水分が熱の伝わり方を変える

コーヒー豆の水分含有量は、熱伝達速度に大きく影響します。水分含有量の多いコーヒー豆は、焙煎時に多くの熱を必要とします。これは、水分が加熱される際に多くのエネルギーを消費するためです。また、水分含有量が多いと、豆の表面から中心部への熱伝達が促進されるため、焙煎オーブン内の高温に耐えやすくなります。

水分含有量の高い生コーヒー豆は熱伝導率が高く、水分が蒸発する前の初期段階では、豆の表面から中心部への熱伝達が促進されます。さらに、水分含有量が高いと豆の比熱容量も増加するため、豆の温度を上げるにはより多くのエネルギーが必要になります。

しかし、水分が及ぼす最も大きな影響は、水を蒸発させるのに必要なエネルギー量です。水が蒸発する際、エネルギーを吸収し、蒸気となってコーヒー豆から放出されるため、焙煎の初期段階ではコーヒー豆の温度上昇が緩やかになります。

この蒸発によって豆の中心部が冷却され、粒子の温度が約150℃に達すると、自由水のほとんどが蒸発します。その後、豆の内部の温度上昇速度が加速し始めます。

表面蒸発

焙煎工程の初期段階では、豆の表面付近の温度が最も急速に上昇し、内部への熱伝達はより緩やかになります。そのため、表面付近の水分が最初に蒸発し、豆の外側に水蒸気の層（「蒸発前線」とも呼ばれる）が形成されます。これは、焙煎開始時のひび割れの原因の一つと考えられてきましたが、このテーマに関する直接的な研究は少なく、憶測の域を出ません。

豆の温度が100℃を超えると、水蒸気が逃げるよりも速く蓄積されるため、豆の内部圧力が上昇し始めます。焙煎中は圧力が25バールに達することもあります（Bonnländer et al., 2005）。これはオリンピックの自転車競技用タイヤの圧力の2倍以上です。この高圧によって水の蒸発が抑制されるため、豆は沸点よりもはるかに高い温度でも液体の水、つまり豆の構造に結合した水の中に留まります。これは、120℃以上の蒸気と水の両方を含むエスプレッソマシンのボイラーと同様の仕組みです。圧力によって水の蒸発が抑制され、温度が通常の沸点以上に上昇するのです。

コーヒー豆の中心部（1）：液体の水／結合水と高圧の水蒸気の両方を含んでいます。水蒸気は四方八方から高圧に囲まれているため、逃げることができません。コーヒー豆の外層（2）：この層からは水蒸気が細孔を通して逃げることができます。蒸発断面（3）：これは中心部と外層の間の層で、液体の水／結合水が水蒸気に変化する場所です。その結果、コーヒー豆の外層は乾燥し、中心部は湿ったままになります。焙煎が進むにつれて、コーヒー豆からより多くの水蒸気が逃げるため、蒸発断面はコーヒー豆の中心に向かって内側に移動します。

熱バリア

焙煎が進むにつれて、豆の外層が障壁として働き始め、豆の中心部に伝わる熱量を減少させる。

まず、外側の層が乾燥します。乾燥したコーヒーは湿ったコーヒーよりも熱伝導率が低いため、乾燥した外側の層は中心部への熱伝達を阻害する障壁となります。次に、細胞構造が崩壊するにつれて、外側の層は多孔質になり始めます。これらの細孔はガスで満たされているため断熱効果があり、発泡ポリスチレンの仕組みを想像してみてください。結果として、細孔の体積が増加することで、外側の層は中心部への熱伝導率がさらに低下します。

焙煎の初期段階では、コーヒー豆の表面付近（1）の温度上昇が速い一方、熱はより深い層（2および3）へゆっくりと伝わります。コーヒー豆の表面付近の水分が最初に蒸発し、水蒸気層が形成されます。この水蒸気層はコーヒー豆の表面から始まり、温度上昇に伴って徐々に内側へと移動していきます。

この層の水分は蒸発する際に豆の表面から熱エネルギーを吸収し、熱が豆の内部に浸透するのを防ぎます。表面層が水分を失うにつれて熱伝導率が低下し、豆の内部への熱伝達が遅くなります。外層と内層の膨張率の差は粒子構造にストレスを与え、ガラスが急に熱湯にさらされたときにひび割れるのと同様に、ひび割れを引き起こす可能性があります。

その結果、コーヒー豆の表面層が熱が中心部へ伝わるのを妨げ、水分含有量の多いコーヒー豆を焙煎するのに必要な熱量が増える。

焙煎機内の湿度

焙煎オーブン内の空気の湿度も熱伝達速度に影響を与えます。湿った空気は乾燥した空気よりも比熱容量が大きいため、同じ温度であれば、湿った空気の方がより多くのエネルギーを運ぶことになります。

湿度の高い空気は豆に熱エネルギーをより効率的に伝えるため、オーブン内の湿度が高いほど焙煎時間を短縮できます。一部の業務用焙煎機では、焙煎中の湿度を制御できます。循環式焙煎機は、他のタイプの焙煎機に比べて内部の湿度が高い傾向があります。