如何制作一杯讓打工人溫暖的咖啡？來用這些科學(xué)方法

困擾于自己做的咖啡總是味道不穩(wěn)定，你可能需要理解哪些因素對(duì)風(fēng)味有影響，并對(duì)相關(guān)參數(shù)做更精確的控制變量。令人欣慰的是，咖啡風(fēng)味的調(diào)控也是學(xué)術(shù)界關(guān)注的話題，很多科研工作者正在幫你解決這些問題。

撰文 | 李存璞（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授）

無論西方還是東方世界，咖啡都已經(jīng)成為許多人的日?？诩Z。與傳統(tǒng)的茶文化將茶葉浸泡飲用不同，主流的咖啡制備工藝流程是將咖啡豆研磨成粉，再用熱水沖過咖啡粉萃取獲得。品鑒時(shí)，少了吐茶葉入杯的老干部姿態(tài)，多了吞殘留咖啡粉入口的社畜風(fēng)采。

如今，忙里偷閑的打工人不斷探尋更加美味與穩(wěn)定的咖啡風(fēng)味，結(jié)果卻只算差強(qiáng)人意。本文將從咖啡的風(fēng)味、口感、濃度需求出發(fā)，探討咖啡口味精確控制的方法策略，以期幫助讀者做一杯更加穩(wěn)定而完美的咖啡。

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當(dāng)我們喝咖啡時(shí)，我們?cè)诤仁裁?/p>

在我還比較習(xí)慣惺惺作態(tài)的時(shí)候，嘗試研究過圖1所示的咖啡風(fēng)味輪盤。希望在接過一杯50mL、剛剛用9bar壓強(qiáng)萃?。ɑ瘜W(xué)上的“萃取”多用來表示液體/液體溶出分離，咖啡則是“固-液”萃取，化學(xué)上用“浸取”表達(dá)為主。）出來的意式濃縮時(shí)，快速吮吸入口，然后并得出諸如“前調(diào)有堅(jiān)果和黑巧克力的味道，后調(diào)則有明顯的柑橘風(fēng)味”之類的結(jié)論。

圖1 常見的咖啡風(fēng)味輪盤。

但現(xiàn)在，我只喜歡提前點(diǎn)好一杯跟生活一樣苦的冰美式，一飲而盡。拋開可能并非所有人都能分辨的復(fù)雜的咖啡風(fēng)味輪盤，咖啡本身的味道確實(shí)是復(fù)雜而誘人的，因?yàn)榭Х纫褐芯桶顺^2000種分子。如圖2所示，除了最直接被需求的咖啡因分子之外，各種芳香類分子、有機(jī)酸分子、碳水化合物、脂類等綜合在一起構(gòu)成了咖啡的風(fēng)味，例如異丁醛提供了辣味，乙醛帶來了水果香味，呋喃酮會(huì)讓咖啡產(chǎn)生回甘，而吡嗪類則給咖啡帶來土壤的味道，等等。這些酸、苦、澀、水果香味等味道，以及一些酯類提供的順滑的口感，共同形成了咖啡的風(fēng)味。而咖啡豆品種、產(chǎn)地的差異自然不言而喻，各類咖啡豆的處理方式，如水洗、日曬、烘焙溫度與時(shí)間、發(fā)酵程度等，都會(huì)影響咖啡豆中的各類成分與其比例。這在精品咖啡店中尤為重要——許多特別的豆子搭配熟練的咖啡師，才讓我們喝到一杯充滿驚喜的咖啡。

圖2 咖啡中代表性分子[1]。除咖啡因外，還包括含硫有機(jī)物、醛酮類、酚類、呋喃類以及吡嗪等眾多有機(jī)物。

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控制變量，做好一杯意式濃縮

采購一臺(tái)咖啡機(jī)從而方便地在家或辦公室隨時(shí)制作咖啡，是不少人的選擇。這可以更好地根據(jù)自身喜好調(diào)控咖啡的口味，也比每天去咖啡店購買節(jié)約成本。令人沮喪的是，自己用咖啡機(jī)做的固然難與精品咖啡店的產(chǎn)品相媲美，甚至相較使用同樣咖啡豆的連鎖咖啡店的產(chǎn)品也有不小的差距。而且使用同樣的機(jī)器、同樣的咖啡豆，做出的咖啡口味也難以穩(wěn)定。（口味無法預(yù)測(cè)的咖啡，加上變臉比川劇還快的領(lǐng)導(dǎo)，讓社畜們的生活雪上加霜。）

