ロースターズレポートⅣ_ハゼとは何か？,What is the 1st crack?

コーヒー焙煎におけるハゼの考察をしてみました。参考にどうぞ。
なお、本報告はリンクはご自由で構いませんが、無断転載は禁止です。必ずご一報お願いいたします。

【概要】
　生のコーヒー豆を加熱していくと、途中で豆が大きな音を発して変化する現象が2回あります。
最初を1ハゼ、さらに高い温度で起こる2回目を2ハゼと読んでいます。
　ハゼの制御は焙煎豆の風味を決める決定的に重要なポイントです。
その発生メカニズムを考察しました。
　これまでの考えでは、ハゼとは爆発現象と考えられてきました。
加熱によりコーヒー豆の細胞内でガスや水蒸気が発生し、そのガス圧により細胞が爆発し破裂する現象で、風船に空気を入れて爆発するモデルです。しかし、これらは想像で明確なデータや証拠がありません。

　今回、焙煎中の豆の大きさと重量を調べた結果、上記の爆発モデルは間違いでした。　　　
　ハゼとは細胞の膨張により発生したひずみを開放する現象と考えられます。
【１ハゼ】球形の豆で細胞が一様に膨張すると、豆の外側と内側で累積する力の差が生じ、内部応力になります。応力が限界に達すると、外側と内側の間に音を立てて大きな亀裂が生じます。これが１ハゼです。
【２ハゼ】さらに過熱して細胞が膨張すると局所的な応力が蓄積し高い音を立てて無数のクラックを生じます。これが２ハゼです。
【ハゼと地震】
１ハゼは大地震とそれによる断層のずれ、２ハゼは小さな地震とそれによる地割れ・がけ崩れに例えられると考えられます。爆発現象ではありませんでした。

【背景】

コーヒーの焙煎を安定に行い、さらに味の変化を狙い通りに制御するには焙煎プロセスの深い理解が必要になります。
コーヒーの焙煎に関して多くの先人たちが研究しているので、参考になる文献も多いですが未知の部分も多いです。特に焙煎プロセスは個々の焙煎機や環境により大きく異なります。装置や火力、環境温度により焙煎は大きく変動しやすいため、プロセスの理解には実際に使用している装置で自身のデータを持って各種の検討をする必要があります。
これまでの検討から、コーヒー焙煎とはコーヒー豆が燃焼しそれをコントロールする過程であるともいえます。（参考文献１）。

図１に焙煎の温度と豆の色の変化を示します。焙煎中にカロリーを与えて温度を上げていくと、色が変わるだけでなくハゼという現象が生じます。
170℃前後で、バチン、パチンという、打ち上げ花火の音に似た音がします。これを１ハゼと称して、この音を発する温度や時間はコーヒーの風味を決める焙煎の重要なパラメーターです。
さらに温度を上げると、ピチピチ、ピチピチ、という天ぷらを揚げるような連続した音を発し、２ハゼと呼ばれる音になります。深煎りの焙煎を行う際には、これも風味を決める重要なパラメーターです。
このように、１ハゼ、２ハゼ、ともにコーヒーの風味において重要な現象であるにもかかわらずハゼに関する理解はあいまいなままです。（参考文献３） 

例えばあるロースターは、図２のように、ハゼとは加熱により豆の細胞内の水分が蒸気し、圧力が高くなり細胞内壁を破って外部に出る破裂音であると述べています。しかし、そのモデルではハゼを説明することは困難です（参考文献3）。
重量測定法による実験から、ハゼが生じる温度域では焙煎前に含有していたコーヒー豆中の水分は99%以上がすでに抜けていることがわかっています。内圧を上げて爆発を起こすような量は存在していないのです。
さらに、それよりも30℃近く高い温度の２ハゼに関しては全く説明が困難になります。ハゼ音は連続したノイズではなく、離散的な音です。細胞壁が壊れる音であるなら、無数にある細胞が次々に破裂するので、小さな連続した音になるはずです。はぜ音は、細胞レベルの音ではなくもっと大きな領域でまとまって発生する音であることが想定されます。

一般に焙煎中にハゼが起こると断面や表面に亀裂が生じ、豆の大きさも変化します。 焙煎に伴う豆の大きさの変化に着目し、１ハゼと２ハゼが起こる要因の考察を行いましたので報告いたします。

【目的】　

焙煎中の豆の大きさの変化から焙煎中に生じる１ハゼ、２ハゼの発生メカニズムを考察し、焙煎プロセスの全体を把握する。

【実験】 

実験の手法と使用機器の詳細は以下の通りです。

【結果】

図１は取り出し温度を、110℃、125℃、140℃、155℃、170℃、185℃、198℃、210℃と変えた計８バッチの焙煎豆の外観です。表１に各温度の豆サイズの測定結果を示します。任意に取り出したコーヒー豆20個のX,Y,Zをノギスで測定し平均値を求めました。また、簡易的にX×Y×Zを体積Vと定義しました。 ここで、30℃の条件は未加熱の生豆で、これを1とした比率X/X0,Y/Y0,Z/Z0,およびV/V0を求めました。

図4には焙煎温度に対する体積変化V/V0,と重量の減少割合を示します。重量の減少が進むほど焙煎が進んでいることになります。グラフには、１ハゼの開始温度と終了温度、２ハゼの開始温度と終了温度も示しました。焙煎の進行とともに豆の体積は増加し、１ハゼ開始時点で急激に増加し、１ハゼが終わると増加が止まります。２ハゼが始まると再び増加します。１ハゼ、２ハゼで体積の増え方が変化するのが特徴です。

