关于生豆水活性与美拉德反应关系的研究

过去几个月，我将绝大部分精力放在了研究生豆水活性与烘焙过程中美拉德反应的关系上面，或许将这两个咖啡烘焙中最复杂的原理放在一起研究本身就是在给自己找不自在……

言归正传，前段时间我的一名同事Jen Apodaca 和我讨论了水活性对咖啡烘焙风格的影响。此前，我的一位来自Red Fox Coffee Merchants 的好友Joel Edwards 曾就这个问题撰写过一篇文章，但讽刺的是，在研究水活性的三大目的当中，对烘焙风格的影响或许是最不重要的一个。

首先，水活性能够告诉你生豆是否受微生物感染，水活性过高说明生豆中霉菌、酵母和细菌过于活跃。

其次，水活性还可以用来衡量咖啡口味的保质期，水活性（aW）高于0.60的生豆中的风味物质挥发性更强，可能会造成生豆在运输或储藏过程中提早变质。

当然，如《Green Coffee Analytics》一文中所说，从以上这两个方面，有关水活性的研究还可延伸至众多领域，但除以上两点以外，还有另一个方面值得注意，那便是水活性可能对生豆焦糖化和美拉德反应造成的影响。

什么是美拉德反应？

美拉德反应对于烹饪领域的重要性毋庸置疑，有关美拉德反应的定义，或许诺贝尔奖得主、化学家Jean-Marie Lehn 给出的结论最为准确：“美拉德反应是世界上应用最为广泛的化学反应。”

美拉德反应是糖、脂肪或脂肪酸之间发生的一系列反应，通常由热引发，反应中分子会大量分散、重组。说实话我个人也不是非常懂其背后的化学原理，但我知道该反应是由一位法国化学家Louis-Camille Maillard 命名的。他于1912年在一份研究报告中首先提出了这个概念，可直到50年之后，科学家们才找出了该反应的准确模型，其中以美国化学家John E. Hodge 在1953年对美拉德反应机理给出的解释最为广为人知。

但不幸的是，咖啡烘焙过程中的美拉德反应并没有那么简单。在烘焙过程中发生的美拉德反应决定了咖啡口味的复杂性，例如糖分的种类、酸度的高低、口感的结构等等，且美拉德反应始终贯穿于咖啡烘焙的全过程中，决定了咖啡的成熟度和感官特征。

在美拉德反应过程中，即便是最细微的温度变化（通常从300℉开始，一直持续到“一爆”和“一爆”后糖分的焦糖化）也会对咖啡的最终口味带来巨大影响。Rob Hoos 曾就此问题专门撰写过一本书，书中他建立了一套关于美拉德反应时间与咖啡口感之间关联的理论模型。

我决定进行这项研究的另一个原因在于，我发现在其他条件不变的情况下，美拉德反应时间越短，咖啡的甜味和酸味就越足。

我怀疑这和咖啡中可溶物质总量有关。几个月前，我刚刚写过一篇文章，证明了烘焙时间越长，咖啡中可溶物质总量就越少。这些可溶物质，例如柠檬酸、苹果酸、酒石酸等，会随烘焙时间的推移逐渐挥发殆尽。同时，我们知道糖在加热条件下会发生焦糖化，形成更长的分子链，其甜度也会比原本的糖更低。因此减少有机酸和糖分的流失，尤其是在美拉德反应过程中的流失，能够增加咖啡的酸度和甜度。

举例来讲，让我们看以下这张烘焙曲线图，图中的绿色曲线通过美拉德反应的速率更快，升温的陡度也更大，所烘焙出的咖啡口味柠檬酸和水果味更浓，甜味更足，但口感更偏单薄。相比之下，黄色曲线所烘焙出的咖啡口味更加柔和，酸味更弱，但口感更加醇厚。

再来看第二个例子，这次我们烘焙的是湿法脱壳苏门答腊咖啡，其中绿色烘焙曲线美拉德反应速率更快，虽然“一爆”后成熟时间（PCD）长了9秒、结束温度高了1℉、颜色深了1点（用ColorTrack进行检测），但咖啡仍带有浓郁的柠檬、苹果、青柠和樱桃味。黄色曲线的美拉德反应时间长了28秒，虽然“一爆”后成熟时间更短，但咖啡除糖分较为复杂之外，缺少了明亮的水果味，口感倒是更加醇厚、丝滑。

水活性与美拉德反应之间的关系

那么，上述研究和水活性有何关系？此前，已经有科学家证明了水活性能够影响美拉德反应速率和熟豆颜色。当水活性接近0.70时，美拉德反应速率和焦糖化达到顶峰；高于0.70，速率下降，因为反应物会被过多游离水稀释。

通常情况下，水活性高于0.70的生豆并不能保证生豆没有受微生物感染，且品质在运输和储藏过程中极不稳定，因此想要增加美拉德反应速率，调高水活性并不是明智之举。

但是，咖啡的水活性能够告诉我们生豆在烘焙过程中究竟会反应如何。

1. 关于“一爆”稳定性的研究

我的同事Jen 在她每周的烘焙工作中发现了个有趣的现象，她似乎能够通过生豆的水活性预测“一爆”的时间和温度。

以下是她在烘焙两款产自Huehuetenago 产区危地马拉咖啡时收集到的数据，两款咖啡的采摘和运输时间相近，水分含量也几乎相同，但水活性数值有所区别。在用不同型号、大小烘焙炉在5座城市烘焙34次之后，下图展示了这两款几乎相同、但水活性不同生豆在烘焙过程中的差异表现。水活性更高的咖啡（0.58，下图中用紫色点标出）“一爆”的温度和时间更加稳定；相比之下，水活性较低（0.54，下图中用绿色点标出）的咖啡“一爆”的温度和时间稳定性相对较差。

