การคั่วกาแฟเบื้องต้น Basic Coffee Roasting วิทยาศาสตร์จากเมล็ดสู่แก้วกาแฟ

การคั่วเมล็ดกาแฟเป็นการพัฒนากลิ่นและรสของเมล็ดกาแฟสารให้เหมาะสมกับการบริโภค รวมทั้งกำจัดกลิ่นและรสชาติที่ไม่พึงประสงค์ออกไปจากเมล็ดกาแฟ โดยทั่วไปแล้วในเมล็ดกาแฟสารจะมีสารประกอบกรดคลอโลจินิกส์ (chlorogenic acid) ปะปนอยู่ซึ่งบางส่วนไม่เหมาะสมต่อการบริโภค เมื่อเมล็ดกาแฟสารได้รับความร้อนจากการคั่ว กรดบางส่วนก็จะสลายไปหรือเปลี่ยนโครงสร้างและให้กลิ่นรสที่ดีขึ้น นอกจากนี้ยังมีกระบวนการและปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างการคั่ว เช่น ปฏิกิริยาเมลล์ลาร์ด (Maillard reaction) และ คาลาเมลไลเซชัน (caramelization) ที่ช่วยพัฒนากลิ่น รสชาติและเนื้อสัมผัสของกาแฟให้ดีขึ้น

ในขั้นตอนการคั่วเมล็ดกาแฟจะถูกคั่วด้วยความร้อนในช่วง 180-220 องศาเซลเซียสในหม้อคั่ว โดยระยะเวลาการคั่วจะใช้เวลาประมาณ 8-15 นาทีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการคั่วที่ใช้ หรือระดับการคั่วที่ต้องการ (Fada et al., 2017) โดยทั่วไปแล้วผู้คั่วกาแฟต้องประเมินคุณภาพของเมล็ดกาแฟสารก่อนออกแบบวิธีการคั่วเพื่อให้ได้เมล็ดกาแฟคั่วที่มี สี กลิ่นรส และระดับการคั่วที่ต้องการ ดังนี้

• ความชื้น (Moisture content) โดยทั่วไปแล้วความชื้นของเมล็ดกาแฟสารที่เหมาะสมควรอยู่ในช่วง 10-12% ความชื้นฐานเปียก
(Wet basis) หากความชื้นสูงกว่าช่วงที่เหมาะสม ผู้คั่วต้องปรับอุณหภูมิการคั่วเริ่มต้น (charge temperature) ให้สูงขึ้นเพื่อให้เมล็ดกาแฟสารได้รับและสะสมพลังงานความร้อนเพียงพอต่อการระเหยน้ำออกจากเมล็ดในช่วงแรกของการคั่ว เป็นต้น

• ความหนาแน่น (Density) ความหนาแน่นของเมล็ดกาแฟเป็นอีกปัจจัยที่ส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนระหว่างการคั่ว เมล็ดกาแฟสารที่มีความหนาแน่นสูงสามารถถ่ายเทและเก็บพลังงานความร้อนได้ดีกว่า ซึ่งช่วยให้การพัฒนากลิ่นและรสระหว่างการคั่วได้ดี เมื่อเปรียบเทียบกับเมล็ดกาแฟสารที่ความหนาแน่นต่ำ หากใช้อุณหภูมิในการคั่วสูงเกินไป โพรงอากาศภายในเมล็ดจะทำหน้าที่คล้ายกับฉนวนและลดอัตราการถ่ายเทความร้อนจากบริเวณผิวเข้าสู่เมล็ด อาจทำให้เกิดรอยไหม้ (scorching) ที่ผิวเมล็ดกาแฟได้

• ขนาดเมล็ด (Bean size) ตามปกติการคัดขนาดเมล็ดเป็นหนึ่งในกระบวนการที่ดี (good practice) ที่เกษตรกรผู้ผลิตกาแฟทำก่อนการจัดจำหน่าย ในส่วนของผู้คั่วกาแฟการแยกขนาดเมล็ดที่เหมาะสมหรือการเลือกใช้เมล็ดกาแฟที่มีขนาดใกล้เคียงกันช่วยให้การคั่วทำได้ง่ายขึ้น รวมทั้งความสม่ำเสมอของคุณภาพของเมล็ดกาแฟคั่วสูงขึ้น หากไม่มีการคัดขนาดมีโอกาศที่เมล็ดกาแฟขนาดเล็กจะมีการพัฒนากลิ่นรสที่มากเกินไป (over development) เมล็ดกาแฟขนาดใหญ่อาจมีการพัฒนากลิ่นรสที่ไม่เพียงพอ (under development)

