從科學的角度看咖啡萃取

咖啡萃取的過程相當複雜。所以一直以來,穩定地萃取高品質的咖啡,更多的被認為是一門(搞不懂的)藝術,而不是(可以釐清的)科學。這種缺乏可複制性是發展可持續商業模式的一個重要瓶頸。

咖啡的萃取是“從種子到杯子”,面向消費群體的最後一步,對杯中呈現咖啡質量的評價,既包含主觀因素,也包含客觀因素。主觀因素是指消費者的個人感知,客觀因素包括萃取的物理化學和咖啡的感官特性。

關於咖啡的萃取,許多學者做了大量的工作,試圖從科學的角度解讀這一龐大的課題。本篇閱讀筆記基於一篇綜述文章:

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.

20200531_013021466_iOS
1 萃取過程

咖啡的萃取率,物理化學和風味特徵取決於大量的工藝變量。

咖啡的風味與咖啡生豆中的化學物質(前驅體)有關。這些物質在烘焙過程中轉化為揮發性和非揮發性化合物。

許多化合物被萃取到咖啡中,其萃取率與萃取參數密切相關,包括粒徑、萃取時間、壓力、溫度、水質、粉水比和萃取方法。

咖啡萃取過程中的主要參數及其與咖啡的理化特性和風味特徵的關係圖:咖啡生豆,烘焙程度和主要工藝變量

20200531_013024418_iOS

1.1 萃取方法

萃取方法可以根據萃取工具和影響最終風味的關鍵工藝參數進行分類。

咖啡的萃取方法可大致分為三大類:煎煮法、注入法和壓力法。

20200531_013027463_iOS

1.2 萃取方法的研究趨勢

在咖啡萃取研究的文獻中,最多的是關於意式濃縮(壓力法)和過濾法(注入法)的研究。

關於意式濃縮咖啡的研究,主要集中在不同的萃取參量,例如:溫度,萃取時間,烘焙度,壓力,粉水比,水質和研磨度,這些參量對物理化學特性及芳香化合物形成的影響。

也有些一些研究開始關注冷萃咖啡,由於萃取時間和溫度參量的獨特性,冷萃咖啡通常具有典型的甜感和巧克力味。

2 咖啡萃取的物理化學特性

20200531_013030658_iOS

2.1 總固體物質和萃取率

總固體物質(Total solids)是咖啡中存在的物質,其總濃度通常被消費者感知為“強度”。

總溶解固體(Total dissolved solid, TDS)比例是指咖啡中溶解物質質量佔咖啡總質量的比例。

萃取率(Extraction yield ,EY)是指萃取的咖啡溶質質量與使用的咖啡粉質量之比。

EY 和TDS 通常以百分比的形式來表示。

咖啡中固體的化學成分依據咖啡生豆質量、烘焙過程和萃取方法而變化。

2.2 PH值和總酸度

PH值的測量量化了水溶液中氫離子的濃度。總可滴定酸度(總酸度) 是對樣品中所有酸性質子的測量。總酸度和PH值已被廣泛用於通過感知酸度來表徵咖啡的特性。

儘管人們已經做了很多努力來理解PH值、可滴定酸度和可感知酸度之間的關係,但仍然難達到共識。這是因為咖啡酸度的變化很小,最常用的酸度測量方法無法檢測到微小的變化。

關於酸度感知,酸和味蕾之間的相互作用還不完全清楚。感知到的酸度可能與其他感官屬性重疊。並且一些環境因素也會影響到感知,例如溫度會影響到酸的感知。

20200531_013034913_iOS

2.3 非揮發性化合物

油脂對咖啡萃取風味中起著重要作用,因為它們形成的乳狀液保留了芳香化合物,並且它們改善了咖啡的質感。

多醣鎖住香氣,穩定泡沫,增加萃取物粘度。

綠原酸在咖啡中的含量很高(儘管具有熱不穩定性),它是咖啡作為功能性飲品的主要成分,具有抗氧化能力、抗炎作用、抗高壓和抗突變特性。

咖啡中的酸與澀味、苦味和酸度有關。咖啡酰奎寧酸和阿魏酰奎寧酸含量較高時,會帶來不愉悅的風味。綠原酸是酚和鄰苯二酚的前驅體,在烘焙過程中產生,在萃取造過程中會形成令人不快的氣味。

含氮化合物中,咖啡因和葫蘆巴鹼對咖啡苦味的貢獻佔比分別為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,也對咖啡的苦澀味有貢獻。

2.4 揮發性化合物

咖啡中的揮發性化合物含量也取決於萃取過程。

關於揮發性化合物的研究中,報導最多的是吡嗪(pyrazines)、呋喃(furans)、醛(aldehydes)、酮(ketones)和吡咯(pyrroles)。

儘管這些化合物與人們所感知的咖啡風味沒有直接關係,但人們發現,當濃度高於氣味閾值時,它們會影響特定的氣味。

報導的各種揮發性化合物佔比

20200531_013039080_iOS

3 萃取參數對風味品質的影響

3.1 萃取時間

萃取時間是影響萃取的關鍵因素。

不同物質的萃取效率不同,會在不同的階段被萃取出來:萃取初期,糖,有機酸和咖啡因被高效萃取;經過較長時間(或註入較多水量後),一些不易溶解的物質才被萃取出來。

萃取動力學,不僅取決於化合物的溶解度和揮發性,也取決於化合物的極性。

萃取時間會影響到己醛和甲硫醇的濃度,己醛與青草味(green)相關,甲硫醇與捲心菜、奶酪、大蒜、硫磺味相關。

20200531_013043567_iOS
一些研究結果

[濃縮咖啡]

