从科学的角度看咖啡萃取

咖啡萃取的过程相当复杂。所以一直以来，稳定地萃取高品质的咖啡，更多的被认为是一门（搞不懂的）艺术，而不是（可以厘清的）科学。这种缺乏可复制性是发展可持续商业模式的一个重要瓶颈。

咖啡的萃取是“从种子到杯子”，面向消费群体的最后一步，对杯中呈现咖啡质量的评价，既包含主观因素，也包含客观因素。主观因素是指消费者的个人感知，客观因素包括萃取的物理化学和咖啡的感官特性。

关于咖啡的萃取，许多学者做了大量的工作，试图从科学的角度解读这一庞大的课题。本篇阅读笔记基于一篇综述文章：

Córdoba,N. et al. Coffee extraction:A review of parameters and their influence on the physicochemical characteristics and flavour of coffee brews. Trends in Food Science & Technology (2020), https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.12.004.

1 萃取过程

咖啡的萃取率，物理化学和风味特征取决于大量的工艺变量。

咖啡的风味与咖啡生豆中的化学物质（前驱体）有关。这些物质在烘焙过程中转化为挥发性和非挥发性化合物。

许多化合物被萃取到咖啡中，其萃取率与萃取参数密切相关，包括粒径、萃取时间、压力、温度、水质、粉水比和萃取方法。

咖啡萃取过程中的主要参数及其与咖啡的理化特性和风味特征的关系图：咖啡生豆，烘焙程度和主要工艺变量

1.1 萃取方法

萃取方法可以根据萃取工具和影响最终风味的关键工艺参数进行分类。

咖啡的萃取方法可大致分为三大类：煎煮法、注入法和压力法。

1.2 萃取方法的研究趋势

在咖啡萃取研究的文献中，最多的是关于意式浓缩（压力法）和过滤法（注入法）的研究。

关于意式浓缩咖啡的研究，主要集中在不同的萃取参量，例如：温度，萃取时间，烘焙度，压力，粉水比，水质和研磨度，这些参量对物理化学特性及芳香化合物形成的影响。

也有些一些研究开始关注冷萃咖啡，由于萃取时间和温度参量的独特性，冷萃咖啡通常具有典型的甜感和巧克力味。

2 咖啡萃取的物理化学特性

2.1 总固体物质和萃取率

总固体物质（Total solids）是咖啡中存在的物质，其总浓度通常被消费者感知为“强度”。

总溶解固体（Total dissolved solid, TDS）比例是指咖啡中溶解物质质量占咖啡总质量的比例。

萃取率（Extraction yield ，EY）是指萃取的咖啡溶质质量与使用的咖啡粉质量之比。

EY 和TDS 通常以百分比的形式来表示。

咖啡中固体的化学成分依据咖啡生豆质量、烘焙过程和萃取方法而变化。

2.2 PH值和总酸度

PH值的测量量化了水溶液中氢离子的浓度。总可滴定酸度(总酸度)是对样品中所有酸性质子的测量。总酸度和PH值已被广泛用于通过感知酸度来表征咖啡的特性。

尽管人们已经做了很多努力来理解PH值、可滴定酸度和可感知酸度之间的关系，但仍然难达到共识。这是因为咖啡酸度的变化很小，最常用的酸度测量方法无法检测到微小的变化。

关于酸度感知，酸和味蕾之间的相互作用还不完全清楚。感知到的酸度可能与其他感官属性重叠。并且一些环境因素也会影响到感知，例如温度会影响到酸的感知。

2.3 非挥发性化合物

油脂对咖啡萃取风味中起着重要作用，因为它们形成的乳状液保留了芳香化合物，并且它们改善了咖啡的质感。

多糖锁住香气，稳定泡沫，增加萃取物粘度。

绿原酸在咖啡中的含量很高(尽管具有热不稳定性)，它是咖啡作为功能性饮品的主要成分，具有抗氧化能力、抗炎作用、抗高压和抗突变特性。

咖啡中的酸与涩味、苦味和酸度有关。咖啡酰奎宁酸和阿魏酰奎宁酸含量较高时，会带来不愉悦的风味。绿原酸是酚和邻苯二酚的前驱体，在烘焙过程中产生，在萃取造过程中会形成令人不快的气味。

含氮化合物中，咖啡因和葫芦巴碱对咖啡苦味的贡献占比分别为10-30%和1%。其他的含氮化合物，包括一些呋喃-2-基甲基苯二醇和三醇，也对咖啡的苦涩味有贡献。

2.4 挥发性化合物

咖啡中的挥发性化合物含量也取决于萃取过程。

关于挥发性化合物的研究中，报道最多的是吡嗪(pyrazines)、呋喃(furans)、醛(aldehydes)、酮(ketones)和吡咯(pyrroles)。