เมื่อทำการคั่วกาแฟในแต่ละช่วงของการคั่วผู้คั่วจะสังเกตการเปลี่ยนแปลงของเมล็ดกาแฟทั้งด้านกายภาพที่สามารถมองเห็นได้ เช่น สีของกาแฟสารที่เปลี่ยนไประหว่างการคั่ว การขยายตัวของเม็ดกาแฟสาร หรือการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถสังเกตได้ทางสายตา เช่น การพัฒนาของกลิ่นและรสอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางเคมี เป็นต้น ในขั้นตอนการคั่วกาแฟสามารถแยกออกเป็น 3 ช่วง ได้แก่ ช่วงทำแห้ง (drying phase) ช่วงเมลลาร์ด (Maillard phase) และ ช่วงพัฒนา (development phase) ดังแสดงในภาพที่ 1 ในแต่ละช่วงของการคั่วมีการเปลี่ยนแปลงคุณลักษระของเมล็ดกาแฟ ดังนี้

• ช่วงทำแห้ง (drying phase) ในช่วงนี้ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาทางเคมี เป็นเพียงการเพิ่มพลังงานความร้อนให้เมล็ดกาแฟสารมากพอที่จะระเหยเอาความชื้นออกจากเมล็ด และมีพลังงานเพียงพอที่จะเข้าสู่การคั่วขั้นตอนต่อไป ช่วงทำแห้งจะกินระยะเวลาประมาณ 4-5 นาที

• ช่วงเมลลาร์ด (Maillard phase) เป็นช่วงที่ 2 ของการคั่วกาแฟ ผู้คั่วสามารถสังเกตว่าเมล็ดกาแฟเข้าสู่ช่วงเมลลาร์ดได้จากการเปลี่ยนแปลงสีของเมล็ดกาแฟสารจากสีเขียวอ่อนไปเป็นสีเหลือง รวมทั้งกลิ่นคล้ายฟางหรือหญ้าแห้งที่ออกมาจากหม้อคั่ว ที่เกิดมาจากการสลายตัวของคลอโรฟิลล์ในเมล็ดกาแฟสาร เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ปฏิกิริยาการเกิดสีน้ำตาลแบบไม่ใช้เอนไซม์ (Nonenzymatic browning reaction) หรือปฏิกิริยาเมลลาร์ดจะเกิดขึ้น เนื่องจากองค์ประกอบของเมล็ดกาแฟ ได้แก่ กรดอะมิโน กลูโคส ความชื้น และพลังงานความร้อนจากการคั่ว เมล็ดกาแฟจะเริ่มมีสีเข้มขึ้นจากสีเหลือไปเป็นสีน้ำตาลอ่อน นอกจากนี้ยังเกิดการสร้างเมลานอยด์ดิน (melanoidin) ที่ทำให้เมล็ดกาแฟมีกลิ่นรส (flavour) และเนื้อสัมผัส (body) มีความเข้มเพิ่มขึ้น (Muñozet et al., 2020) ผู้คั่วกาแฟต้องควบคุมระยะเวลาในช่วงเมลลาร์ดให้เหมาะสมเพื่อให้เมล็ดกาแฟพัฒนาเนื้อสัมผัส กลิ่นรส และความหวานเพียงพอ เมื่อเข้าสู่ช่วงสุดท้ายของช่วงเมลลาร์ด พลังงานความร้อนจะสะสมในเมล็ดเพิ่มขึ้นจนทำความชื้น ไอน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ภายในเซลล์มีความดันสูงมากพอจนดันออกไปภายนอกเมล็ด ทำให้เกิดการแตกตัวของเมล็ดกาแฟครั้งที่ 1 (first crack) และพร้อมเข้าสู่ขั้นสุดท้ายของการคั่ว

