焙煎中のガラス転移を理解する

コーヒー豆の焙煎工程では、コーヒー豆は多くの複雑な物理的・化学的変化を経ます。その中でも重要でありながら見落とされがちな現象の一つがガラス転移です。これは、コーヒー豆の構造がもろいガラス状の状態から、しなやかでゴムのような状態に変化する段階であり、コーヒー豆の膨張性、歯ごたえ、そして抽出能力に直接影響を与えます。

ガラス相転移の概念

ガラス転移とは、物質の物理的性質が、脆く「ガラス状」の状態から「ゴム状」、つまり柔らかく粘性のある状態に変化する現象です。硬くて脆いプラスチックをゆっくり加熱すると、最終的には柔らかくしなやかになります。この変化が起こる温度をガラス転移温度といいます。

多くのポリマー（コーヒー豆の細胞壁を構成するセルロースを含む）は、ガラス転移温度以下ではわずかに弾性を示します。つまり、コーヒー豆内部で発生する蒸気圧などの力が加わると、形状が変化します。しかし、その力を取り除けば、弾性構造は元の形状に戻ります。ただし、過度の力が加わると、ポリマーは破壊されます。

温度がガラス転移温度を超えると、構造が柔らかくなり、同じ力の下でより大きく伸び、永久的に形状が変化する可能性があります。ポリエチレン袋が弾性を示すのはそのためです（LDPEのガラス転移温度は約-100℃です）。そのため、室温では柔軟性があります（Greene、2021）。

ガラス転移プロセスは、コーヒー豆の構造と風味に直接影響を与えます。コーヒー豆が可塑性状態になると、豆内部の蒸気圧によって膨張し、抽出時に水が容易に浸透できるチャネルが形成されます。これにより、コーヒーに含まれる可溶性化合物の抽出効率が向上し、最終的な風味に影響を与えます。

さらに、ガラス転移プロセスはコーヒー豆の脆さにも影響を与えます。脆い豆は挽く際に崩れやすい一方、しなやかな豆は割れにくく、コーヒーの風味と構造を保つのに役立ちます。

コーヒー豆の水分含有量は、ガラス転移温度を決定する上で重要な役割を果たします。水は、コーヒー豆に含まれるセルロースやその他のポリマーを効果的に軟化させる働きがあります。水分が存在するとガラス転移温度が低下し、コーヒー豆がもろい状態からより柔軟な状態へと変化しやすくなります。これが、湿った、あるいは水分量の多いコーヒー豆が、乾燥した豆よりも膨張しやすく、形を変えやすい理由です。

コーヒー焙煎工程における応用例。

焙煎工程において、コーヒー豆は水分を失うと同時に温度が上昇します。豆がガラス転移を起こす正確な温度は、水分の減少速度によって異なります。豆が乾燥すると、ガラス転移温度に達するまでにより高い温度が必要になります。逆に、水分を保持している場合は、より低い温度でガラス転移を起こします。

焙煎工程の終盤、コーヒー豆が完全に乾燥すると、ガラス状に戻ることがあります（Schenker et al. 2008）。水分がない場合、ガラス転移温度は上昇し、特定の焙煎条件下では、コーヒー豆の温度を超えることもあります。

低温で長時間焙煎すると、コーヒー豆は加熱されるにつれて水分を失い、ガラス転移温度が上昇します。焙煎工程の終盤、温度上昇を伴わずに水分が失われ続けると、ガラス転移温度がコーヒー豆の温度に追いつき、再びガラス状態に戻る可能性があります。

高温短時間焙煎（HTST）では、豆は水分を十分に失う前に急速に加熱されます。そのため、豆はより低い温度でガラス転移を起こし、これがHTST焙煎豆が従来の焙煎豆に比べて焙煎中に膨張する理由であると考えられます。

一方、同じ条件下で焙煎した場合、乾燥した豆は水分含有量の多い豆よりも膨張する（Schenker 2000）。これは、乾燥した豆の方が熱伝達が効率的で、二酸化炭素放出反応の速度が増加するなど、他の要因による可能性がある（Small and Horrell 1993）。

ガラス転移プロセスは、焙煎中に豆がどのように膨張するかを決定するだけでなく、焙煎中に豆が経験する他の重要な物理的変化、すなわちファーストクラックとセカンドクラックにも影響を与える可能性があります。