如何制作一杯让“打工人”温暖的咖啡？快来试试这些科学方法→

困扰于自己做的咖啡总是味道不稳定，你可能需要理解哪些因素对风味有影响，并对相关参数做更精确的控制变量。令人欣慰的是，咖啡风味的调控也是学术界关注的话题，很多科研工作者正在帮你解决这些问题。
无论西方还是东方世界，咖啡都已经成为许多人的日常口粮。与传统的茶文化将茶叶浸泡饮用不同，主流的咖啡制备工艺流程是将咖啡豆研磨成粉，再用热水冲过咖啡粉萃取获得。
如今，忙里偷闲的打工人不断探寻更加美味与稳定的咖啡风味，结果却只算差强人意。本文将从咖啡的风味、口感、浓度需求出发，探讨咖啡口味精确控制的方法策略，以期帮助读者做一杯更加稳定而完美的咖啡。

当我们喝咖啡时

我们在喝什么

我曾尝试研究过图1所示的咖啡风味轮盘，希望在接过一杯50mL、刚刚用约9个标准大气压的压强萃取（化学上的“萃取”多用来表示液体/液体溶出分离，咖啡则是“固-液”萃取，化学上用“浸取”表达为主。）出来的意式浓缩时，快速吮吸入口，然后并得出诸如“前调有坚果和黑巧克力的味道，后调则有明显的柑橘风味”之类的结论。
图1 常见的咖啡风味轮盘。
但现在，我只喜欢提前点好一杯冰美式，一饮而尽。抛开可能并非所有人都能分辨的复杂的咖啡风味轮盘，咖啡本身的味道确实是复杂而诱人的，因为咖啡液中就包含了超过2000种分子。
如图2所示，除了最直接被需求的咖啡因分子之外，各种芳香类分子、有机酸分子、碳水化合物、脂类等综合在一起构成了咖啡的风味，例如异丁醛提供了辣味，乙醛带来了水果香味，呋喃酮会让咖啡产生回甘，而吡嗪类则给咖啡带来土壤的味道等。这些酸、苦、涩、水果香味等味道，以及一些酯类提供的顺滑的口感，共同形成了咖啡的风味。
而咖啡豆品种、产地的差异自然不言而喻，各类咖啡豆的处理方式，如水洗、日晒、烘焙温度与时间、发酵程度等，都会影响咖啡豆中的各类成分与其比例。这在精品咖啡店中尤为重要——许多特别的豆子搭配熟练的咖啡师，才让我们喝到一杯充满惊喜的咖啡。
图2 咖啡中代表性分子[1]。除咖啡因外，还包括含硫有机物、醛酮类、酚类、呋喃类以及吡嗪等众多有机物。

控制变量

做好一杯意式浓缩

采购一台咖啡机从而方便地在家或办公室随时制作咖啡，是不少人的选择。这可以更好地根据自身喜好调控咖啡的口味，也比每天去咖啡店购买节约成本。令人沮丧的是，自己用咖啡机做的固然难与精品咖啡店的产品相媲美，甚至相较使用同样咖啡豆的连锁咖啡店的产品也有不小的差距。而且使用同样的机器、同样的咖啡豆，做出的咖啡口味也难以稳定。
那么，有没有办法用家用咖啡机做出稳定而美味的咖啡呢？有的。对于大多数咖啡机而言，基础的咖啡产品是意式浓缩（espresso）。经过简单调制，意式浓缩又自然衍生出美式、拿铁等品种。因此，如果掌握了制备意式浓缩的核心技术，就可以在各类花式咖啡中遥遥领先。
意式浓缩做法很简单，把15~22g咖啡豆磨成粉，铺满粉碗中压实，再用约9个标准大气压的压强注入92℃~95℃的热水至粉碗当中，收集30~60g的咖啡液即可。似乎只需要控制好上述压强、温度、体积等变量，咖啡的口感和风味应该很稳定才对。
遗憾的是，准确的压强、温度控制需要复杂的机械结构和昂贵的传感器，例如想要准确、稳定地控制出水温度，就需要保温性能好、加热稳定的锅炉来提供热水，因此只有价格昂贵的商用咖啡机可以相对准确地控制上述因素，家用咖啡机实际的工作状态往往由于性能不足而产生不小的偏差。但没关系，自己的咖啡机就是专门为自己服务的，通过控制变量的方法，我们总能把自己的咖啡机打造成为自己制作“特调”咖啡的利器。
2020年，美国俄勒冈大学和朴次茅斯大学的研究人员曾发表论文，报道了一个可以系统优化意式浓缩的数学模型。如图3所示，如果把意式浓缩的制备过程看作一个化工萃取过程，那么萃取发生的场所就是充满咖啡粉的粉碗，而咖啡的制备过程就是从咖啡粉中萃取出来风味成分至咖啡液，萃取至咖啡液中的物质占干咖啡豆的重量比被定义为萃取率（extraction yield，EY）。
图3 意式浓缩粉碗的结构与咖啡粉分布示意图[2]。
按照特种咖啡协会（Specialty Coffee Association，SCA）的建议，意式浓缩应当有17%~23%的萃取率，超过23%的萃取率时，咖啡会偏苦；而低于17%的萃取率时，咖啡会偏酸。显然，咖啡粉的研磨情况、萃取热水的压强、咖啡粉的用量会直接影响到最终咖啡的萃取率，以及咖啡的口感。
现在我们来制作一杯40g的意式浓缩。