2. 关于美拉德反应速率和熟豆颜色的研究

Jen 的数据为我们下一步的深入研究奠定了基础。之后我又进行了2轮实验，在8月使用的是危地马拉咖啡，10月用的是哥伦比亚咖啡。在2次实验当中，我通过更改仓储环境改变了生豆的水活性。在危地马拉咖啡的实验中，我们分别对麻袋包装和真空包装在较长时间段内（4个月）对生豆水活性的影响进行了测试。

对于哥伦比亚咖啡，我们则采用了更极端的包装方法，测试了阴影储藏拉链袋和敞口、阳光照射条件下塑料桶包装之间的差别，储藏的时间较短，仅为5天。

两次测试的结果差别很大（当然一部分原因源自实验的时长）。但值得注意的是，虽然包装方法不同，水活性对烘焙过程影响的趋势是大致相近的。

首先我们来对危地马拉咖啡进行测试。我们使用的是CoffeePro 样品烘焙炉，火力、空气流速均保证相同。美拉德反应从330℉开始（生豆开始变黄），“一爆”温度为385华氏度。结束温度视具体“一爆”时间而定，每次烘焙均在温度达到385℉之后70秒时结束。

测试结果发现，每次烘焙之间最大差别在于烘焙总时长和熟豆颜色之前的差别。相比水活性较低的咖啡，水活性较高的咖啡（黄色曲线）在烘焙时间延长的情况下，颜色变化更加明显。

在测试哥伦比亚咖啡时，我使用了Ikawa 样品烘焙路以避免操作失误影响烘焙时间或温度。使用3种预设模块，我仅对温度从150℃（302℉）升至200℃（392℉）的时间进行了调整，调整幅度在1分钟之内。由于Ikawa 对时间和温度的控制十分精准，两款水活性不同哥伦比亚咖啡在烘焙过程中表现差距不大。

在用ColorTrack 比较颜色时，发现了有趣的结果：水活性更高的样品咖啡在烘焙时间延长的情况下颜色变化更为明显。下图展示了每一次烘焙熟豆的颜色差别。每款样品都用3个模块烘焙2次。

在8月用CoffeePro烘焙危地马拉咖啡时，我也使用了相同的方法，通过改变气流使炉温发生变化。增加温度会产生一定影响，水活性较高咖啡的升温速率要比水活性较低咖啡更快。

我又尝试在烘焙过程中降低温度，结果水活性较低咖啡升温停止，温度甚至降低了5℉；而水活性较高咖啡并未发生明显变化。

此外我还发现，水活性较高样品咖啡的温度转折点（Turning Point）温度整体更低。

3. 群体感官评价结果

在用3种方式烘焙完水活性高和低2款样品之后，我将收集到的数据带到了烘焙协会讲座上，让参会人员进行了盲品测试，并自愿提交测试结果。测试规模为63人，每个人需要用0-3分为6个样品的甜度、酸度和口感打分。冲泡使用Bunn批量冲泡咖啡壶。

测试结果与我就美拉德反应速率对咖啡甜度、酸度和风味影响的预测大体相同。但同时，结果显示水活性较高的咖啡，无论用哪种方法烘焙，其酸度都是最高的。水活性较低咖啡对于美拉德反应速率和时长反应巨大，酸度极不稳定；相比之下，水活性较高咖啡口味特征并未因美拉德反应速率发生太大变化。

结果显示，水活性较高咖啡风味受烘焙风格影响较小，尤其是酸度变化不大。水活性较低咖啡对美拉德反应过程中温度变化反应明显，这或许是因为其自身应变性较差，导致每一种烘焙风格下咖啡体现出的特征均不尽相同。

4. 哥伦比亚（Ikawa 烘焙炉）感官分析

此后，来自The Crwon 的5位成员对12款哥伦比亚咖啡样品进行的盲品，同样用0-3分为咖啡的甜度、酸度和口感打分，结果如下：

同样的，美拉德反应速率较快、时间较短的水活性较高咖啡更受人青睐。但整体上看，咖啡对于美拉德反应速率变化的反应程度和口味变化更难以预测，但水活性较高咖啡的整体趋势大致清洗，美拉德反应时间更短，味道更甜、酸度更加明亮；美拉德反应时间更长，甜度更低，酸度更弱。

结论

总的来讲，Jen 和我通过数据收集和分析，发现了水活性与美拉德反应之间的几个关联点：

1. 美拉德反应速率会影响咖啡甜度、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. 生豆水活性会影响美拉德反应思虑和焦糖化程度（颜色变化）；

3. 在其他条件不变情况下，水活性不同的两款咖啡，其中水活性更高咖啡（接近0.70 ）可能：

1 ）美拉德反应速率更快，且对美拉德反应过程中温度变化的反应速度更快；

2 ）酸度在美拉德反应速率变化情况下更加稳定；

3 ）“一爆”时间和温度可预测性更强；

4 ）相同结束时间/ 温度情况下，颜色更深。

这一结果对于烘焙师有何意义？我只能说选择在你！选择水活性更高的咖啡可能会让你得到更令人兴奋的口味特征，但生豆的储藏难度更大，保质期更短。烘焙水活性更高的咖啡，你无需太过在意美拉德反应过程中的温度变化。但最终，虽然实验结果如此，最终选择哪种咖啡、使用哪种烘焙方式，都要根据咖啡的真实口味而定。没有什么比品尝自己的咖啡更为重要。对于水活性和美拉德反应的了解能够帮助烘焙师做出更好选择，但没有什么能够替代亲身体验咖啡的感官特征，这才是你做出选择的最终依据。