那么，有沒有辦法用家用咖啡機(jī)做出穩(wěn)定而美味的咖啡呢？有的。對(duì)于大多數(shù)咖啡機(jī)而言，基礎(chǔ)的咖啡產(chǎn)品是意式濃縮（Espresso）。經(jīng)過簡(jiǎn)單調(diào)制，意式濃縮又自然衍生出美式、拿鐵等品種。因此，如果掌握了制備意式濃縮的核心技術(shù)，就可以在各類花式咖啡中遙遙領(lǐng)先。意式濃縮做法很簡(jiǎn)單，把15-22g咖啡豆磨成粉，鋪滿粉碗中壓實(shí)，再用9-10bar的壓強(qiáng)注入92-95℃的熱水至粉碗當(dāng)中，收集30-60g的咖啡液即可。似乎只需要控制好上述壓強(qiáng)、溫度、體積等變量，咖啡的口感和風(fēng)味應(yīng)該很穩(wěn)定才對(duì)。

遺憾的是，準(zhǔn)確的壓強(qiáng)、溫度控制需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和昂貴的傳感器，例如想要準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制出水溫度，就需要保溫性能好、加熱穩(wěn)定的鍋爐來提供熱水，因此只有價(jià)格昂貴的商用咖啡機(jī)可以相對(duì)準(zhǔn)確地控制上述因素，家用咖啡機(jī)實(shí)際的工作狀態(tài)往往由于性能不足而產(chǎn)生不小的偏差。但沒關(guān)系，自己的咖啡機(jī)就是專門為自己服務(wù)的，通過控制變量的方法，我們總能把自己的咖啡機(jī)打造成為自己制作“特調(diào)”咖啡的利器。

2020年，美國(guó)俄勒岡大學(xué)的Christopher H. Hendon和樸次茅斯大學(xué)的Jamie M. Foster在Matter雜志發(fā)表論文，報(bào)道了一個(gè)可以系統(tǒng)優(yōu)化意式濃縮的數(shù)學(xué)模型。如圖3所示，如果把意式濃縮的制備過程看作一個(gè)化工萃取過程，那么萃取發(fā)生的場(chǎng)所就是充滿咖啡粉的粉碗，而咖啡的制備過程就是從咖啡粉中萃取出來風(fēng)味成分至咖啡液，萃取至咖啡液中的物質(zhì)占干咖啡豆的重量比被定義為萃取率（extraction yield，EY）。

圖3 意式濃縮粉碗的結(jié)構(gòu)與咖啡粉分布示意圖[2]。

按照特種咖啡協(xié)會(huì)（Specialty Coffee Association，SCA）的建議，意式濃縮應(yīng)當(dāng)有17-23%的萃取率，超過23%的萃取率時(shí)，咖啡會(huì)偏苦；而低于17%的萃取率時(shí)，咖啡會(huì)偏酸。顯然，咖啡粉的研磨情況、萃取熱水的壓強(qiáng)、咖啡粉的用量會(huì)直接影響到最終咖啡的萃取率，以及咖啡的口感。

現(xiàn)在我們來制作一杯40g的意式濃縮。

磨豆與風(fēng)味

首先是研磨咖啡豆。根據(jù)Hendon的模型，如圖4所示，用磨豆機(jī)將咖啡豆磨碎，其顆粒越細(xì)，則萃取率越大。這很符合直覺，因?yàn)樵郊?xì)的顆粒，總表面積越大，越容易把咖啡粉中的風(fēng)味物質(zhì)萃取出來（圖4C中的藍(lán)線）。而模型還根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了修正，因?yàn)樵趯?shí)踐中，隨著磨豆機(jī)設(shè)置的期望粒徑越來越小，并非所有的咖啡豆都能被均勻地磨細(xì)，總有一些相對(duì)較大的顆粒沒有被磨至期望粒徑。在熱水沖調(diào)時(shí)，這些大顆粒與水、其他細(xì)粉的相互作用不盡相同，形成部分阻塞的流體。（對(duì)于部分阻塞流體，Hendon模型用圖4C中的黃線來進(jìn)行了表示。）

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)磨豆機(jī)設(shè)置顆粒較細(xì)時(shí)，實(shí)際萃取率（圓圈）更接近部分阻塞流體；而當(dāng)設(shè)置顆粒較粗的時(shí)候，由于部分阻塞現(xiàn)象不復(fù)存在，實(shí)際萃取率（圓圈）更接近標(biāo)準(zhǔn)流體。

圖4 （A-B）咖啡粉的粒徑分布；（C）固定萃取壓力至6bar情況下，咖啡粉研磨粗細(xì)與萃取率的關(guān)系。藍(lán)線是標(biāo)準(zhǔn)流體模型，即顆粒越細(xì)，萃取率越高；黃線是部分阻塞的流體模型，即有大有小的咖啡粉情況下，流體不會(huì)均勻流下。圈圈為實(shí)際情況，細(xì)研磨情況下接近黃線，粗研磨情況下接近藍(lán)線。

