如何沖出一杯完美咖啡？掌握這些方法，讓你成為咖啡大師

作者：李存普（重慶大學化工學院教授）

咖啡已成為東西方許多人的日常必需品。與傳統(tǒng)的泡茶葉飲用的茶文化不同，主流的咖啡制作過程是將咖啡豆磨成粉，然后用熱水萃取咖啡粉。

如今忙碌的上班族們不斷追求更美味、更穩(wěn)定的咖啡風味，但結(jié)果卻只能是令人滿意。本文將根據(jù)咖啡的風味、口感、濃度要求，探索精準控制咖啡風味的方法和策略，以期幫助讀者制作出一杯更穩(wěn)定、更完美的咖啡。

當我們喝咖啡時我們喝的是什么？

當我更習慣假裝的時候，我嘗試去研究圖1所示的咖啡風味輪，希望當我拿起一杯50mL剛剛經(jīng)過9bar壓力萃取的意式濃縮咖啡（“萃取”在化學中多用于指液/液溶解分離，咖啡是“固-液”萃取，“浸出”主要在化學中用來表達。）時，能快速吸進嘴里，并得出諸如“前調(diào)有堅果和黑巧克力的味道，基調(diào)有明顯的柑橘味”這樣的結(jié)論。

圖1 常見咖啡風味輪

但現(xiàn)在，我就喜歡提前點一杯苦如人生的冰鎮(zhèn)美式咖啡，一口氣喝完。拋開復雜的咖啡風味輪可能不是每個人都能分辨出來的，咖啡本身的味道的確是復雜而誘人的，因為咖啡液中含有2000多個分子。如圖2所示，除了最直接需要的咖啡因分子外，各種芳香族分子、有機酸分子、碳水化合物、脂質(zhì)等共同構(gòu)成了咖啡的風味。比如異丁醛提供辛辣口感，乙醛帶來果香，呋喃酮讓咖啡產(chǎn)生甜味，吡嗪給咖啡帶來泥土味等等。這些酸味、苦味、澀味、果味，以及一些酯類提供的爽滑口感，共同構(gòu)成了咖啡的風味。咖啡豆品種和產(chǎn)地的差異自然是不言而喻的。 各類咖啡豆的處理方式，如水洗、日曬、烘焙溫度和時間、發(fā)酵程度等，都會影響咖啡豆中的各種成分及其比例。這在精品咖啡館尤為重要——很多特殊的豆子搭配上技藝嫻熟的咖啡師，才能讓我們喝到一杯充滿驚喜的咖啡。

圖 2 咖啡中的代表性分子。除咖啡因外，還有許多其他有機化合物，包括含硫有機化合物、醛和酮、酚、呋喃和吡嗪。

控制變量，制作一杯好意式濃縮咖啡

很多人選擇購買咖啡機，就是為了隨時在家或者辦公室沖泡咖啡。這樣可以更好地根據(jù)自己的喜好調(diào)整咖啡的口味，也比每天去咖啡店更劃算。讓人無奈的是，用咖啡機沖泡出來的咖啡肯定很難和精品咖啡店的產(chǎn)品相比，甚至和使用同種咖啡豆的連鎖咖啡店的產(chǎn)品相比，差距也很大。而且，使用同樣的機器、同樣的咖啡豆，咖啡的味道很難穩(wěn)定。

那么，有沒有辦法用家用咖啡機做出穩(wěn)定好喝的咖啡呢？有。對于大多數(shù)咖啡機來說，基本的咖啡產(chǎn)品就是意式濃縮咖啡，經(jīng)過簡單的調(diào)制，意式濃縮咖啡自然衍生出美式咖啡、拿鐵等品種。因此，掌握了制作意式濃縮咖啡的核心技術(shù)，在各類花式咖啡中就能遙遙領(lǐng)先。意式濃縮咖啡的制作方法很簡單，將15-22g咖啡豆研磨成粉，鋪在粉碗中壓實，然后利用9-10bar壓力將92-95℃熱水注入粉碗，收集30-60g咖啡液即可。看來只要控制好上述壓力、溫度、體積等變量，咖啡的口感和風味應該會很穩(wěn)定。

