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烘完豆就沒事了嗎?— 探究咖啡豆冷卻

已更新:2021年12月24日

冷卻系統、曲線與相關實驗


烘豆師常常會很在乎烘豆曲線,卻容易忽略冷卻時咖啡豆仍然在進行化學反應,畢竟「溫度」是化學反應的重要條件


如果加熱很重要,重要到需要把曲線紀錄下來,我們應該要同樣重視冷卻的過程



究竟冷卻速度要怎麼測量?

通常大家會這樣說:大概2分鐘會降溫到手摸不會燙的程度

這種描述有點太不精確了,手摸不會燙可能是60度,也可能是25度


咖啡圈流傳一個說法:四分鐘內要完成冷卻

這個說法也滿籠統的


我們需要一個更精準的指標來代表冷卻速度




什麼是熱平衡?

咖啡豆是怎麼被加熱、怎麼被冷卻的?


從熱力學的角度切入來理解,世界上所有物質都傾向達成熱平衡,意即達成溫度一致


根據熱力學第二定律,或稱熵增定律:

孤立系統自發地朝著熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化


而達成熱平衡時系統的亂度,也就是「熵 entropy」最大,就是最自然最穩定的狀態


生豆放入鍋爐時,因為生豆溫度遠低於鍋爐內溫度,熱量馬上湧向生豆。

假設我們希望在220度下豆,通常我們會設定火力風門讓最終的平衡溫度高於220度,不然烘豆時間會拉得很長。

設定的最終平衡溫度越高,咖啡豆會越快達到預計的下豆溫

大概會長得像這樣:





烘焙時變因很多,很難推算最終平衡溫度(大概只有熱風機有機會使用入風溫來輔助判斷)


冷卻相對單純,最終平衡溫度就是室溫



冷卻速度

熱力學第二定律表示:物質會傾向達成熱平衡,但是卻沒說需要花多少時間


我們可以這樣理解:越快達成熱平衡,代表熱交換效率越好,可以拿來做為冷卻速度的指標


我們來做一些公式推導吧

如果想直接看結論可以跳到 (eq.4)


傅立葉熱傳定律:

T是時間的函數


q代表接觸界面單位面積所傳遞的功率(W/m²)

T 是咖啡豆的溫度,可能會隨時間改變(°C)

▽T是在空間中的溫度變化率(°C/m)

k是係數(W/(m.°C))


這個定律指出:在材料相同的情形下,帶走熱量的多寡與溫差成正比

寫成積分形式:


Q代表傳遞多少熱量(J)

T₀代表室溫(°C)

經過一番計算後:


等式左邊是咖啡豆溫度跟室溫的溫差,右邊的A、B是係數,B代表達成熱平衡的快慢。


實測

了解數學模型後,可以開始實際應用了

使用紅外線測溫槍,每15秒測一次,過程中稍微攪拌。

把測到的咖啡豆溫度扣掉室溫,放到excel裡面,利用指數趨勢線來擬合


0.01776 代表這次冷卻的速度


測冷卻速度有什麼用呢?

如果風扇不變,冷卻的結構也不變,照理來說冷卻速度應該一樣吧?

一開始我也是這樣想,實際測了之後才發現不同豆子冷卻速度可能會不同

日曬處理好像會冷卻得比較慢,確切原因和風味影響都需要再進一步研究



甚至如果要藉由調整冷卻速度達到特定目的,冷卻曲線也會是一個重要指標


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