に存在する。それらの微生物が発酵食品の製造で重要な役割を果たすのだが、これがコーヒーの精製プロセスでも大切な役割を果たす。その意味では、精製プロセス開始前からコーヒーチェリーの表面には微生物が棲息しているのだが、プロセスが進むとこれらの微生物、特に乳酸菌がミューシレージのような栄養が豊富なところで増殖する。彼らが増殖するにつれて、微生物は代謝物を産生する。これが微生物による発酵である。実験を通じて、ウェットプロセスとドライプロセスでは発酵の過程が異なることがわかった。ウェットプロセスでは発酵槽の中で発酵が起こり、ドライプロセスではチェリーの表面で発酵が起こるのだ。面白いことに、代謝物の一部はコーヒー生豆の表面に残り、全工程を通して生き延びる。そうして、微生物の特徴として生豆の表面に残ることになる。この現象を「発酵効果」と名付けた。

Figure 1: Our multiphasic approach decoding the journey of coffee from cherry to cup, including metabolomic (top) and microbiological (bottom) approaches to unravel the coffee processing ecosystem, as well as the sensory evaluations of the brewed cup. For full results, see relevant research papers.

Concurrently, the coffee bean is also a living entity that interacts with and reacts to its environment. As any living organism, it will thus be metabolically active throughout processing. The coffee beans are considered intermediate seeds, which allows them to react to different external environmental stress factors even under low moisture content and change their metabolite composition accordingly (made up of the dynamic sum of all carbohydrates, amino acids, and organic acids inside the seed). The two dominant stress factors along the processing chain are hypoxia, or lack of oxygen, during the underwater submersion and “drought stress” (lack of water) during drying. During wet processing, the beans experience both hypoxia and drought stress, while during dry processing, the beans are under prolonged drought stress. These are also the differences that contribute to the distinction between a washed and a natural coffee. Therefore, when we talk about the impact of coffee processing on flavor, we’re not just talking about the creation of “fermented flavors” that exist on the outside of the processed beans – we’re also talking about fundamental changes to the metabolic composition of the coffee bean itself.

同時に、コーヒー生豆もまた生きているので周囲の環境に触れることで変化する。そのため、プロセスを通じて代謝活動は続いている。環境ストレス因子に影響されて、代謝産物(炭水化物、アミノ酸、有機酸など)を変化させる。生豆が晒される環境ストレスは水槽に沈められることで起こる低酸素状態と、乾燥工程で受ける「乾燥ストレス」の2つである。ウェットプロセスでは両方の影響を受ける。ドライプロセスではより長期間に及ぶ乾燥ストレスに晒される。それらはまたウォッシュトとナチュラルの違いを生み出す一因になっている。しかしながら、我々がフレーバーに及ぼすプロセスのインパクトについて言及するとき、精製されるコーヒー豆の表面に存在する「発酵フレーバー」だけでなく、内部で生じる代謝産物のより一般的な代謝産物の変化についても述べておきたい。

Different Processes Accumulate Different Concentrations of Metabolites

異なるプロセスは異なる量の代謝産物を産出する

Under different processing conditions, both microbiology and seed metabolism affect the metabolomic profiles of the coffee beans and thus ultimately the cup quality. Here, we briefly consider the impact of three specific wet processing parameters that we studied extensively: how long fermentation took place, if the cherries were mechanically demucilaged, and whether or not the beans were soaked after fermentation and washing. However, before we start, it’s helpful to clearly define some terms used around processing.

異なる精製プロセスにおいては、微生物と代謝の両方がコーヒー生豆の代謝産物プロファイル、そして最終的にはカップクオリティに影響する。次の3つの点について研究した。発酵期間の長さ、機械的にミューシレージを除去したかどうか、発酵後に水に入れられて洗われたか、である。

During basic wet processing, fresh coffee cherries have their pulp removed (depulping) and submerged under water (fermentation). Afterwards, the fermentation tank is drained, and the fermented beans are cleaned with water to remove any remnant mucilage (washing). Sometimes, these washed beans are then soaked in the tank or separate buckets with clean water again (soaking). After washing or soaking, the beans are dried during a drying step. One variation on classical fermentation is to remove the mucilage mechanically through the demucilager (where two rotating drums squeeze the beans to scrape off a large portion of the mucilage mechanically), which is what we’ll define here as the demucilaging process.

