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
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