不幸的是，精確的壓力和溫度控制需要復雜的機械結(jié)構(gòu)和昂貴的傳感器。例如，如果要精確穩(wěn)定地控制出水溫度，就需要一個保溫性好、加熱穩(wěn)定的鍋爐來提供熱水。因此，只有昂貴的商用咖啡機才能相對準確地控制上述因素。家用咖啡機的實際工作狀態(tài)往往會因性能不足而出現(xiàn)明顯偏差。但沒關(guān)系。你自己的咖啡機就是為你服務的。通過控制變量，我們總能讓自己家的咖啡機成為制作“特別”咖啡的得力工具。

2020年，俄勒岡大學的Christopher H. Hendon和樸茨茅斯大學的Jamie M. Foster在期刊上發(fā)表了一篇論文，報道了一種可以系統(tǒng)地優(yōu)化濃縮咖啡的數(shù)學模型。如圖3所示，如果將濃縮咖啡的制作過程看作是一個化學萃取過程，那么萃取發(fā)生的場所就是盛有咖啡粉的粉碗，而咖啡的制作過程就是將咖啡粉中的風味成分萃取到咖啡液中。萃取到咖啡液中的物質(zhì)與干咖啡豆的重量比定義為萃取率（EY）。

圖3 意式咖啡粉碗結(jié)構(gòu)示意圖及咖啡粉分布

根據(jù)精品咖啡協(xié)會（SCA）的建議，濃縮咖啡的萃取率應為17-23%。萃取率超過23%時，咖啡會偏苦；萃取率低于17%時，咖啡會偏酸。顯然，咖啡粉的研磨、萃取時熱水的壓力、咖啡粉的用量都會直接影響咖啡最終的萃取率，以及咖啡的口感。

現(xiàn)在我們來制作一杯40克的濃縮咖啡。

第一步是研磨咖啡豆。根據(jù)亨頓的模型，如圖4所示，磨豆機研磨的咖啡豆顆粒越細，萃取率就越大。這是直觀的，因為顆粒越細，總表面積越大，越容易萃取出咖啡粉中的風味物質(zhì)（圖4C中的藍線）。該模型也會根據(jù)實際情況進行修改，因為在實踐中，隨著磨豆機設(shè)定的期望粒度越來越小，并不是所有的咖啡豆都能被研磨均勻，總有一些相對較大的顆粒沒有研磨到期望的粒度。在用熱水沖泡時，這些大顆粒與水和其他細粉會以不同的方式相互作用，形成部分堵塞的流體。（對于部分堵塞的流體，亨頓模型用圖4C中的黃線表示。）

實驗中，當研磨機設(shè)定為較細的粒度時，實際提取率（圓圈）更接近于部分堵塞流體；當研磨機設(shè)定為較粗的粒度時，部分堵塞現(xiàn)象不再存在，實際提取率（圓圈）更接近于標準流體。

圖4 (AB)咖啡粉的粒徑分布；(C)萃取壓力固定為6bar時，咖啡粉研磨粗細度與萃取率的關(guān)系。藍線為標準流體模型，即顆粒越細，萃取率越高；黃線為部分阻塞流體模型，即當咖啡粉有大有小時，流體會流動不均勻。圓圈為實際情況，細磨時接近黃線，粗磨時接近藍線。