ウェットプロセスの用語解説。最初にチェリーから果肉が除去される工程(ディパルピング)、水に浸ける(発酵)、発酵後のコーヒー豆から緩んだミューシレージなどを洗い流す(洗浄)、その豆をさらに水に浸ける(ソーキング)。その後、乾燥工程に移る。伝統的なウェットプロセスの一つに、ミューシレージまで機械的に取り除く方法がある(ディミューシレージング)。

The length of fermentation exhibits a significant impact on the coffee quality. We found that whereas a long fermentation is commonly believed to downgrade coffee quality, leading to stinkers or acid beans, it can also have positive and even desirable effects, provided carefully controlled farm practices are maintained. Under hygienic processing conditions (in particular for the fermentation tank and washing channel), a longer fermentation allowed more time for the desirable microbial activities to deploy and resulted in a greater fermentation effect on the fermenting beans. This fermentation effect lingered on the green coffee beans, as reflected in the higher concentrations of microbial metabolites (e.g., lactic acid and mannitol) and the higher intensities of the floral or fruity volatile organic compounds. On the flip side of microbiology, a long fermentation duration reinforced the role of hypoxia through endogenous bean metabolism, affecting concentrations of simple carbohydrates (e.g., glucose and fructose), amino acids (e.g., aspartic acid and alanine), and organic acids (e.g., succinic acid). These compounds listed can act as main precursors in a series of chemical reactions during roasting, especially the Maillard Reaction, and generating signature coffee flavor. With the modification of the abundance of these flavor precursors on the green beans, longer fermentation resulted in an enhancement of the fruity notes in-cup.

発酵の長さがコーヒーの質に大きなインパクトを与える。一般的に長い発酵時間はコーヒーの品質を低下させ、異臭や酸っぱさの原因となる一方で、よく管理されていればポジティブで望むような効果を得られると信じられてきた。より衛生的な環境(特に発酵槽や洗浄路)では、より長い発酵時間を確保できることで、発酵の効果をより引き出すことができる。この発酵効果が微生物の代謝産物(乳酸やマンニトールなど)とフローラルあるいはフルーティな揮発性有機酸として生豆に残る。その一方で、長い発酵時間によって生豆内部の代謝を通した嫌気的な役割が強化され、基本的な炭水化物(グルコースやフルクトースなど)やアミノ酸(アスパラギン酸やアラニンなど)、有機酸(コハク酸など)の濃度に影響を与える。これらの物質は焙煎で起こる化学変化(特にメイラード反応)の主要な前駆物質で、コーヒーの特徴的なフレーバーとなる。これらの物質が生豆に豊富に含まれるとことで、長い発酵時間をかけて精製されたコーヒーはよりフルーティなものとなる。

The use of demucilaged rather than depulped beans as the starting material for fermentation during wet coffee processing has been controversial. As a more ecological alternative to classical fermentation, the use of a demucilager can save on the fresh water used during fermentation and reduces processing time, yet its impact on the sensory quality remains elusive. Our work showed that the presence of mucilage on depulped beans increased the nutrient density in the fermentation water for the microbes to work on. That’s why the fermentation effect in the water and on the beans was more intensive compared to a demucilaged fermentation process. This resulted in the green coffee beans from the depulped process retaining more microbial metabolites and differing in amino acid and phenolic profiles compared to the demucilaged process. As a result, the cup quality derived from these two processes showed subtle differences in their floral and fruity intensities.

ディパルプでなくディミューシレージされた原料から発酵過程に入ったウェットプロセスのコーヒーは議論の的になってきた。よりエコロジカルな伝統的発酵プロセスとして発達したディミューシレージャーは発酵に使われる水をセーブし、時間を短縮する一方で、そのフレーバーへのインパクトはかなり微妙だ。我々の研究では、ミューシレージを残した状態で発酵すると発酵槽の栄養濃度が増え、微生物が活発に働くので、ディミューシレージされたものよりも発酵効果が発揮される。結果として、ディパルプされた生豆はディミューシレージされたものより、多くの微生物由来の代謝産物が残っており、アミノ酸やフェノール類が異なったものとなるのである。最終的なカップにおけるフローラルやフルーティな風味の違いとなって現れるのである。

In contrast to the factors mentioned above, the application of washing and soaking reduced the fermentation effect. With the absence of soaking or even a reduced amount of washing, the precious metabolites accumulated during fermentation were retained on the green coffee beans to a higher degree and improved the cupping score. However, if for whatever reason fermentation does not turn out well, soaking could help to get rid of some of the undesirable metabolites built up during fermentation and provide a means of controlling off-flavors in coffee.

対照的に、ウォッシングやソーキングは発酵効果を薄める。ソーキングを行わなかったりウォッシングの量を減らすと、代謝産物の蓄積は生豆にも高濃度で残り、カッピングスコアに表れた。しかし、何らかの理由で発酵が上手くいかなかった場合は、ソーキングは発酵で蓄積する好ましくない代謝産物を取り除き、オフフレーバーのコントロールを可能にする。

Coffee Variety as a Fermentation Variable

発酵の変数としての品種

Different coffee varieties will show variability in metabolite composition of the mucilage and pulp of their fresh coffee cherries. As the main provider of nutrients for the microorganisms, the compositional differences in mucilage across different coffee varieties also impacts the extent of the fermentation effect. For example, we found that the Typica coffee cherries we used in Latin America had a juicy mesocarp layer that was richer in nutrients than that of Catimor ones in Asia. In combination with external factors, like the local ambient temperature, we found that this affected the pH profiles, the microbial community dynamics, and the metabolite compositions during fermentation. Therefore, it is important to take the coffee variety into account when evaluating the potential impacts of the processing practices.