尽管这些化合物与人们所感知的咖啡风味没有直接关系，但人们发现，当浓度高于气味阈值时，它们会影响特定的气味。

报道的各种挥发性化合物占比

3 萃取参数对风味品质的影响

3.1 萃取时间

萃取时间是影响萃取的关键因素。

不同物质的萃取效率不同，会在不同的阶段被萃取出来：萃取初期，糖，有机酸和咖啡因被高效萃取；经过较长时间（或注入较多水量后），一些不易溶解的物质才被萃取出来。

萃取动力学，不仅取决于化合物的溶解度和挥发性，也取决于化合物的极性。

萃取时间会影响到己醛和甲硫醇的浓度，己醛与青草味（green）相关，甲硫醇与卷心菜、奶酪、大蒜、硫磺味相关。

一些研究结果

[浓缩咖啡]

● 最初的8秒, 超过70%的抗氧化剂（二咖啡酰奎宁酸除外）被萃取出来；

● 10秒内，95% 的挥发性化合物（VOCs）被萃取出来。

[滴滤咖啡]

● 2分钟内，咖啡粉中迅速释放可溶性物质，萃取率可达18-22%；

● 5分钟后，萃取出80%以上的可溶性物质。

[冷萃咖啡]

● 最初的180分钟，3-CGA（绿原酸）和咖啡因浓度迅速升高；

● 接近400分钟时，3-CGA和咖啡因浓度达到平衡。

3.2 水温

水温是萃取的驱动力。

高水温：水分子的动能更高，流动性增加，萃取出化合物的可能性更大，同时挥发性有机物释放。

低水温：浓度、萃取率和总固体含量更低；利于高极性化合物的萃取；其他化合物的萃取需要更长的接触时间。

一些研究结果

● 温度从88 增加到98℃，利于油脂的提取。

● 递增梯度温度(88-93℃)：增加了咖啡因、几种酸性化合物和绿原酸的提取，苦涩平衡，油脂颜色好，香气强度、醇厚度与风味有较好的平衡。

3.3 压力

流体中的压力场产生势能，转化为动能，使流体加速，将微米级固体颗粒或油滴打入杯内，很大程度上会改变咖啡的感官特性。

与低压/无压萃取相比：

芳香化合物不易挥发，在杯中的含量更高。压力是形成泡沫和油脂的条件: 当施加压力时，咖啡粉中的二氧化碳被迫进入水中；溶解的二氧化碳被缓慢地释放；随后在顶部形成致密稳定的油脂。

在意式浓缩咖啡的萃取过程中，通常采用7-9bar的压力，92℃的水温，在这样的萃取条件下，几种生物活性物质（例如咖啡因，胡卢巴碱和烟酸）得到有效提取。在9bar的条件下萃取的咖啡，泡沫稠度和香气强度高。

尽管将萃取压力提升到11bar, 可以增加粘性、醇厚度度和气味强度，但是消费者的接受度较低。

3.4 粉水比

粉水比是咖啡粉重量与冲泡用水重量之比。

不恰当的粉水比可能造成萃取不足，较弱的风味，或过萃的苦味。

当粉量过大时，润湿过程中咖啡粉不能充分膨胀，并且粉层过密会影响渗流，使得固形物沉积。较低的渗透性，伴随着较高的萃取压力，较低的流速，更长的萃取时间，可能导致过萃。

3.5 研磨度

咖啡颗粒大小决定了一些化合物的萃取率，确定了咖啡的最终风味。

3.6 水质

咖啡中的风味化合物以非质子、电荷中性物质、酸和共轭盐的形式存在。水中溶解的矿物质含量会影响这些有机分子的溶解和萃取。

水中Na+、Mg2+和Ca2+浓度不同，化合物的萃取速度不同。

关于浓缩咖啡的最新研究结果表明，水中自然存在的碳酸氢根离子提供了额外的二氧化碳来源，可用于泡沫的形成。

计算化学的结果表明：

● 富Mg2+的水，利于咖啡成分的萃取；

● 对于浅烘的咖啡，要达到最佳的风味平衡，Ca2+和Mg2+都是必须的。

3.7 物理和传输现象

研究咖啡萃取过程的物理和传输现象，通常有两类模型：

● 多孔粉床的流动模型

● 特定化合物（通常是咖啡因）的传质模型

现有的模型并不能建立萃取参数与风味或感官特征之间的直接关联。

总结和展望

关于咖啡的萃取，有很多关于香气与挥发性有机化合物关系的研究。

还有研究结果表明，一些非挥发性化合物，如咖啡因、胡卢巴碱、绿原酸和黑色素，与咖啡的苦涩有关。

脂类和一些多糖与质构特性（醇厚度和余韵）有关。

咖啡的可滴定度和可感知的酸度之间，以及咖啡的化学成分和咖啡的甜度之间，都没有明确的关系。

咖啡的萃取过程是一个非常复杂的操作，因为一些变量对咖啡的化学成分和感官特征有直接影响。

尽管咖啡的萃取过程很复杂，但对物理、流体力学和质量/热量传递现象的研究,可以为萃取与影响咖啡感官特征的化学成分之间的联系提供有价值的见解。

进一步的研究将结合新的工具和应用知识，用于开发可复制、成本效益高、质量高的咖啡饮品，最大限度地满足消费者需求，促进消费。

作者：疯人院中中

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