Всё

Другая вода

Новый подход к анализу качества зеленого зерна через параметр «активность воды». 

Со временем зеленое зерно стареет и теряет качество. Это факт, к которому очень чувствителен и нетерпим сегмент спешиалти кофе. Мы покупаем уникальный кофе у избранных фермеров по высоким ценам, поскольку знаем, что этот кофе даст нам замечательную чашку. Но мы не сможем говорить об уникальности 92-балльного кофе, если его качество упадет до 87-ми баллов за время путешествия по океану.

Фермер, вырастивший зерно очень высокого качества, получит за него большие деньги. Они позволят вырастить зерно еще более высокого качества, за которое можно получить еще больше денег. И так по цепочке. Выдающееся зерно для обжарщика – возможность максимально раскрыть потенциал вкуса, выдающееся зерно для кофейни – возможность готовить превосходные напитки.

Поэтому преждевременное снижение качества зерна является проблемой глобальной. Фермеры рискуют покупателями и высокими ценами, поставщик – в каком-то смысле бизнесом. Закупочная цена для спешиалти кофе топ-уровня напрямую зависит от количества баллов, набранных чашкой, а не просто от включения стандартной надбавки в товарную ставку. Если поставщик вкладывается в производство зерна очень высокого качества, а уходит в итоге с продуктом для «C» маркета, бизнес тоже потеряет качество. Для обжарщиков и кофеен, много работающих над качеством своих брендов, ранее старение зерна чревато как финансовыми потерями, так и неудобными вопросами (или даже молчанием) со стороны гостей.

Как именно происходит снижение качества? Ответ на этот вопрос в течение последнего года пытается получить компания Café Imports (Миннеаполис). Специалисты из лаборатории сенсорного анализа в сотрудничестве с разработчиком приборов для измерения влажности Decagon провели несколько исследований параметра, который, возможно, поможет предсказывать изменения качества и снижать их частоту. Этот параметр – активность воды aw.

Измерения активности воды уже проводились такими лидерами индустрии как Cup of Excellence и Terrior. Но применение параметра как «предсказателя» стабильности качества для спешиалти кофе от 90 баллов еще не изучено. Доступные сегодня исследования не касаются потери балльности чашки (cup score), например, с 92-х баллов (цветочная бомба) до 87-ми (деликатный цветочный). Между тем, есть большая разница между покупкой зерна с оценкой 92 балла и его продажей уже как 87-балльного. Поэтому основная задача – разработать схемы применения параметра «активность воды», выходящие далеко за пределы стандартных нужд пищевой промышленности.

Что такое активность воды. Определение и измерение параметра.

Активность воды aw – отношение давления паров воды (p) над данным материалом к давлению паров над чистой водой (po) при одной и той же температуре. Надо отличать этот параметр от параметра «влагосодержание» (moisture content). Хороший способ – использовать для объяснения термины «общий», «связанный» и «свободный». Влагосодержание – общее содержание воды в зерне. При этом вода не обязательно равновесна по всем параметрам. В любом веществе содержание воды на клеточном уровне более или менее связано с этим веществом. Параметр «активность воды» измеряет степень связанности. Он не измеряет связанные или свободные части общего содержания влаги, а указывает на ее степень связанности в системе.

Для исследования параметра был использован прибор 4TE Duo, созданный компанией AquaLab (подразделение Decagon Devices). Его принцип работы основан на измерении точки росы и определения через нее активности воды. Считывание параметров занимает от 2 до 20 минут.

Если найти прямую взаимосвязь между активностью воды и преждевременной потерей качества зеленого зерна категории 90+, можно сократить эту потерю, увидев, где и как она происходит. Это будет означать лучший кофе, лучшие цены и лучшие напитки. Здесь надо снова вернуться к новизне исследования параметра «активность воды» для сегмента топового спешиалти кофе. Первая цель этого исследования – обнаружить механизмы, стоящие за процессом снижения баллов и косвенно влияющие на ценовую политику. Вторая цель – увидеть, можем ли мы использовать параметр для улучшения качества зерна, замерив его перед отгрузкой. Если предотгрузочные 92-балльные образцы превращаются после отгрузки в 87-балльные, надо научиться определять процент потери и вмешиваться в процесс.

 И о зеленом кофе, и о параметре «активность воды» известно довольно много. Но никто не изучал их вместе. Поэтому первой гипотезой в исследовательском плане стало предположение, достаточно ли надежен параметр, если использовать его для прогнозирования стабильности вкуса зерна 90+. Вторая гипотеза основана на первой. Может ли активность воды стать основой для системы параметров (особенно во время сушки и подготовки к отгрузке), которая поможет максимально улучшить качество каждого лота.  Оба направления «берут» значительно глубже, чем стандартная система «качество/брак», действующая на рынке. Их развитие должно дать ответ на вопрос, сохранит ли зерно, отгружаемое на склад, фруктовую кислотность и сладость, тонкий цветочный аромат и карамельное послевкусие из предотгрузочного образца.

