如何製作一杯讓打工人温暖的咖啡？來用這些科學方法_風聞

困擾於自己做的咖啡總是味道不穩定，你可能需要理解哪些因素對風味有影響，並對相關參數做更精確的控制變量。令人欣慰的是，咖啡風味的調控也是學術界關注的話題，很多科研工作者正在幫你解決這些問題。

撰文 | 李存璞（重慶大學化學化工學院教授）

無論西方還是東方世界，咖啡都已經成為許多人的日常口糧。與傳統的茶文化將茶葉浸泡飲用不同，主流的咖啡製備工藝流程是將咖啡豆研磨成粉，再用熱水衝過咖啡粉萃取獲得。品鑑時，少了吐茶葉入杯的老幹部姿態，多了吞殘留咖啡粉入口的社畜風采。

如今，忙裏偷閒的打工人不斷探尋更加美味與穩定的咖啡風味，結果卻只算差強人意。本文將從咖啡的風味、口感、濃度需求出發，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定而完美的咖啡。

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當我們喝咖啡時，我們在喝什麼

在我還比較習慣惺惺作態的時候，嘗試研究過圖1所示的咖啡風味輪盤。希望在接過一杯50mL、剛剛用9bar壓強萃取（化學上的“萃取”多用來表示液體/液體溶出分離，咖啡則是“固-液”萃取，化學上用“浸取”表達為主。）出來的意式濃縮時，快速吮吸入口，然後並得出諸如“前調有堅果和黑巧克力的味道，後調則有明顯的柑橘風味”之類的結論。

圖1 常見的咖啡風味輪盤。

但現在，我只喜歡提前點好一杯跟生活一樣苦的冰美式，一飲而盡。拋開可能並非所有人都能分辨的複雜的咖啡風味輪盤，咖啡本身的味道確實是複雜而誘人的，因為咖啡液中就包含了超過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、有機酸分子、碳水化合物、脂類等綜合在一起構成了咖啡的風味，例如異丁醛提供了辣味，乙醛帶來了水果香味，呋喃酮會讓咖啡產生回甘，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味。而咖啡豆品種、產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、烘焙温度與時間、發酵程度等，都會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，還包括含硫有機物、醛酮類、酚類、呋喃類以及吡嗪等眾多有機物。

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控制變量，做好一杯意式濃縮

採購一台咖啡機從而方便地在家或辦公室隨時製作咖啡，是不少人的選擇。這可以更好地根據自身喜好調控咖啡的口味，也比每天去咖啡店購買節約成本。令人沮喪的是，自己用咖啡機做的固然難與精品咖啡店的產品相媲美，甚至相較使用同樣咖啡豆的連鎖咖啡店的產品也有不小的差距。而且使用同樣的機器、同樣的咖啡豆，做出的咖啡口味也難以穩定。（口味無法預測的咖啡，加上變臉比川劇還快的領導，讓社畜們的生活雪上加霜。）

那麼，有沒有辦法用家用咖啡機做出穩定而美味的咖啡呢？有的。對於大多數咖啡機而言，基礎的咖啡產品是意式濃縮（Espresso）。經過簡單調製，意式濃縮又自然衍生出美式、拿鐵等品種。因此，如果掌握了製備意式濃縮的核心技術，就可以在各類花式咖啡中遙遙領先。意式濃縮做法很簡單，把15-22g咖啡豆磨成粉，鋪滿粉碗中壓實，再用9-10bar的壓強注入92-95℃的熱水至粉碗當中，收集30-60g的咖啡液即可。似乎只需要控制好上述壓強、温度、體積等變量，咖啡的口感和風味應該很穩定才對。

遺憾的是，準確的壓強、温度控制需要複雜的機械結構和昂貴的傳感器，例如想要準確、穩定地控制出水温度，就需要保温性能好、加熱穩定的鍋爐來提供熱水，因此只有價格昂貴的商用咖啡機可以相對準確地控制上述因素，家用咖啡機實際的工作狀態往往由於性能不足而產生不小的偏差。但沒關係，自己的咖啡機就是專門為自己服務的，通過控制變量的方法，我們總能把自己的咖啡機打造成為自己製作“特調”咖啡的利器。

