探索白色絲狀物
撰文、圖片提供／Kevin Shao
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一天在facebook上看到一位烘焙界的女豪傑po了個貼文，說一個客人拿著別家買來的豆子請她代磨，好心的她在處理的過程中發現到豆子表面有著像是發霉般的白色絲狀物質，直呼不可思議。小弟看到此文，立刻引發了強烈的好奇心，因為在理論上，烘焙過後的熟豆，即便是極淺焙豆，它的水活性最多都不會超過0.4，在這個狀態下，黴菌是不會生長的。因為黴菌在食物中要能生長，其水活性的條件須在0.7以上才有機會。因此若真的發黴，那表示豆子的受潮相當的嚴重，這可就是件大事了。
焙豆上絲狀物之謎
由於貼文中的相片是以手機拍攝，在相片中的確有白白的物體，但礙於解析度的關係，我也無法看清楚這絲狀物的型態究竟為何?而本於科學探究的精神，我便傳了個訊息給這位前輩，說明了我的好奇心，斗膽懇請她寄一些樣本給我，她人很好，表示沒問題，於是在幾天之後，我就拿到了這批豆子。
打開一看，這是重烘焙的咖啡，個人判斷這些豆子都處於出油後由再滲回的狀態。再仔細端詳，果然有為數不少的豆子都有絲狀物分別附著在其中線、斷裂面（應是烘焙前就已經存在的斷面）、或是隕石坑上。心想，這黴菌的感染怎麼會這麼嚴重，於是二話不說，立馬拿進實驗室放在解剖顯微鏡下觀察，固定好樣本、打好光源，調好焦距後，作第一次的近距離觀察。我發現到這些絲狀物質大都發生在軟胚乳區域，另有些許發生在硬胚乳區的內緣、隕石坑或是中心線。而我看完之後，心中的疑惑解了一大半。對我來說，映入我眼簾的絲狀物比較像是針狀結晶體而非黴菌的菌絲。然而各位也許會產生疑問，如果不是黴菌，那又會是麼呢？呵呵，這就是本次的主角了～我個人的看法，它應該是咖啡因。
為求解惑下足成本
為了能再進一步地確認，我又找上了學校的好同事，同時也是人體解剖學專家的鄭敬俐教授──她有豐富的解剖相關技術與經驗，常常幫我解決解剖學上的疑難雜症，繼上回麻煩她的實驗室團隊幫我做咖啡切片之後，這次又有事情得要請教，於是請她過來看一下我的發現。她看了之後就跟我講：邵老師，這個很有趣，我們拿去作電顯觀察。於是我們約了天早上，請我實驗室的學生鄭加宏同學和她一起去成功大學地科所借用電子顯微鏡，借用是要付錢的，費用是以小時計算，當天一共用了4小時，就得付掉五位數的費用，不便宜啊！（缲爺，這稿費cover不過來，怎麼辦，可以請款嗎？拜託）
我們使用的是掃描式電子顯微鏡，它的流程是：樣本的表面得先經過白金的包覆(coating)，之後在真空狀態下以電子束去掃描物體表面上的白金，並讀取其反彈的訊號，之後再轉換成型態的圖像。樣本經過白金包覆後，這針狀物的含量因而有些耗損，所以在電子顯微鏡的圖像上呈現的會比較少，但我們運氣很好，還是可以觀察得到。我們取的是在中間線前緣產生結晶的樣本，在送電顯觀察前先拍照，這個區域經過200倍放大以後，便可以在中心線上面的銀皮觀察到針狀的結晶紅色框所示，若再將此部位放大，縱橫交錯的結晶結構就十分的清楚
咖啡因的簡介與特性
咖啡因（或稱三甲基黃嘌呤）是一種從黃嘌呤(xanthine)衍生出來且帶有苦味的生物鹼(alkaloid)，在咖啡中佔了10%的苦味來源，其結構對熱穩定。並且因其組成官能基的關係，它可以同時具有水溶性以及脂溶性的特性，因此在人體中可以很容易地穿越血腦屏障，作用在中樞神經系統，是中樞神經興奮劑。