Активность воды:  традиционное использование и новое применение.

Активность воды – определяющий фактор развития микробных сред в продуктах. До 1953 года для контроля роста микробных сред использовали параметр «влагосодержание». Открытие активности воды и первые эксперименты, поставленные Уильямом Джеймсом Скоттом, стали настоящим прорывом и оказали огромное влияние на формирование современных стандартов.

Что касается зеленого зерна и выбора параметра для замера, весь вопрос в том, что вы хотите получить. Если вам надо вычислить вероятность удерживания, миграции или потери воды, параметр «активность воды» подходит как нельзя лучше. Между активностью воды и влагосодержанием не всегда прослеживается взаимосвязь. То есть на основании оценки влагосодержания нельзя правильно вычислить активность воды. Если для оценки динамики качества чашки использовать только влагосодержание, показатели будут некорректными. Но и активность воды – не магический параметр. Это переменная, взятая в данный момент времени. Пока мы выясняем ее способность сигнализировать об изменении качества,  она не станет рассказывать нам о том, что зерно потеряет ее сотые доли во время транспортировки или о том, как долго ее уровень останется неизменным.

Базовая функция активности воды – задать направление миграции влаги. Вода стремится к балансу. Движение происходит от высокой активности к низкой. При низкой активности воды, то есть при недостатке «свободной» влаги, микроорганизмы не могут «транспортировать» воду по клеточным мембранам. При высокой активности воды влага не только способна проходить через клеточные мембраны, но и будет стремиться к этому.  

Венди Ортман, инженер-тестировщик Decagon, объясняет механизм миграции на примере с растворимыми веществами. Дополнительные растворимые вещества снизят активность воды. Они блокируют кинетическое движение влаги, а также взаимодействуют с ней сами по себе. Сахара и соли дадут хороший эффект снижения активности воды, поскольку связывают влагу.

Активность воды в зеленом зерне колеблется от 0,7459 до 0,3149, в основном, это промежуток – 0,5 – 0,6 (если сравнивать с продуктами, это уровень активности воды в сухих спагетти и сухофруктах). Данные изменяются с течением времени, поэтому важно смотреть как на статичные единичные показатели, так и на их динамику.

Как «работает» параметр активность воды, можно объяснить на примере с капкейком. Сахарная «шапочка» имеет большую влажность, чем сам капкейк. Сахара связывают эту влажность в большей степени, чем мука. Но за счет высокой активности воды в тесте (несмотря на низкое влагосодержание), оно отдаст свою воду «шапочке». Процесс будет продолжаться, пока активность воды каждого компонента не будет равной. То есть со временем капкейк высохнет.

Сохранение качества и товарного вида пищевых продуктов – основная область применения параметра «активность воды». Его исследование в зеленом кофе расширяет эту область. Поскольку цель исследования – предсказать качество чашки и его стабильность.

Каким образом действует активность воды в пределах одной субстанции? У параметра есть два внешних «партнера»: окружающая среда и другой кофе. Окружающая среда – это воздух, другой кофе – вариативность зерна внутри одного лота. Оба «партнера» могут стать причиной дисбаланса и запустить процесс миграции.

Есть предположение, что с помощью активности воды можно предсказать качество, его стабильность, преждевременное снижение и неизбежную потерю. Если взять активность воды за основную переменную, замеряемую во время сушки и «цикла» качества зеленого зерна, можно создать прочную основу для анализа траектории «цикла» качества.

Это предположение подсказано ролями миграции влаги, относительной влажностью (relative humidity) и ферментативной активностью в процессах, связанных с ухудшением качества спешиалти кофе. Зеленое зерно дышит, забирает кислород из окружающей среды и расходует накопленные вещества, строительный материал для вкуса и аромата. Это основной механизм старения зеленого зерна. Процесс дыхания продолжается до тех пор, пока «топливо» не израсходуется.

Ключевые катализаторы дыхания – относительная влажность и влагосодержание, а также температура и состав воздуха. Активность воды управляет взаимодействием между относительной влажностью окружающей среды и процентом влагосодержания в зерне. Со снижением активности воды снижаются ферментная активность и окисление липидов. Таким образом, даже если активность воды не является основной причиной качественных изменений в зерне (и потери баллов), она либо напрямую управляет ими, либо является главным параметром, влияющим на потерю качества. 

Материалы и методы.

В настоящее время формируется база для экспериментов и наблюдений. Измерения активности воды проводились на нескольких типах материала. Во-первых, на зеленом зерне, высушенном разными способами: патио; «теплицы» под пластиком; африканские постели; механические сушилки. Во-вторых, на зерне, происходящем из разных регионов и обработанном разными способами. В-третьих, на зерне, сохраняемом некоторое время перед отгрузкой и уже прибывшем на склад.

Кофе ценится за уникальность вкусовых профилей, характерных для данного региона произрастания и показывающих хорошую работу фермера. Во время измерений все эти индивидуальные характеристики были переведены в набор переменных.