図５には、体積の替わりにX,Y,Zそれぞれのサイズの変化を示します。X,Y,Zで増加の仕方とは異なります。 ZXは豆の長軸に垂直に切った断面です。 温度とともにZ、Xが１ハゼ前に急激に増加したのち１ハゼ後には安定します。そして２ハゼ後に再び増加します。一方、長軸に沿ったY方向はZX断面に比べ増加割合は小さく、１ハゼ時にはＸ,Ｚとは異なり５％程度の増加です。１ハゼ後も増加し、X,Yと同様に２ハゼの直前で安定化したのち２ハゼ後再び増加してているのが特徴です。

【考察】

得られた結果をもとに１ハゼと２ハゼに関して考察しました。 

・１ハゼの原因

図６に断面形状の変化の写真を示します。
125℃の場合が最もわかりやすいですが、ハゼ前には断面中央に沿って黒っぽい層の存在があり、１ハゼ後にはこの層に沿った亀裂が生じています。１ハゼ後も亀裂はそのまま変化せず存在しています。
図４、図５から１ハゼまでに徐々に体積が増加し、１ハゼで一気に増加する様子がわかります。特にＸＺ断面の変化が顕著です。

図６の写真を参考に考えると、図７のようなモデルが考えられます。
加熱により、個々の細胞は膨張を続けます。水蒸気の発生やガスの発生、細胞壁の軟弱化などなどいろいろいろな要因が考えられますが個々の細胞は膨張します。細胞が寄り集まったラグビーボール状のコーヒー豆は、個々の細胞の膨張に伴い、豆の外周はより多くの細胞があるため、内部と外部の応力の差が蓄積されます。
加熱により細胞が大きくなっていき、ある限界を超えると外側の領域と内部の領域が分離し、外側に広がります。あるいは、センターカット包むようにして折りたたまれた形状が外側に広がることもあるでしょう。
この際に異種の成分を持つような弱い界面があるとそこで、剥離やずれが生じやすいです。写真６で、XZ断面で生じている空隙はその結果形成されたものと考えられます。 空隙形成の際は大きな力が開放されてずれて動くため独特の１ハゼ音が発生するものと考えられます。

１ハゼの音は、大きく、低めの音であることから発生領域は大きな領域であると想像ができ、XZ断面の空隙は豆の全域にわたっているものと考えられます。身近な例で例えれば、巨大地震の発生に近いかもしれません。長い年月で大地に応力が蓄積され、地殻がずれて地響きを伴った地震で断層がずれる状況に近いのではないでしょうか。
個々の細胞の膨張でコーヒー豆全体に蓄積した応力で豆全体に巨大地震が起こり、大断層のような大きな内部クラックが豆の全域に生じる。 これが１ハゼと考えられます。 このような巨大地震は１個の豆につき、一回だけ起こります。したがって、２ハゼに比べ発生数は少なく音は低く大きいといえます。

・２ハゼの原因

１ハゼは豆全域にわたる応力解放の巨大地震で大きな断層が生じます。１ハゼ後も個々の細胞は膨張を続けます。

図４を見ると、２ハゼ直前で膨張が止まり、２ハゼを経過すると再び膨張を続けています。
２ハゼを経過したコーヒー豆は図８のように、表面に小さな亀裂やクレーターが生じます。２ハゼ直前まで膨張をつづけた細胞は再び内部応力のため膨張を妨げられ、その応力を開放するために亀裂やクレーターを形成します。その際に音を発しますが、豆の表面や内部で複数箇所に生じるため、1ハゼに比べ高く連続した音になります。これが2ハゼと考えられます。そして、応力開放後には再び膨張を続けることができます。

１ハゼが豆全域にわたる巨大地震なら、２ハゼは局所的に豆の各所でランダムに多発している小さな地震に例えることができます。

以上、ハゼの発生要因はいずれも豆の膨張により蓄積した応力を解放する際に発する現象です。１ハゼは、豆全体にわたる大きな内部応力の開放で、２ハゼは局所的な小さな応力解放です。 
コーヒー豆の細胞内のガスの爆発音によるものではありません。

【まとめ】

コーヒーの焙煎プロセスを理解するため、１ハゼ・２ハゼの発生メカニズムを考察しました。
　これまでは、ハゼとは加熱によりコーヒー豆の細胞内でガスや水蒸気が発生し、そのガス圧により細胞が爆発し破裂する現象、ポップコーンの破裂のような現象と考えられてきました。風船に空気を入れて爆発するモデルです。

しかし、焙煎中の豆の大きさと重量を調べた結果、上記の爆発モデルは間違いであることがわかりました。
　ハゼとは細胞の膨張により発生したひずみを開放する現象であると考えられます。
【１ハゼ】球形の豆で細胞が一様に膨張すると、豆の外側と内側で累積する力の差が生じ、内部応力になります。横領が限界に達すると、外側と内側の間に音を立てて大きな亀裂が生じます。これが１ハゼです。
【２ハゼ】さらに過熱して細胞が膨張すると局所的な応力が蓄積し高い音を立てて無数のクラックを生じますこれが２ハゼです。
【ハゼと地震】
１ハゼは大地震とそれによる断層のずれ、２ハゼは小さな地震とそれによる地割れ・がけ崩れに例えられると考えられます。爆発現象ではありません。

【お礼】 

素人の長い報告をここまで読んでくださりありがとうございました。
本研究に興味がある方がいらっしゃればご連絡いただけるとありがたいです。

【参考文献】

1) 小堀　勇,ロースターズレポート3._半熱風焙煎機による焙煎の進行の観察 ,(2024年1月　ホームページ　自家焙煎　KOBORI)
2) 中 林 敏 郎,焙煎によるコーヒー豆組織の変化,Nippon Shokuhin Kogyo Gakkaishi Vol. 33, No. 11, 779～782 (1986)
3) 旦部　幸博,コーヒーの科学　「おいしさ」はどこで生まれるのか,講談社,2016

以上