• 磨豆与风味

首先是研磨咖啡豆。根据Hendon的模型，如图4所示，用磨豆机将咖啡豆磨碎，其颗粒越细，则萃取率越大。这很符合直觉，因为越细的颗粒，总表面积越大，越容易把咖啡粉中的风味物质萃取出来（图4C中的蓝线）。而模型还根据实际情况进行了修正，因为在实践中，随着磨豆机设置的期望粒径越来越小，并非所有的咖啡豆都能被均匀地磨细，总有一些相对较大的颗粒没有被磨至期望粒径。在热水冲调时，这些大颗粒与水、其他细粉的相互作用不尽相同，形成部分阻塞的流体。（对于部分阻塞流体，Hendon模型用图4C中的黄线来进行了表示。）
在实验中，当磨豆机设置颗粒较细时，实际萃取率（圆圈）更接近部分阻塞流体；而当设置颗粒较粗的时候，由于部分阻塞现象不复存在，实际萃取率（圆圈）更接近标准流体。
图4 （A-B）咖啡粉的粒径分布；（C）固定萃取压力至6bar情况下，咖啡粉研磨粗细与萃取率的关系。蓝线是标准流体模型，即颗粒越细，萃取率越高；黄线是部分阻塞的流体模型，即有大有小的咖啡粉情况下，流体不会均匀流下。圈圈为实际情况，细研磨情况下接近黄线，粗研磨情况下接近蓝线。

• 咖啡粉量、压强与风味

制作咖啡的另一个关键问题是，要用多少咖啡粉？如图5所示，咖啡粉的量越大，则咖啡的萃取率越低。这有点反直觉，毕竟粉越多，咖啡应该越浓才对啊，怎么会萃取率越低呢？实际上，咖啡粉越多，做出的意式浓缩肯定会更加浓郁；但对于全部咖啡粉而言，萃取出来的物质所占咖啡粉的比例下降了。这意味着如果咖啡粉放得多，相对较粗的研磨程度，就可以获得浓郁的（粉多）偏酸（萃取率低）的意式浓缩；也可以用相对较少的咖啡粉，制作出比较淡（粉少）但偏苦的咖啡（萃取率高）。
至于为什么萃取率会影响到风味，溶解度可能是关键因素之一。咖啡中酸性的物质，如奎宁酸的溶解度较大，因此很容易溶解出来，在较低的萃取率下也会大部分溶出；而对于一些偏苦的风味物质，如苯基林丹（phenylindane）、奎尼内酯（quinides）则溶解度偏小，在较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。
图5（A）粉量与萃取率的关系：粉越多，萃取率越低（但咖啡可能越浓）；（B）压强与萃取率的关系：压强越大，萃取率越低（但可能带出更多不易溶于水的风味物质）。
另一个有趣的事情是萃取压强与萃取率、风味的关系。如图5(B)所示，由于控制了咖啡液的总量为40g，更高的萃取压强意味着水流速快，水快速流过咖啡粉，自然萃取率偏低。但对于咖啡中特殊的风味物质而言，有些溶解度十分小，它们是被流过的热水带出来而非溶解出来的（就像洗手，水把某些污垢带走，而非溶解在水里），因此在实践中更加高的萃取压强往往会带来更加丰富的味道，也需要更细的咖啡粉来搭配获得中和的口感。