出現在咖啡種子的咖啡因的前身是黃嘌呤腺苷(Xanothine)，合成的來源可以有：S-腺苷甲硫氨酸（簡稱 SAM途徑）、腺核苷酸（簡稱AMP途徑）、鳥糞核苷酸（簡稱GMP途徑）、以及De Novo（從頭合成途徑）等四種方式（基本上都是和核酸代謝有關），之後再經過四個酵素的加工步驟即可形成咖啡因。咖啡因對於昆蟲的胃腸道有刺激作用，因此它的存在對於植物本身可以降低昆蟲的啃食。
根據文獻指出，咖啡因含量因豆種有不同的數值，根據Coffee Emerging Health effects and disease prevention（註1）一書的整理，阿拉比卡生豆咖啡因的含量為0.9~1.3%，而羅布斯塔種的含量則是1.5~2.5%。此外，咖啡因對水的溶解度根據sigma-aldrich（註2）的標示，在室溫下約為15mg/ml（相當於1.5%，已接近生豆的含量），而在酸性環境下（如檸檬酸）可再增加其溶解度，因此，考量咖啡因具有水溶性以及脂溶性的特色，再加上在生豆中有檸檬酸的存在，推測咖啡因基本上是處於溶解而非固態結晶的狀態。
咖啡因的昇華
記得在大學普化實驗課曾操作過從茶葉萃取咖啡因的實驗，在使用氯仿或是異丙醇將咖啡因從水溶液抓到這些有機溶劑後，再進入減壓旋轉濃縮器蒸乾，就可以得到粗製的咖啡因結晶，這種形式的結晶通常會帶有結晶水，簡稱caffeine hydrate，若是將此類咖啡因在常壓下持續的加熱，水分會蒸發離開，並將促使咖啡因進行一種從固態直接轉變成氣態的物理變化──我們稱之為昇華(Sublimation or Phase transition)，caffeine hydrate昇華的最大值則落在常壓下、攝氏178 oC。
甚麼是昇華
所有物質都會有固、液、氣三態，這三態會隨著環境的溫度以及壓力而會有轉變的現象發生。譬如從固態到液態稱之為融解（如冰塊融解成水）；從液態氣態則稱之為蒸發（如水蒸發成為水蒸氣）；而昇華則是指物質從固態不經過液態直接轉化為氣態的過程。發生原因就要在引入物質的三相圖（點）的概念來解釋會比較清晰：我們以二氧化碳的三相圖為例，以壓力為縱座標，溫度為橫座標來對二氧化碳的物質三態作圖，可以看到在一大氣壓(1atm)時，溫度只要低於-78.5 oC，二氧化碳就會維持在固態，而在同樣的壓力下，溫度高於這個數值，則二氧化碳就會直接從固態昇華成氣態，這也就是為何乾冰直接變成二氧化碳氣體的原因。在三相圖中的三相點(triple point)則是可以讓氣相、液相、固相二氧化碳同時共存的一組特定溫度和壓力值（-56.6 oC@5.11大氣壓）。此外與昇華相反的過程稱做凝華，指的是物質從氣態直接變成固態的過程 。
烘焙中可能的咖啡因昇華模式
好的，那我們再來回推想這些咖啡因是如何在咖啡豆上產生結晶的。這是個有趣的現象，首先咖啡因這種物質對熱穩定，加熱至250度其結構都不會改變，因此在咖啡界中都有著「咖啡因不會因烘焙而減少」的觀念。而在烘焙過程中，溶在生豆細胞質的咖啡因會先因為烘焙時水分的離開而析出（時機點我認為是在一爆大量的水氣離開細胞之後），於是有咖啡因的結晶產生（而且是caffeine hydrate），然而這樣帶有結晶水的咖啡因持續受熱便會昇華成氣體。昇華後的氣體如果遇到低溫的表面，則就會凝華成咖啡因的結晶，而此時的咖啡因則是沒有結晶水的無水咖啡因(caffeine anhydrate)。而無水咖啡因的溶點是攝氏238度（於１大氣壓），這兩種物理變化的溫度點（含水咖啡因昇華點攝氏是178度，無水咖啡因溶點是攝氏238度）時常會造成讀者的誤解，總會覺得昇華的溫度怎麼會比溶點要來的低，而感到奇怪。甚至許多人會用三相圖的壓力來試圖解釋，但兩者是不同結構，為避免馮京當馬涼，故特此說明。
壓力增加推測的難度