2020年，美國俄勒岡大學的Christopher H. Hendon和樸次茅斯大學的Jamie M. Foster在Matter雜誌發表論文，報道了一個可以系統優化意式濃縮的數學模型。如圖3所示，如果把意式濃縮的製備過程看作一個化工萃取過程，那麼萃取發生的場所就是充滿咖啡粉的粉碗，而咖啡的製備過程就是從咖啡粉中萃取出來風味成分至咖啡液，萃取至咖啡液中的物質佔幹咖啡豆的重量比被定義為萃取率（extraction yield，EY）。

圖3 意式濃縮粉碗的結構與咖啡粉分佈示意圖[2]。

按照特種咖啡協會（Specialty Coffee Association，SCA）的建議，意式濃縮應當有17-23%的萃取率，超過23%的萃取率時，咖啡會偏苦；而低於17%的萃取率時，咖啡會偏酸。顯然，咖啡粉的研磨情況、萃取熱水的壓強、咖啡粉的用量會直接影響到最終咖啡的萃取率，以及咖啡的口感。

現在我們來製作一杯40g的意式濃縮。

磨豆與風味

首先是研磨咖啡豆。根據Hendon的模型，如圖4所示，用磨豆機將咖啡豆磨碎，其顆粒越細，則萃取率越大。這很符合直覺，因為越細的顆粒，總表面積越大，越容易把咖啡粉中的風味物質萃取出來（圖4C中的藍線）。而模型還根據實際情況進行了修正，因為在實踐中，隨着磨豆機設置的期望粒徑越來越小，並非所有的咖啡豆都能被均勻地磨細，總有一些相對較大的顆粒沒有被磨至期望粒徑。在熱水衝調時，這些大顆粒與水、其他細粉的相互作用不盡相同，形成部分阻塞的流體。（對於部分阻塞流體，Hendon模型用圖4C中的黃線來進行了表示。）

在實驗中，當磨豆機設置顆粒較細時，實際萃取率（圓圈）更接近部分阻塞流體；而當設置顆粒較粗的時候，由於部分阻塞現象不復存在，實際萃取率（圓圈）更接近標準流體。

圖4 （A-B）咖啡粉的粒徑分佈；（C）固定萃取壓力至6bar情況下，咖啡粉研磨粗細與萃取率的關係。藍線是標準流體模型，即顆粒越細，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，流體不會均勻流下。圈圈為實際情況，細研磨情況下接近黃線，粗研磨情況下接近藍線。

咖啡粉量、壓強與風味

製作咖啡的另一個關鍵問題是，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。這有點反直覺，畢竟粉越多，咖啡應該越濃才對啊，怎麼會萃取率越低呢？實際上，咖啡粉越多，做出的意式濃縮肯定會更加濃郁；但對於全部咖啡粉而言，萃取出來的物質所佔咖啡粉的比例下降了。這意味着如果咖啡粉放得多，相對較粗的研磨程度，就可以獲得濃郁的（粉多）偏酸（萃取率低）的意式濃縮；也可以用相對較少的咖啡粉，製作出比較淡（粉少）但偏苦的咖啡（萃取率高）。

至於為什麼萃取率會影響到風味，溶解度可能是關鍵因素之一。咖啡中酸性的物質，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大部分溶出；而對於一些偏苦的風味物質，如苯基林丹（phenylindane）、奎尼內酯（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）粉量與萃取率的關係：粉越多，萃取率越低（但咖啡可能越濃）；（B）壓強與萃取率的關係：壓強越大，萃取率越低（但可能帶出更多不易溶於水的風味物質）。

