如何精确控制咖啡口味，做出稳定而完美的咖啡？

撰写者 |李存普（重庆大学化学化工学院教授）

咖啡已成为西方和东方世界许多人的日常口粮。与传统的泡茶饮用的茶文化不同，主流的咖啡制备工艺是将咖啡豆磨成粉末，然后用热水清洗咖啡粉进行萃取。

如今，忙碌之余的打工者不断寻找更美味、更稳定的咖啡口味，但结果却不尽如人意。本文将从咖啡的风味、口感、浓度要求出发，探索精准控制咖啡口感的方法和策略，希望能帮助读者冲泡出一杯更加稳定、完美的咖啡。

当我们喝咖啡时，我们在喝什么？

当我还习惯害羞的时候，我尝试研究图1所示的咖啡风味轮盘，我希望在收到一杯50mL后，我只是用9bar的压力来提取（化学中的“提取”多用于表达液/液溶解分离，而咖啡是“固液”萃取，“浸出”主要用在化学上。）当浓缩咖啡出来后，快速喝一口，得出诸如“前注”之类的结论有坚果和黑巧克力的味道，后调有明显的柑橘味。”

图1 常见咖啡风味轮盘

但现在，我只想提前点一杯苦如人生的冰美式咖啡，一口气喝完。抛开可能不是每个人都能辨别的复杂的咖啡风味轮，咖啡本身的味道确实是复杂而诱人的，因为咖啡液中含有超过2000个分子。如图2所示，除了最直接需要的咖啡因分子外，各种芳香分子、有机酸分子、碳水化合物、脂类等结合在一起，形成了咖啡的风味。例如，异丁醛提供辛辣风味。味道，乙醛带来果香，呋喃酮给咖啡带来甜味的余味，吡嗪给咖啡带来泥土味等。这些酸、苦、涩、果香，以及一些酯类提供的顺滑口感，共同构成了咖啡的风味。咖啡。咖啡豆品种和产地的差异自然是不言而喻的。各种咖啡豆的加工方法，如洗涤、晒干、烘焙温度和时间、发酵程度等，都会影响咖啡豆中的各种成分及其比例。这在精品咖啡店中尤其重要——许多特殊的咖啡豆和熟练的咖啡师给我们一杯充满惊喜的咖啡。

图 2 咖啡中的代表性分子。除咖啡因外，还包括含硫有机化合物、醛酮类、酚类、呋喃类、吡嗪类等多种有机化合物。

控制变量并制作一杯浓缩咖啡

购买一台咖啡机在家或者在办公室方便地煮咖啡是很多人的选择。这样可以让您根据自己的喜好更好地控制咖啡的味道，并且比每天去咖啡店节省成本。令人沮丧的是，如果使用自己的咖啡机，很难与精品咖啡店的产品竞争。甚至使用相同咖啡豆的连锁咖啡店的产品之间也存在很大差距。而且，使用同一台机器、同样的咖啡豆，制作出来的咖啡味道很难稳定。

那么，有没有办法用家用咖啡机制作出一致又美味的咖啡呢？一些。对于大多数咖啡机来说，基本的咖啡产品是浓缩咖啡。经过简单的调制，意大利浓缩咖啡自然衍生出美式、拿铁等品种。因此，如果你掌握了冲泡浓缩咖啡的核心技术，你就可以在各种花式咖啡中遥遥领先。浓缩咖啡的配方非常简单。将15-22克咖啡豆磨成粉末，盖在粉碗中压实。然后用9-10bar压力将92-95℃热水注入粉碗中并收集30-60g。只需使用咖啡液即可。看来只要控制好上述的压力、温度、体积等变量，咖啡的口感和风味应该是非常稳定的。

不幸的是，精确的压力和温度控制需要复杂的机械结构和昂贵的传感器。比如，想要准确稳定地控制出水温度，就需要一个保温性能好、加热稳定的锅炉来提供热水，所以价格也只是昂贵而已。商用咖啡机可以相对准确地控制上述因素，但家用咖啡机的实际工作状态往往会因性能不足而产生相当大的偏差。但没关系，我们的咖啡机就是为我们服务而设计的。通过控制变量，我们总可以让我们的咖啡机成为制作我们自己的“特色”咖啡的工具。

2020年，俄勒冈大学的Christopher H. Hendon和朴茨茅斯大学的Jamie M. Foster在杂志上发表论文，报告了一种可以系统地优化浓缩咖啡浓度的数学模型。如图3所示，如果将浓缩咖啡的制备过程视为化学萃取过程，那么萃取发生的地方就是装满咖啡粉的粉碗，而咖啡制备过程就是从咖啡粉中提取风味成分将提取到咖啡液中的物质与干咖啡豆的重量比定义为提取率(EY)。