• 按需定制自己的风味

对于自己的家用咖啡机而言，我们已经掌握了调控味道的关键。增加粉量可以提升浓度，增加压强可以提高味道丰富程度，而控制研磨粒径可以调控萃取率——当觉得咖啡味道偏酸的时候，就把粉研磨细一些，并减少粉量；如果觉得浓度不够苦，就增加粉量，用压强来控制酸度。
如果想要特别综合的风味，那么甚至可以用不同参数做两杯，然后混在一起。如图6所示，我们可以用较少的咖啡粉、较粗的研磨颗粒，获得不太浓、苦味比例高的一杯浓缩咖啡（绿点）；再用较多的咖啡粉、更高的研磨颗粒，获得酸度比较高、浓度高的另一杯浓缩咖啡（紫点）。二者混合之后，就可以获得酸度、苦度比较中和的双倍意式浓缩。
图6 综合风味可以用紫色+绿色的两杯混在一起获得。又酸又苦，生活不过如此。

研磨的超级秘籍

我们可能已经发现，研磨似乎是咖啡制作中控制最为复杂的一环。俄勒冈大学的研究人员在一份杂志上进一步讨论了研磨对咖啡粉的摩擦生电问题。[3]事实上，在咖啡研磨过程中，由于咖啡豆与刀片的摩擦、咖啡裂开过程中的电荷分布不均等原因，咖啡粉会带电。与刀片摩擦带电很容易理解，由于两种物质的相互摩擦接触，其中一种物质的电子转移到另一种，其结果就是失去电子的物质带正电，而得到电子的物质带负电。
值得一提的是，咖啡豆裂开的过程也会产生静电，其原理与火山灰炸裂带电十分接近。如图7所示，在小颗粒层面，咖啡颗粒裂开时，由于伴随着共价键的断裂，其中的电子/离子会被释放[4]，因此残留的咖啡粉会携带正电或者负电，这是研磨得到细颗粒的过程中咖啡粉带电的主要原因。
图7 火山灰带电与后续凝结机理。在小颗粒层面，颗粒裂开之后边缘电子被释放，从而残留的颗粒携带正电。
咖啡粉带电会导致咖啡粉团聚，影响其粒径分布。研究者发现，咖啡豆的品种、烘焙方法与研磨获得的咖啡粉带电情况和粒径分布关系不大，但深度烘焙的豆子相对带电较少，咖啡粉团聚较为微弱。
图8 横轴为不同咖啡豆品牌，纵轴为咖啡粉的电荷/质量比。灰色为第一次细磨，黑色为第二次粗磨。可以看到粒径分布不变，但咖啡粉带电情况显著改善。
另外，如果不怕麻烦的话，二次研磨可以显著减少咖啡豆的带电和团聚情况。如图8所示，先细磨一次获得较细的咖啡粉，但此时咖啡粉带电多，团聚较为严重；再用更粗的挡位磨一次，这虽然不会让咖啡粉变细，却可以减少咖啡粉带电和团聚情况。
更为关键的是，湿度增加可以减少咖啡粉带电情况。如图9所示，无论何种咖啡豆，在放置入研磨机之前喷一点水，就可以显著减少咖啡粉的带电和团聚问题，改善咖啡出品水平。这可能就是社交媒体上广泛流传的“ross droplet technique”技术（咖啡豆在研磨之前喷一下水，可以有效减少静电飞粉）的本质原因。
图9 研磨时在咖啡豆喷一点水，咖啡粉团聚减少，粒径更细。因此咖啡液流出速度变慢，咖啡浓度增加

寻求科学答案

关于咖啡制作的研究一直以来是学术界关注的有趣领域，例如意大利卡美日诺大学的研究人员在2015年比较了意式浓缩与冲泡咖啡在风味和化学成分上的差异[5]，冲泡咖啡的咖啡因与绿原酸含量相较意式浓缩都高一些，这意味着冲泡咖啡的提神效果可能更好。如果更希望从源头上控制咖啡的制备，波兰波兹南工业大学有研究人员在2016年发表文章讨论了咖啡豆品种、烘焙工艺对成品咖啡豆风味成分的影响[6]。
也许在不久的将来，当我们能解析并轻松获得咖啡中所有的风味分子，那么做出的咖啡风味可能更加稳定：我们选择咖啡因、单宁酸，各种硫醇、酚类的量，用程序控制将各类风味物质分子定量注入水中，加热摇匀送到手中。味道永远保持恒定，永远可以定制，但也许这已经脱离了咖啡的本源需求——放松而非提神。
喝了这杯独属于你的定制咖啡，热情地拥抱生活吧。

参考文献

[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

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本文为科普中国-星空计划作品

出品｜中国科协科普部

监制｜中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源丨返朴（公众号ID：fanpu2019）

作者丨李存璞 重庆大学化学化工学院教授

责编丨钟艳平

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