另一個有趣的事情是萃取壓強與萃取率、風味的關係。如圖5(B)所示，由於控制了咖啡液的總量為40g，更高的萃取壓強意味着水流速快，水快速流過咖啡粉，自然萃取率偏低。但對於咖啡中特殊的風味物質而言，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，而非溶解在水裏），因此在實踐中更加高的萃取壓強往往會帶來更加豐富的味道，也需要更細的咖啡粉來搭配獲得中和的口感。

按需定製自己的風味

對於自己的家用咖啡機而言，我們已經掌握了調控味道的關鍵。增加粉量可以提升濃度，增加壓強可以提高味道豐富程度，而控制研磨粒徑可以調控萃取率——當覺得咖啡味道偏酸的時候，就把粉研磨細一些，並減少粉量；如果覺得濃度不夠苦，就增加粉量，用壓強來控制酸度。如果想要特別綜合的風味，那麼甚至可以用不同參數做兩杯，然後混在一起。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）；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）。二者混合之後，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，比看別人的年終獎更酸。

圖6 綜合風味可以用紫色+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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研磨的超級秘籍

我們可能已經發現，研磨似乎是咖啡製作中控制最為複雜的一環。俄勒岡大學的Christopher H. Hendon等人在2024年1月出版的Matter雜誌上進一步討論了研磨對咖啡粉的摩擦生電問題。[3]事實上，在咖啡研磨過程中，由於咖啡豆與刀片的摩擦、咖啡裂開過程中的電荷分佈不均等原因，咖啡粉會帶電。與刀片摩擦帶電很容易理解，由於兩種物質的相互摩擦接觸，其中一種物質的電子轉移到另一種，其結果就是失去電子的物質帶正電，而得到電子的物質帶負電。

值得一提的是，咖啡豆裂開的過程也會產生靜電，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，由於伴隨着共價鍵的斷裂，其中的電子/離子會被釋放[4]，因此殘留的咖啡粉會攜帶正電或者負電，這是研磨得到細顆粒的過程中咖啡粉帶電的主要原因。

圖7 火山灰帶電與後續凝結機理。在小顆粒層面，顆粒裂開之後邊緣電子被釋放，從而殘留的顆粒攜帶正電。

咖啡粉帶電會導致咖啡粉團聚，影響其粒徑分佈。研究者發現，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佈關係不大，但深度烘焙的豆子相對帶電較少，咖啡粉團聚較為微弱。這也許就是星巴克店裏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/質量比。灰色為第一次細磨，黑色為第二次粗磨。可以看到粒徑分佈不變，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聚情況。如圖8所示，先細磨一次獲得較細的咖啡粉，但此時咖啡粉帶電多，團聚較為嚴重；再用更粗的擋位磨一次，這雖然不會讓咖啡粉變細，卻可以減少咖啡粉帶電和團聚情況。

更為關鍵的是，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，在放置入研磨機之前噴一點水，就可以顯著減少咖啡粉的帶電和團聚問題，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（咖啡豆在研磨之前噴一下水，可以有效減少靜電飛粉）的本質原因。

圖9 研磨時在咖啡豆噴一點水，咖啡粉團聚減少，粒徑更細。因此咖啡液流出速度變慢，咖啡濃度增加

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尋求科學答案

關於咖啡製作的研究一直以來是學術界關注的有趣領域，例如意大利卡美日諾大學的Sauro Vittori在2015年比較了意式濃縮與沖泡咖啡在風味和化學成分上的差異[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，這意味着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製備，波蘭波茲南工業大學的Magdalena Jeszka‑Skowron在2016年發表文章討論了咖啡豆品種、烘焙工藝對成品咖啡豆風味成分的影響[6]。

也許在不久的將來，當我們能解析並輕鬆獲得咖啡中所有的風味分子，那麼做出的咖啡風味可能更加穩定：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味物質分子定量注入水中，加熱搖勻送到手中。味道永遠保持恆定，永遠可以定製，但也許這已經脱離了咖啡的本源需求——放鬆而非提神。

喝了這杯獨屬於你的定製咖啡，熱情地擁抱生活吧。

參考文獻

[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·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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