制作咖啡的另外一個關(guān)鍵問題是，應該使用多少咖啡粉？如圖5所示，咖啡粉的量越大，咖啡的萃取率越低。這有點違反直覺，畢竟咖啡粉越多，咖啡應該越濃才對。萃取率怎么可能更低呢？事實上，咖啡粉越多，濃縮咖啡就越濃；但對于所有的咖啡粉??來說，萃取物質(zhì)在咖啡粉中的比例是下降的。這意味著，如果你放更多的咖啡粉，并且研磨得相對粗一些，你可以得到一杯濃郁（咖啡粉較多）且略帶酸味（萃取率低）的濃縮咖啡；你也可以用相對較少的咖啡粉，做出一杯口味較淡（咖啡粉較少）但苦澀的咖啡（萃取率高）。

至于萃取率為何會影響風味，溶解度可能是關(guān)鍵因素之一。咖啡中的酸性物質(zhì)，比如奎寧酸，溶解度很高，所以很容易溶解，在較低的萃取率下大部分都會溶解；而一些苦味物質(zhì)，比如苯基茚滿和奎尼丁，溶解度很低，需要較高的萃取率才能溶解。所以，萃取率低則酸性更強，萃取率高則苦味更強。

圖5 （A）粉量與萃取率的關(guān)系：粉量越多，萃取率越低（但咖啡可能更濃）；（B）壓力與萃取率的關(guān)系：壓力越大，萃取率越低（但可能帶出更多不易溶于水的風味物質(zhì)）

另外一個有意思的，是萃取壓力、萃取率與風味之間的關(guān)系。如圖5(B)所示，由于咖啡液總量控制在40g，萃取壓力越高意味著水流速度越快，水流過咖啡粉的速度很快，萃取率自然就低。但是對于咖啡中特殊的風味物質(zhì)，有些溶解度很低，它們被流過的熱水帶出來而不是被溶解（就像洗手一樣，水會帶走一些污垢而不是溶解在水中），所以在實際操作中，較高的萃取壓力往往帶來更濃郁的口感，而需要更細的咖啡粉才能獲得中性的味道。

對于我們自己家用的咖啡機，我們掌握了調(diào)控口味的關(guān)鍵。增加粉量可以增加濃度，增加壓力可以增加口味的濃郁度，控制研磨顆粒大小可以調(diào)控萃取率——當咖啡味道偏酸時，將粉磨得更細，減少粉量；如果濃度不夠苦，增加粉量，用壓力來控制酸度。如果想要特別全面的風味，甚至可以制作兩杯不同參數(shù)的咖啡，然后混合在一起。如圖6所示，我們可以用較少的咖啡粉和較粗的研磨顆粒得到一杯不太濃且苦味比例較高的濃縮咖啡（綠點）；而用更多的咖啡粉和更高的研磨顆粒得到另一杯酸度和濃度更高的濃縮咖啡（紫點）。將兩者混合后，就可以得到一杯酸度和苦味相對中性的雙份濃縮咖啡。

圖6 將兩杯紫色和綠色混合在一起可以獲得綜合風味

研磨的超級秘密

我們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，研磨似乎是咖啡制作中最難控制的一個環(huán)節(jié)。俄勒岡大學的 Christopher H. Hendon 等人在 2024 年 1 月發(fā)表的期刊中進一步討論了咖啡粉因研磨而摩擦帶電的問題。其實，在咖啡研磨過程中，咖啡粉會因為咖啡豆與刀片的摩擦、咖啡裂解過程中電荷分布不均等原因而帶電。與刀片的摩擦帶電很容易理解，是由于兩種物質(zhì)相互摩擦接觸，一種物質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)上，結(jié)果失去電子的物質(zhì)帶正電，而獲得電子的物質(zhì)帶負電。

值得一提的是，咖啡豆裂解的過程也會產(chǎn)生靜電，其原理與火山灰爆炸帶電十分相似。如圖7所示，在小顆粒層面，當咖啡顆粒裂解時，由于共價鍵的斷裂，其中的電子/離子會被釋放出來，因此剩下的咖啡粉會帶有正電荷或負電荷。這也是咖啡粉在研磨過程中帶電以獲得細小顆粒的主要原因。