Предотгрузочные образцы тестировались по очереди на капингах. За день до капинга мешок с образцом вскрывался, замерялись параметры (первый замер активности воды), и после этого зерно обжаривали. Когда выбранные кофейные лоты прибывали на склад, из них также выбирались образцы для чтения параметров и капинга. Регистрировались влагосодержание, активность воды и другие параметры, которые обычно используют в грейдинге зеленого кофе.

Параметры рассматривались в разных соотношениях – от простых к сложным. Например, как соотносятся активность воды и балльность чашки. Если сделать схему корреляции этих параметров, можно ли будет найти группу кофе с высокой балльностью внутри группы, ограниченной значением активности воды? На балльность чашки влияют разные переменные. Создавая категории внутри данных, можно строить разные сценарии. Например, насколько хорошо сохраниться балльность чашки для группы с высокой активностью воды и с высокой балльностью чашки? Каким тогда будет влагосодержание?  

Как пример рассмотрим активность воды в промежутке 0,6100 – 0,6050. На практике он соответствует 12% влагосодержания. Но регистрация данных и график дают следующие результаты: одна группа с активностью воды 0,6050 имеет влагосодержание 12,8%, другая группа с такой же активностью воды имеет влагосодержание уже 11,8%. Далее эти 11,8% могут встретиться как в группе с активностью воды 0,5600, так и в группе с активностью воды 0,6200. На основе этих данных можно выделить группы зерна для анализа. В свою очередь, анализ даст возможность увидеть специфику чашки за каждой единицей данных.

Если рассматривать группу с активностью воды от 0,6500, в ней влагосодержание выше 12%, а соответственно, есть очень большая вероятность того, что зерно потеряет стабильность качества.

Полевые исследования: замер параметров в процессе сушки.

В начале исследования было отмечено, что большая потеря баллов на этапе уже выкупленных и отгруженных на склад лотов (в сравнении с предотгрузочными образцами) иногда сопровождалась интересным явлением в данных. Допустим, у предотгрузочного образца влагосодержание 11,5%, у прибывшего на склад лота – уже 13%. Балльность чашки при этом  может сохраняться. Влагосодержание было оптимальным, но насколько оно оптимально? Знакомство с параметром «активность воды» и научными исследованиями по этой теме положило начало серии дополнительных полевых исследований.

Поскольку изменение процента влагосодержания и потеря баллов были выявлены не в каждом лоте, пришедшем на склад, логично предположить ошибочные результаты измерения влагосодержания до момента отгрузки. Это шанс расширить исследование, узнать больше о параметре «активность воды» и о процессах, происходящих во время сушки зерна. Мог бы этот параметр сигнализировать о некорректном измерении данных в предотгрузочных образцах (false positive: тест показывает у предмета свойство, которым он не обладает)? Отказывались бы мы от зерна, тестирование которого показало, что у этого зерна нет тех свойств, которыми оно в действительности обладает (false negative)? И если можно измерить активность воды зерна до отгрузки, можно ли ее измерить в процессе сушки?

Эксперимент с замерами параметров текущей влажности и температуры во время сушки зерна проводится в настоящее время в Колумбии. Кофе сушится на параболических кофейных кроватях. Внутри сооружений установлен считыватель данных, датчики расположены по периметру, один датчик вынесен наружу для регистрации параметров окружающей среды. Представители местной ассоциации фермеров согласились делать замеры активности воды во время сушки. Это позволяет, во-первых, посмотреть на процесс сушки с точки зрения параметров, используемых для изучения стабильности качества зерна, а во-вторых, понять, как влияют друг на друга относительная влажность, температура и активность воды.

Исследование в полевых условиях, возможно, откроет новое понимание того, как изменяется качество зерна. За счет чего сохраняется стабильность? Почему она падает? Если активность воды в предотгрузочных образцах «ответственна» за потерю качества во время транспортировки и хранения, мы можем использовать такие данные в процессе закупок. Все мы знаем, что на «жизненном пути» качества зерна есть очень важные точки и «белые пятна». Идентифицировать, измерить и отследить их как раз и может помочь активность воды.

Задача на будущее – практика.

Роль активности воды в анализе качества зеленого кофе пока еще вызывает очень много вопросов.  Но первичные исследования уже заставляют задуматься о параметре как о более точном показателе стабильности качества, чем привычное влагосодержание, и о том, что он может помочь улучшить процессы обработки и сушки.

Вопрос только в том, будет ли этой точности достаточно, чтобы ввести в практику дорогой и затратный по времени процесс измерения. Если анализ параметра покажет серьезное преимущество там, где другие анализы терпят неудачу, его ввод в практику будет великим прорывом в сегменте спешиалти кофе 90+.


Оригинал статьи размещен в журнале Roast Magazine за январь/февраль 2014 года. Автор: Йен Фретейм (Ian Fretheim), глава лаборатории сенсорного анализа в Café Imports. Это первая часть исследования, посвященного изучению активности воды и анализу кофе. Во второй части Йен остановится на том, как применить полученные данные на практике, а также на возможностях практического применения.