图3 浓缩咖啡粉碗结构及咖啡粉分布示意图

根据精品咖啡协会（SCA）的建议，浓缩咖啡的萃取率应为17-23%。当萃取率超过23%时，咖啡就会苦涩；当萃取率低于17%时，咖啡就会苦涩。咖啡可能呈酸性。显然，咖啡粉的研磨条件、萃取时热水的压力以及咖啡粉的用量都会直接影响最终的咖啡萃取率和咖啡的口感。

现在我们来制作一杯 40 克的浓缩咖啡。

首先，研磨咖啡豆。根据Hendon的模型，如图4所示，咖啡豆是用研磨机研磨的。颗粒越细，提取率越高。这很直观，因为颗粒越细，总表面积越大，越容易提取咖啡粉中的风味物质（图4C中的蓝线）。该模型还根据实际情况进行了修改，因为在实际中，随着研磨机设定的预期粒度越来越小，并不是所有的咖啡豆都能被均匀研磨，总有一些比较大的。颗粒没有研磨至所需的粒径。当用热水冲泡时，这些大颗粒与水和其他细粉的相互作用不同，形成部分堵塞的液体。 （对于部分阻塞的流体，Hendon 模型由图 4C 中的黄线表示。）

实验中，当研磨机的粒径设置得越细时，实际提取率（圆圈）越接近部分堵塞的流体；当粒径设置得较粗时，实际提取率（圆）更接近，因为部分堵塞现象不再存在。接近标准液。

图4(AB)咖啡粉的粒径分布； (C) 当萃取压力固定为 6 bar 时，咖啡粉研磨厚度与萃取率之间的关系。蓝线为标准流体模型，即颗粒越细，提取率越高；黄线是部分阻塞流体模型，即当有大大小小的咖啡粉时，流体不会均匀地流下。圆圈代表实际情况。细磨的情况下，接近黄线，粗磨的情况下，接近蓝线。

煮咖啡时的另一个关键问题是，使用多少咖啡粉？如图5所示，咖啡粉用量越大，咖啡萃取率越低。这有点违反直觉。毕竟，粉末越多，咖啡应该越浓。提取率怎么可能低呢？事实上，咖啡粉越多，浓缩咖啡就越浓；但对于咖啡粉总量来说，咖啡粉中提取物质的比例却减少了。这意味着，如果你放更多的咖啡粉，研磨到比较粗的程度，你就能得到浓郁（粉多）、酸度更高（萃取率低）的浓缩咖啡；您也可以使用相对少量的咖啡粉来制作浓缩咖啡。较淡（粉状较少）但苦的咖啡（提取率高）。

至于为什么提取率会影响风味，溶解度可能是关键因素之一。咖啡中的酸性物质，如奎尼酸，溶解度较高，因此很容易溶解，在萃取率较低时大部分会溶解；而一些苦味物质，如苯基茚满、奎尼德等溶解度较低，只有较高的提取率才能溶解。因此，低提取率往往是酸性的，而高提取率往往是苦味的。

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）； （二）压力与提取率的关系：压力越大，提取率越低（但可能会带出更多不易溶于水的风味物质）

另一个有趣的事情是提取压力、提取率和风味之间的关系。如图5(B)所示，由于咖啡液总量控制在40g，较高的萃取压力意味着水流速快，水快速流过咖啡粉，自然萃取率较低。但对于咖啡中的特殊风味物质，有的溶解度很小。它们是被流动的热水带出来的，而不是溶解的（就像洗手一样，水会带走一些污垢，而不是溶解在水中）。 ），因此在实践中较高的萃取压力往往会带来更丰富的风味，并且需要更细的咖啡粉才能达到中性的味道。

对于我们自己的家用咖啡机来说，我们已经知道了控制味道的关键。增加粉量可以提高浓度，增加压力可以提高风味的浓郁度，控制研磨粒度可以调节萃取率——当你感觉咖啡味道酸的时候，把粉磨细一点，减少量粉末；如果觉得浓度不够苦，可以增加粉量，用压力控制酸度。如果你想要特别全面的味道，你甚至可以制作两个不同参数的杯子，然后将它们混合在一起。如图6所示，我们可以使用较少的咖啡粉和较粗的研磨颗粒来获得一杯不太浓且苦味比较高的浓缩咖啡（绿点）；然后使用更多的咖啡粉和更高的研磨速度。颗粒以获得另一杯酸度和浓度更高的浓缩咖啡（紫色点）。两者混合后，就可以得到酸度和苦味相对中性的双份浓缩咖啡。

