如何制作一杯让打工人温暖的咖啡?来用这些科学方法(怎样制作一杯好喝的咖啡)-尊龙游戏旗舰厅官网

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。

撰文 | 李存璞重庆大学化学化工学院教授)

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。品鉴时,少了吐茶叶入杯的老干部姿态,多了吞残留咖啡粉入口的社畜风采。

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。

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当我们喝咖啡时,我们在喝什么

在我还比较习惯惺惺作态的时候,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9bar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跟生活一样苦的冰美式,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。

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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。(口味无法预测的咖啡,加上变脸比川剧还快的领导,让社畜们的生活雪上加霜。)

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9-10bar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,美国俄勒冈大学的christopher h. hendon和朴次茅斯大学的jamie m. foster在matter杂志发表论文,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。比自己的生活更苦,比看别人的年终奖更酸。

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。

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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christopher h. hendon等人在2024年1月出版的matter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。这也许就是星巴克店里用深度烘培豆子偏多的原因?

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

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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sauro vittori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的magdalena jeszka‑skowron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

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品:中国科协科普部

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