我們把場景再拉回烘豆過程，咖啡一爆是由於細胞無法承受內部水的蒸發形成蒸氣產生的壓力使然，根據illy的描述，豆子在一爆時細胞內的蒸氣壓力可以達到25個大氣壓，之後隨著水蒸氣的釋放，壓力也隨之下降，但是細胞內部的壓力不至於會回到常壓，應還有殘存的壓力蓄積，並且隨著烘焙的持續進行，咖啡內物質持續的轉化分解，此時細胞內部又會開始產生並蓄積二氧化碳，當細胞的結構無法撐住二氧化碳的壓力時，就會再度產生爆裂聲，也就是二爆。
咖啡因在經歷一爆、水分排出後形成第一步的caffeine hydrate結晶，水分排出後的會加速溫升，因此推測咖啡因便會在這過程後開始昇華，但因為豆子內部仍有大於常壓的壓力，而按照熱力學的原理，昇華點的溫度會隨著壓力而增加，因此最大的昇華溫度應該不會是178度(@1atm)，應該還會更高，而且是豆子內部的實際溫度，而非烘焙機豆溫棒的顯示溫度。由於目前還沒有方法可以測量烘焙時豆子內部真正的溫度以及壓力，因此只能用理論去做推測。
排煙管上的針狀結晶
咖啡昇華的現象似乎也可以在排煙管中觀察的到，小弟一次在定期（可能是一段較長的時間）清理排煙管時，發現到到附著在排煙管壁上有一層針狀的結晶物質，感到好奇，於是鼓起勇氣去嚐一點（此舉還被好友罵噁心，孰不知弟是以神農嘗百草的精神啊！）。嗯，是苦中帶酸，其中的苦味的物質當時就有猜想很有可能是咖啡因，在昇華後的蒸氣在管壁上結晶而成。這次我特地把它刮下來，將這粉末溶於水，並與咖啡因標準品水溶液一起拿去做一個簡單的薄層色層分析 (Thin Layer Chromatography, TLC analysis)比較，結果在兩者的流動相（以乙酸乙酯當溶劑）在紫外光照射下觀察（咖啡因無色，但其結構在紫外光下有吸收光譜因而可以觀察的到）有著一樣移動的距離，因此初步推測此物質極有可能是咖啡因，然而，更精確的判定則需要如高效液相層析儀(HPLC)分離並搭配更進階的實驗分析方法來進一步確認。
由以上可知昇華的現象的確很有可能在烘焙中發生，而至於來自女前輩的樣本，則有可能是在昇華的過程中遇到了急速的降溫（例如，下鍋的那一剎那，炙熱的咖啡豆觸碰到處於室溫的冷卻盤）而使得豆表急速冷卻，而咖啡因就在此處形成結晶。老實說這現象得要有很多的巧合才會發生，要刻意讓它再現似乎不是那麼容易，所以之前也沒有看過這方面的報導。這很有可能是第一次的發現，而這一切的一切都是在巧合中發生，才有今天這篇文章的產生與大家分享。
低咖啡因烘焙法的可能性?
記得在兩三年前，一則電視新聞報導說某位烘豆師研發了一種獨特的烘焙法，說是可以降低咖啡因的含量，因為很新奇，且可以因此降低咖啡因的攝取，這對嗜飲咖啡的人來說是一件很棒的事，由於牽涉到商業機密所以在報導中當然沒有透露其原理，但也正因為沒解釋箇中原因，是否確有其事引發了熱烈的討論。有人認為神奇，也有人認為是詐騙。而經由這次的發現，在理論上似乎可以獲得部分的確認，同時也告訴烘焙師們：咖啡因的結構穩定，雖不會因烘焙而降解，但似乎會因烘焙而昇華。這將會開啟咖啡烘焙的另一扇窗：低咖啡因烘焙──嗯，如果你可以找到一個有效的烘焙手法可以降低咖啡因，這將會是很有商機的。
註1. Yi-Fang Chu. Coffee: Emerging Health Effects and Disease Prevention. 2012. ISBN: 978-0-470-95878-0
註2. https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Sigma-Aldrich/Product_Information_Sheet/c0750pis.pdf