图6 将两杯紫色+绿色混合即可得到综合风味。

研磨的超级技巧

我们可能已经注意到，研磨似乎是咖啡制作中最复杂的方面。俄勒冈大学的 Christopher H. Hendon 等人在 2024 年 1 月出版的杂志上进一步讨论了研磨咖啡粉产生摩擦起电的问题。事实上，在咖啡研磨过程中，咖啡粉会因与咖啡粉之间的摩擦而带电。咖啡豆和刀片以及咖啡破碎过程中电荷分布不均匀。使用刀片摩擦充电很容易理解。由于两种物质之间的相互摩擦接触，一种物质的电子转移到另一种物质。结果是失去电子的物质带正电，获得电子的物质带负电。

值得一提的是，咖啡豆破碎的过程也会产生静电。其原理与爆炸性火山灰非常相似。如图7所示，在小颗粒水平上，当咖啡颗粒破裂时，由于共价键的断裂，其中的电子/离子将被释放，因此剩余的咖啡粉将带有正电荷或负电荷。这就是研磨过程中咖啡粉在获得细颗粒的过程中带电的主要原因。

图7 火山灰的充电和随后的凝结机理。在小颗粒层面，颗粒破裂后边缘电子被释放，使得剩余颗粒带有正电荷。

咖啡粉带电会导致咖啡粉结块，影响其粒度分布。研究人员发现，咖啡豆的品种和烘焙方法与研磨咖啡粉的电荷和粒度分布关系不大。但深度烘焙的咖啡豆带电程度相对较低，咖啡粉结块能力较弱。也许这就是为什么星巴克店使用更多深色烘焙咖啡豆的原因？

图8中，横轴代表不同咖啡豆品牌，纵轴代表咖啡粉的荷质比。灰色为第一次细磨，黑色为第二次粗磨。可以看出，粒度分布保持不变，但咖啡粉的带电状况明显改善。

另外，如果不怕麻烦的话，二次研磨可以明显减少咖啡豆的带电和结块现象。如图8所示，先进行细磨，得到较细的咖啡粉，但此时咖啡粉带电较多，结块较严重；用较粗的齿轮再次研磨。虽然这不会使咖啡粉变得更细，但可以减少咖啡粉的带电和结块。

更重要的是，增加湿度可以减少咖啡粉的带电。如图9所示，无论哪种咖啡豆，在放入研磨机之前喷洒少许水，都可以显着减少咖啡粉的带电和结块问题，提高咖啡生产的质量。这或许就是社交媒体上广泛流传的“罗斯水滴技术”（在研磨前向咖啡豆喷水，可有效减少静电飞粉）的本质原因。

图9 研磨时在咖啡豆上喷一点水，会减少咖啡粉的结块，使颗粒尺寸变小。因此，咖啡液流出速度变慢，咖啡浓度增加。

寻求科学答案

咖啡生产的研究一直是学术界关注的一个有趣领域。例如，意大利卡梅里诺大学的Sauro Vittori在2015年比较了浓缩咖啡和现煮咖啡在风味和化学成分上的差异，其中咖啡因和绿原酸含量高于浓缩咖啡，这意味着现煮咖啡可能具有更好的提神效果。如果你更喜欢从源头控制咖啡的制备，波兰波兹南理工大学的Magdalena Jeszka-Skowron在2016年发表了一篇文章，讨论了咖啡豆品种和烘焙工艺对成品咖啡豆风味成分的影响。

也许在不久的将来，当我们能够分析并轻松获得咖啡中所有的风味分子时，咖啡风味可能会更加稳定：我们选择咖啡因、单宁、各种硫醇、酚类的含量，并用程序控制定量将各种风味物质分子注入水中，加热，摇匀，送到手中。味道保持不变，并且总是可以定制，但这也许已经偏离了咖啡最初的需求——放松而不是提神。

喝这杯专属于你的定制咖啡，热情拥抱生活。

参考

[1]

[2] Cameron 等人，Matter 2, 631–648。

[3] Mendez Harper 等人，Matter 7, 266–283。

[4] Cimarelli, C.、Behnke, S.、Genareau, K. 火山电气化：最新进展和未来展望。 84, 78 (2022)。

[5] Giovanni Caprioli、Manuela Cortese、Gianni Sagratini 和 Sauro Vittori (2015) 不同类型的制备方法（浓缩咖啡和冲泡咖啡）对咖啡香气和主要生物活性成分的影响，国际食品科学与营养杂志，66:5, 505 -513，DOI：10.3109/09637486.2015.1064871

[6] Jeszka-Skowron, M., Sentkowska, A., Pyrzyńska, K. 绿原酸、咖啡因含量和绿咖啡提取物的抗氧化特性：绿咖啡豆制备的影响。 242, 1403–1409 (2016)。