異なる品種のコーヒーではミューシレージやパルプなどフレッシュなチェリーに含まれる代謝物の構成は異なる。これらは微生物への主要な栄養供給源なので代謝物が異なれば発酵効果にもインパクトがある。例えば、ラテンアメリカで使われるティピカの果肉やミューシレージにはアジアで使われているカチモールよりも栄養が豊富だった。気温などの外的要因の組み合わせ次第で、発酵中のPHプロファイルや微生物の多様性、代謝産物の構成に影響があることがわかった。だから、精製プロセスへの潜在的なインパクトを評価する場合は品種を考慮することが重要なのだ。

Figure 2: Coffee post-harvest processing consists of several dynamic and intertwined activities, mainly microbial activities and endogenous bean metabolism (left). Switching the processing methods or changing the processing parameters could change the (green) coffee bean composition and the sensory profile of the brewed cup. The extent of their impacts on coffee quality depended on the parameter altered and the processing conditions (right).

We believe that this diversity is coffee’s strength, because it means that there is a vast amount of permutations of the factors above that remain to be explored and that this diversity in the coffee value chain interweaves craft and science. We remain convinced that some of the outcomes are bound to result in a damn fine cup of coffee.

筆者らはこれらの多様性はコーヒーの強みだと考える。なぜなら、探究すべき要素はまだまだ沢山あるし、コーヒーのバリューチェーンに組み込んでいけるからだ。今回得られたいくつかの結果は素晴らしいカップクオリティに繋がっているはずだ。

SOPHIA JIYUAN ZHANG, a chemist and coffee enthusiast, has worked on multiple coffee plantations around the world to understand the links between processing and coffee quality. FLORAC DE BRUYN is a microbiologist with a keen interest for spontaneous food fermentations, focusing on the coffee fermentation microbial ecosystem during his PhD. Both now work for Nestlé Research in Switzerland.

Shopia Jiyuan Zhangは化学者であり、大のコーヒー好きだが、世界中のいくつものコーヒー農園でプロセッシングとクオリティについて研究している。Florac De Bruynは微生物学者で食べ物の発酵に強い興味を持っているが、ドクター過程でコーヒーの発酵微生物環境について研究していた。二人は現在スイスにあるネスレの研究施設で働いている。

Further Reading

参考文献

Relevant research papers have been published in: De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L. (2017). Exploring the impacts of post-harvest processing on the microbiota and metabolite profiles during green coffee bean production. Applied and Environmental Microbiology 83, e02398-16.

Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L. (2019). Following coffee production from cherries to cup: microbiological and metabolomic analysis of wet processing of Coffea arabica. Applied and Environmental Microbiology 85, e02635-18.

* equal contribution

Fermenting Flavor

Microorganisms play a crucial role in the fermented food products we know and love.

Sauerkraut

Bacterial groups of leuconostocs and lactobacilli acidify white cabbage, giving its signature pleasant acidity and making it safe to consume.

Yogurt

Bacterial species of lactobacilli and streptococci play an important role in creating the creamy, smooth texture and refreshing acidity.

Beer

Yeasts produce alcohol and fruity/floral aromas, making beer enjoyable to consume.

Soft Ripened Cheese

Bacterial species of lactococcus will create a soft and creamy interior. On top of that, molds will create a white, bloomy rind on the surface.

おわりに

今日から「ナチュラルフレーバーは果肉から種子(コーヒー豆)に糖などが移るから生まれる」という説明はほぼガセだと思われますのでやめましょうw

糖のような分子量の大きな物質がパーチメントを潜ってさらに細胞壁や細胞膜を通って細胞間を移行することは科学的にも考えづらいことです。

それよりは細胞内で起こる代謝の変化と捉えるのが合理的な気がします。

そしてキーとなるのは「発酵」であり、その長さがスペシャルティにおけるカップクオリティに大きな影響を与えるのです。

「発酵」と「腐敗」は人にとって有用かどうかで呼び名が変わる、本来は同一の自然現象です。

つまり「発酵」は上手くコントロールしないと時に好ましくないフレーバーを生み出してしまう諸刃の剣ということができます。

ただ上手くコントロールできるようになれば、スペシャルティの世界はさらに広がっていくと思います。

そして何より、この技術は「生産者」側の利益に繋がることが大きいです。

「生産者」が自ら主体となり商品価値を高め収入を大きくすることができるのです。

このことが持続可能な生産につながり、コーヒーのバリューチェーンを発展させるものと思われます。

上手くまとめられませんが、これ以上続けてもグダグダ長くなりそうなので今回はこの辺で。

それでは!

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