• ช่วงพัฒนา (development phase) เป็นช่วงสุดท้ายของกระบวนการคั่ว ช่วงนี้เป็นการพัฒนาทั้งด้านเนื้อสัมผัส กลิ่นรส และความสมดุลของรสชาติช่วงนี้จะเกิดขึ้นหลังจากการเกิดการแตกตัวของเมล็ดกาแฟครั้งที่ 1  (first crack)

ในช่วงการคั่วนี้จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีหลายชนิดในเมล็ดกาแฟ เช่น ปฏิกิริยาเมลลาร์ด (Maillard reaction) ปฏิกิริยาคาราเมลไลซ์เชชัน (caramelization) ปฏิกิริยาไฟโรไลซีส (pyrolysis) และ การสลายตัวของกรดอินทรีย์ (organic acid deterioration)  (Ginz et al., 2000) ผู้คั่วกาแฟสามารถออกแบบกลิ่น รส และเนื้อสัมผัสของกาแฟได้ในช่วงนี้ หากเพิ่มระยะเวลาของช่วงพัฒนาให้นานขึ้น จะทำให้ความหวานลดลง กลิ่นรสมีความซับซ้อน และกลิ่นไหม้เพิ่มมากขึ้น เนื่องมาจากการเกิดคาราเมลไลซ์เชชันของน้ำตาล การสลายตัวของกรดอินทรีย์ที่ให้รสเปรี้ยว เช่น กรดซิตริก (citric acid) กรดมาลิค (malic acid) และเกิดการสร้างกรดที่ให้รสขมเพิ่มมากขึ้น เช่น กรดอะซิติก (acetic acid) กรดคาเฟอิค (caffeic acid) และกรดควินิค (quinic acid) เป็นต้น (Dulsat-Serra et al., 2016)

หากผู้คั่วยังเพิ่มระยะการคั่วต่อไป เมล็ดกาแฟจะเกิดการแตกตัวเป็นครั้งที่สอง (second crack) อันเนื่องมาจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ยังหลงเหลือในเนื้อเมล็ดกาแฟพยายามดันตัวออกมาเนื่องจากแรงดันภายในเมล็ดที่เพิ่มสูงขึ้นจากพลังงานความร้อนที่สะสม รวมทั้งผิวด้านนอกจะมีความเงาเพิ่มขึ้นจากไขมันที่ออกมาจากภายในมล็ดพร้อมกับการแตกตัวครั้งที่สอง ในส่วนของกลิ่นและรสเมล็ดจะมีความขม กลิ่นการคั่ว หรือกลิ่นไหม้เพิ่มสูงขึ้น (Hu et al., 2020)

ปัจจัยกส่งผลต่อการพัฒนาของกลิ่นและรลระหว่างการคั่ว

ทุกช่วงของการคั่ว เมล็ดกาแฟจะมีการเปลี่ยนแปลงทั้งด้านกายภาพ และเคมี เพื่อที่จะดึงเอากลิ่นและรสชาติที่ดีออกมาจากเมล็ดกาแฟสาร ผู้คั่วกาแฟยังต้องคำนึงถึงปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อการพัฒนาของกลิ่นและรสระหว่างการคั่ว เช่น

• อุณหภูมิการคั่วเริ่มต้น (charge temperature) อุณหภูมิต้องเพียงพอที่จะทำให้เมล็ดคั่วได้สมบูรณ์ ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำเกินไป อาจทำให้พัฒนากลิ่นรสไม่สมบูรณ์ หรือถ้าใช้อุณหภูมิสูงเกินไปเมล็ดกาแฟอาจไหม้ระหว่างการคั่ว โดยผู้คั่วกาแฟสามารถพิจารณาเลือกอุณหภูมิที่เหมาะสมจาก ความชื้นของเมล็ด ความหนาแน่นเมล็ด ขนาดการคั่ว (batch size) อุณหภูมิห้องคั่ว (ambient temperature) และกระบวนการแปรรูปเมล็ด เป็นต้น