咖啡粉量、壓強(qiáng)與風(fēng)味

制作咖啡的另一個(gè)關(guān)鍵問題是，要用多少咖啡粉？如圖5所示，咖啡粉的量越大，則咖啡的萃取率越低。這有點(diǎn)反直覺，畢竟粉越多，咖啡應(yīng)該越濃才對(duì)啊，怎么會(huì)萃取率越低呢？實(shí)際上，咖啡粉越多，做出的意式濃縮肯定會(huì)更加濃郁；但對(duì)于全部咖啡粉而言，萃取出來的物質(zhì)所占咖啡粉的比例下降了。這意味著如果咖啡粉放得多，相對(duì)較粗的研磨程度，就可以獲得濃郁的（粉多）偏酸（萃取率低）的意式濃縮；也可以用相對(duì)較少的咖啡粉，制作出比較淡（粉少）但偏苦的咖啡（萃取率高）。

至于為什么萃取率會(huì)影響到風(fēng)味，溶解度可能是關(guān)鍵因素之一。咖啡中酸性的物質(zhì)，如奎寧酸的溶解度較大，因此很容易溶解出來，在較低的萃取率下也會(huì)大部分溶出；而對(duì)于一些偏苦的風(fēng)味物質(zhì)，如苯基林丹（phenylindane）、奎尼內(nèi)酯（quinides）則溶解度偏小，在較高的萃取率下才能溶出。故而低萃取率偏酸而高萃取率偏苦。

圖5（A）粉量與萃取率的關(guān)系：粉越多，萃取率越低（但咖啡可能越濃）；（B）壓強(qiáng)與萃取率的關(guān)系：壓強(qiáng)越大，萃取率越低（但可能帶出更多不易溶于水的風(fēng)味物質(zhì)）。

另一個(gè)有趣的事情是萃取壓強(qiáng)與萃取率、風(fēng)味的關(guān)系。如圖5(B)所示，由于控制了咖啡液的總量為40g，更高的萃取壓強(qiáng)意味著水流速快，水快速流過咖啡粉，自然萃取率偏低。但對(duì)于咖啡中特殊的風(fēng)味物質(zhì)而言，有些溶解度十分小，它們是被流過的熱水帶出來而非溶解出來的（就像洗手，水把某些污垢帶走，而非溶解在水里），因此在實(shí)踐中更加高的萃取壓強(qiáng)往往會(huì)帶來更加豐富的味道，也需要更細(xì)的咖啡粉來搭配獲得中和的口感。

按需定制自己的風(fēng)味

對(duì)于自己的家用咖啡機(jī)而言，我們已經(jīng)掌握了調(diào)控味道的關(guān)鍵。增加粉量可以提升濃度，增加壓強(qiáng)可以提高味道豐富程度，而控制研磨粒徑可以調(diào)控萃取率——當(dāng)覺得咖啡味道偏酸的時(shí)候，就把粉研磨細(xì)一些，并減少粉量；如果覺得濃度不夠苦，就增加粉量，用壓強(qiáng)來控制酸度。如果想要特別綜合的風(fēng)味，那么甚至可以用不同參數(shù)做兩杯，然后混在一起。如圖6所示，我們可以用較少的咖啡粉、較粗的研磨顆粒，獲得不太濃、苦味比例高的一杯濃縮咖啡（綠點(diǎn)）；再用較多的咖啡粉、更高的研磨顆粒，獲得酸度比較高、濃度高的另一杯濃縮咖啡（紫點(diǎn)）。二者混合之后，就可以獲得酸度、苦度比較中和的雙倍意式濃縮。比自己的生活更苦，比看別人的年終獎(jiǎng)更酸。

圖6 綜合風(fēng)味可以用紫色+綠色的兩杯混在一起獲得。又酸又苦，生活不過如此。

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研磨的超級(jí)秘籍

我們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，研磨似乎是咖啡制作中控制最為復(fù)雜的一環(huán)。俄勒岡大學(xué)的Christopher H. Hendon等人在2024年1月出版的Matter雜志上進(jìn)一步討論了研磨對(duì)咖啡粉的摩擦生電問題。[3]事實(shí)上，在咖啡研磨過程中，由于咖啡豆與刀片的摩擦、咖啡裂開過程中的電荷分布不均等原因，咖啡粉會(huì)帶電。與刀片摩擦帶電很容易理解，由于兩種物質(zhì)的相互摩擦接觸，其中一種物質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移到另一種，其結(jié)果就是失去電子的物質(zhì)帶正電，而得到電子的物質(zhì)帶負(fù)電。

值得一提的是，咖啡豆裂開的過程也會(huì)產(chǎn)生靜電，其原理與火山灰炸裂帶電十分接近。如圖7所示，在小顆粒層面，咖啡顆粒裂開時(shí)，由于伴隨著共價(jià)鍵的斷裂，其中的電子/離子會(huì)被釋放[4]，因此殘留的咖啡粉會(huì)攜帶正電或者負(fù)電，這是研磨得到細(xì)顆粒的過程中咖啡粉帶電的主要原因。