圖7 火山灰?guī)щ娂半S后的凝聚機理。在小顆粒層面，顆粒裂解后邊緣電子被釋放，使得剩余顆粒帶正電荷。

咖啡粉的電荷會導致粉末結(jié)塊，影響其粒度分布。研究人員發(fā)現(xiàn)，咖啡豆的品種、烘焙方式和研磨咖啡粉的電荷和粒度分布關(guān)系不大，但深度烘焙的咖啡豆相對帶電較少，咖啡粉的結(jié)塊較少。這或許也是星巴克使用深度烘焙咖啡豆較多的原因吧？

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。灰色為第一次細磨，黑色為第二次粗磨。可以看出粒度分布保持不變，但咖啡粉的電荷明顯提高。

另外，如果不嫌麻煩的話，二次研磨可以明顯減少咖啡豆的帶電與結(jié)塊。如圖8所示，第一次細磨會得到更細的咖啡粉，但咖啡粉帶電與結(jié)塊較多；然后再用較粗的齒輪研磨一次，不會讓咖啡粉變得更細，但可以減少咖啡粉的帶電與結(jié)塊。

更重要的是，增加濕度可以降低咖啡粉的帶電性。如圖9所示，無論何種咖啡豆，在放入磨豆機前噴灑少許水，都能明顯降低咖啡粉的帶電性與結(jié)塊性，提升咖啡品質(zhì)。這或許就是社交媒體上廣為流傳的“羅斯水滴技術(shù)”技術(shù)的本質(zhì)原因（磨豆前在咖啡豆上噴灑水，可有效減少靜電飛粉）。

圖9 研磨過程中在咖啡豆上噴灑少量水，可減少咖啡粉的聚集，使顆粒尺寸更細。因此，咖啡液的流速減慢，咖啡濃度增加

尋求科學答案

咖啡的制作研究一直是學術(shù)界關(guān)注的有趣領(lǐng)域。例如，2015 年，意大利卡梅里諾大學的 Sauro Vittori 比較了濃縮咖啡和現(xiàn)煮咖啡在風味和化學成分方面的差異。現(xiàn)煮咖啡的咖啡因和綠原酸含量高于濃縮咖啡，這意味著現(xiàn)煮咖啡可能具有更好的提神效果。如果想從源頭控制咖啡的制備，波蘭波茲南理工大學的 Magdalena Jeszka-Skowron 在 2016 年發(fā)表了一篇文章，討論了咖啡豆品種和烘焙工藝對成品咖啡豆風味成分的影響。

或許在不久的將來，當我們能夠分析并輕易獲得咖啡中所有的風味分子時，我們做出的咖啡的風味或許會更加穩(wěn)定：我們精選咖啡因、單寧酸、各種硫醇、酚的用量，用程序控制將各種風味分子定量注入水中，加熱搖勻，然后送到你的手中。味道永遠保持不變，永遠可以定制，但或許這已經(jīng)背離了咖啡最初的訴求——放松而非提神。

喝下這杯只屬于你自己的定制咖啡，熱情擁抱生活。

參考

[1]

[2] Cameron 等人，第 2 條，631–648 頁。

[3] Mendez Harper 等人，《Matter 7》，第 266-283 頁。

[4] Cimarelli, C.、Behnke, S.、Genareau, K. 火山起電：最新進展和未來展望。84, 78 (2022)。

[5] Giovanni Caprioli、Manuela Cortese、Gianni Sagratini 和 Sauro Vittori (2015) 不同類型的沖泡方式（濃縮咖啡和沖泡咖啡）對咖啡香氣和主要生物活性成分的影響，國際食品科學與營養(yǎng)雜志，66:5, 505-513，DOI：10.3109/09637486.2015.1064871

[6] Jeszka-Skowron，M.，Sentkowska，A.，Pyrzyńska，K. 綠咖啡提取物的綠原酸、咖啡因含量和抗氧化特性：綠咖啡豆制備的影響。242，1403–1409 (2016)。