• อุณหภูมิและเวลาการคั่ว (roasting temperature and time) การคั่วกาแฟต้องให้เมล็ดกาแฟสารมีเวลาการพัฒนากลิ่นและรสที่เหมาะสมโดยเฉพาะช่วงเมลลาร์ด ดังนั้นหากใช้อุณหภูมิสูงเกินไปช่วงการพัฒนากลิ่นรสจะสั้น ทำให้เนื้อสัมผัสน้อย กลิ่นรสน้อย โดยผู้คั่วกาแฟสามารถปรับระยะเวลาการพัฒนากลิ่นและรส โดยพิจารณาได้จากค่า Rate of Rise (ROR) หรืออัตราการเพิ่มอุณหภูมิต่อนาที ทั่วไปแล้วผู้คั่วมักจะลดค่า ROR เมื่อการคั่วเข้าสู่ช่วงเมลลาร์ด

• การไหลของลม (air flow) ลมร้อนเป็นอีกปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มอุณหภูมิภายในหม้อคั่ว และอัตราการถ่ายเทความร้อน นอกจากนี้ผู้คั่วกาแฟยังนิยมปรับความเร็วลมร้อนในหม้อคั่วเพื่อช่วยไล่ควัน หรือเยื่อหุ้มเมล็ดที่หลุดออกมาระหว่างการคั่ว เพื่อป้องการการเกิดกลิ่นไหม้ที่ไม่พึงประสงค์ได้

จะเห็นได้ว่าการที่จะได้เมล็ดกาแฟคั่วที่มีคุณภาพ ผู้คั่วกาแฟต้องพิจารณาจากปัจจัยหลายด้าน ทั้งธรรมชาติและคุณสมบัติของเมล็ดกาแฟ การเปลี่ยนแปลงและการพัฒนาของกลิ่นและรสชาติสภาวะการคั่ว และคุณภาพสุดท้ายของเมล็ดกาแฟที่ต้องการ เพื่อออกแบบวิธีการคั่วให้เหมาะสม จึงจะสามารถพัฒนากลิ่นและรสที่ดีจากเมล็ดกาแฟสารได้ อย่างไรก็ตามจุดเริ่มต้นของเมล็ดกาแฟคั่วที่มีคุณภาพ ย่อมมาจากเมล็ดกาแฟที่ดี ผ่านกระบวนการแปรรูปที่มีมาตรฐาน และเก็บรักษาเมล็ดกาแฟสารในสภาพที่เหมาะสม ก่อนนำมาคั่ว และส่งต่อไปถึงมือของผู้บริโภคกาแฟ

เอกสารอ้างอิง

• Bressanello, D., Liberto, E., Cordero, c., Rubiolo, p, Pellegrino, G., Ruosi, M.R., and Bicchi, c. (2017). Coffee aroma: Chemometric comparison of the chemical information provided by three different samplings combined with GC-MS to describe the sensory properties in cup. Food Chern. 214, 218-226.
• Fadai, N.T., Melrose, J., Please, C.P., Schulman, A., and Van Gorder, R.A. (2017). A heat and mass transfer study of coffee bean roasting. Int. J. Heat Mass Transf. 104, 787-799.
• Ginz, M, Balzer, H.H., Bradbury, A.G.W., and Maier, H.G. (2000). Formation of aliphatic acids by carbohydrate degradation during roasting of coffee. Eur. Food Res. Technol. 211, 404-410.
• Hu, G., Peng, X., Gao, Y., Huang, Y., Li, X., รน, H., and Qiu, M. (2020). Effect of roasting degree of coffee beans on sensory evaluation: Research from the perspective of major chemical ingredients. Food Chern. 331,127329.
• Dulsat-Serra, N., Quintanilla-Casas, B., and Vichi, ร. (2016). Volatile thiols in coffee: A review on their formation, degradation, assessment and influence on coffee sensory quality. Food Res. Int. 89, 982-988.
• Munoz, A.E., Hernandez, ร.ร., Tolosa, A.R., Burillo, s.p, and Olalla Herrera, M. (2020). Evaluation of differences in the antioxidant capacity and phenolic compounds of green and roasted coffee and their relationship with sensory properties. LWT 128,109457