圖7 火山灰?guī)щ娕c后續(xù)凝結(jié)機(jī)理。在小顆粒層面，顆粒裂開之后邊緣電子被釋放，從而殘留的顆粒攜帶正電。

咖啡粉帶電會(huì)導(dǎo)致咖啡粉團(tuán)聚，影響其粒徑分布。研究者發(fā)現(xiàn)，咖啡豆的品種、烘焙方法與研磨獲得的咖啡粉帶電情況和粒徑分布關(guān)系不大，但深度烘焙的豆子相對(duì)帶電較少，咖啡粉團(tuán)聚較為微弱。這也許就是星巴克店里用深度烘培豆子偏多的原因？

圖8 橫軸為不同咖啡豆品牌，縱軸為咖啡粉的電荷/質(zhì)量比?；疑珵榈谝淮渭?xì)磨，黑色為第二次粗磨。可以看到粒徑分布不變，但咖啡粉帶電情況顯著改善。

另外，如果不怕麻煩的話，二次研磨可以顯著減少咖啡豆的帶電和團(tuán)聚情況。如圖8所示，先細(xì)磨一次獲得較細(xì)的咖啡粉，但此時(shí)咖啡粉帶電多，團(tuán)聚較為嚴(yán)重；再用更粗的擋位磨一次，這雖然不會(huì)讓咖啡粉變細(xì)，卻可以減少咖啡粉帶電和團(tuán)聚情況。

更為關(guān)鍵的是，濕度增加可以減少咖啡粉帶電情況。如圖9所示，無論何種咖啡豆，在放置入研磨機(jī)之前噴一點(diǎn)水，就可以顯著減少咖啡粉的帶電和團(tuán)聚問題，改善咖啡出品水平。這可能就是社交媒體上廣泛流傳的“ross droplet technique”技術(shù)（咖啡豆在研磨之前噴一下水，可以有效減少靜電飛粉）的本質(zhì)原因。

圖9 研磨時(shí)在咖啡豆噴一點(diǎn)水，咖啡粉團(tuán)聚減少，粒徑更細(xì)。因此咖啡液流出速度變慢，咖啡濃度增加

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尋求科學(xué)答案

關(guān)于咖啡制作的研究一直以來是學(xué)術(shù)界關(guān)注的有趣領(lǐng)域，例如意大利卡美日諾大學(xué)的Sauro Vittori在2015年比較了意式濃縮與沖泡咖啡在風(fēng)味和化學(xué)成分上的差異[5]，沖泡咖啡的咖啡因與綠原酸含量相較意式濃縮都高一些，這意味著沖泡咖啡的提神效果可能更好。如果更希望從源頭上控制咖啡的制備，波蘭波茲南工業(yè)大學(xué)的Magdalena Jeszka?Skowron在2016年發(fā)表文章討論了咖啡豆品種、烘焙工藝對(duì)成品咖啡豆風(fēng)味成分的影響[6]。

也許在不久的將來，當(dāng)我們能解析并輕松獲得咖啡中所有的風(fēng)味分子，那么做出的咖啡風(fēng)味可能更加穩(wěn)定：我們選擇咖啡因、單寧酸，各種硫醇、酚類的量，用程序控制將各類風(fēng)味物質(zhì)分子定量注入水中，加熱搖勻送到手中。味道永遠(yuǎn)保持恒定，永遠(yuǎn)可以定制，但也許這已經(jīng)脫離了咖啡的本源需求——放松而非提神。

喝了這杯獨(dú)屬于你的定制咖啡，熱情地?fù)肀畎伞?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.compoundchem.com/2015/02/17/coffee-aroma/

[2] Cameron et al., Matter 2, 631–648. https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.019

[3] Mendez Harper et al., Matter 7, 266–283. https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005

[4] Cimarelli, C., Behnke, S., Genareau, K. et al. Volcanic electrification: recent advances and future perspectives. Bull Volcanol 84, 78 (2022). https://doi.org/10.1007/s00445-022-01591-3

[5] Giovanni Caprioli, Manuela Cortese, Gianni Sagratini & Sauro Vittori (2015) The influence of different types of preparation (espresso and brew) on coffee aroma and main bioactive constituents, International Journal of Food Sciences and Nutrition, 66:5, 505-513, DOI: 10.3109/09637486.2015.1064871

[6] Jeszka-Skowron, M., Sentkowska, A., Pyrzyńska, K. et al. Chlorogenic acids, caffeine content and antioxidant properties of green coffee extracts: influence of green coffee bean preparation. Eur Food Res Technol 242, 1403–1409 (2016). https://doi.org/10.1007/s00217-016-2643-y

本文受科普中國(guó)·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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