● 最初的8秒, 超過70%的抗氧化劑(二咖啡酰奎寧酸除外)被萃取出來;

● 10秒內,95% 的揮發性化合物(VOCs)被萃取出來。

[滴濾咖啡]

● 2分鐘內,咖啡粉中迅速釋放可溶性物質,萃取率可達18-22%;

● 5分鐘後,萃取出80%以上的可溶性物質。

[冷萃咖啡]

● 最初的180分鐘,3-CGA(綠原酸)和咖啡因濃度迅速升高;

● 接近400分鐘時,3-CGA和咖啡因濃度達到平衡。

3.2 水溫

水溫是萃取的驅動力。

高水溫:水分子的動能更高,流動性增加,萃取出化合物的可能性更大,同時揮發性有機物釋放。

低水溫:濃度、萃取率和總固體含量更低;利於高極性化合物的萃取;其他化合物的萃取需要更長的接觸時間。

一些研究結果
● 溫度從88 增加到98℃,利於油脂的提取。

● 遞增梯度溫度(88-93℃):增加了咖啡因、幾種酸性化合物和綠原酸的提取,苦澀平衡,油脂顏色好,香氣強度、醇厚度與風味有較好的平衡。

3.3 壓力

流體中的壓力場產生勢能,轉化為動能,使流體加速,將微米級固體顆粒或油滴打入杯內,很大程度上會改變咖啡的感官特性。

與低壓/無壓萃取相比:

芳香化合物不易揮發,在杯中的含量更高。壓力是形成泡沫和油脂的條件:當施加壓力時,咖啡粉中的二氧化碳被迫進入水中;溶解的二氧化碳被緩慢地釋放;隨後在頂部形成緻密穩定的油脂。

在意式濃縮咖啡的萃取過程中,通常採用7-9bar的壓力,92℃的水溫,在這樣的萃取條件下,幾種生物活性物質(例如咖啡因,胡盧巴鹼和菸酸)得到有效提取。在9bar的條件下萃取的咖啡,泡沫稠度和香氣強度高。

儘管將萃取壓力提升到11bar,可以增加粘性、醇厚度度和氣味強度,但是消費者的接受度較低。

3.4 粉水比

粉水比是咖啡粉重量與沖泡用水重量之比。

不恰當的粉水比可能造成萃取不足,較弱的風味,或過萃的苦味。

當粉量過大時,潤濕過程中咖啡粉不能充分膨脹,並且粉層過密會影響滲流,使得固形物沉積。較低的滲透性,伴隨著較高的萃取壓力,較低的流速,更長的萃取時間,可能導致過萃。

3.5 研磨度

咖啡顆粒大小決定了一些化合物的萃取率,確定了咖啡的最終風味。

20200531_013047654_iOS
3.6 水質

咖啡中的風味化合物以非質子、電荷中性物質、酸和共軛鹽的形式存在。水中溶解的礦物質含量會影響這些有機分子的溶解和萃取。

水中Na+、Mg2+和Ca2+濃度不同,化合物的萃取速度不同。

關於濃縮咖啡的最新研究結果表明,水中自然存在的碳酸氫根離子提供了額外的二氧化碳來源,可用於泡沫的形成。

計算化學的結果表明:

● 富Mg2+的水,利於咖啡成分的萃取;

● 對於淺烘的咖啡,要達到最佳的風味平衡,Ca2+和Mg2+都是必須的。

20200531_013051850_iOS
3.7 物理和傳輸現象

研究咖啡萃取過程的物理和傳輸現象,通常有兩類模型:

● 多孔粉床的流動模型

● 特定化合物(通常是咖啡因)的傳質模型

現有的模型並不能建立萃取參數與風味或感官特徵之間的直接關聯。

總結和展望

關於咖啡的萃取,有很多關於香氣與揮發性有機化合物關係的研究。

還有研究結果表明,一些非揮發性化合物,如咖啡因、胡盧巴鹼、綠原酸和黑色素,與咖啡的苦澀有關。

脂類和一些多醣與質構特性(醇厚度和余韻)有關。

咖啡的可滴定度和可感知的酸度之間,以及咖啡的化學成分和咖啡的甜度之間,都沒有明確的關係。

咖啡的萃取過程是一個非常複雜的操作,因為一些變量對咖啡的化學成分和感官特徵有直接影響。

儘管咖啡的萃取過程很複雜,但對物理、流體力學和質量/熱量傳遞現象的研究,可以為萃取與影響咖啡感官特徵的化學成分之間的聯繫提供有價值的見解。

進一步的研究將結合新的工具和應用知識,用於開發可複制、成本效益高、質量高的咖啡飲品,最大限度地滿足消費者需求,促進消費。

文章來源於coffee瘋人院 ,作者瘋人院中中

發表迴響

在下方填入你的資料或按右方圖示以社群網站登入:

WordPress.com 標誌

您的留言將使用 WordPress.com 帳號。 登出 /  變更 )

Google photo

您的留言將使用 Google 帳號。 登出 /  變更 )

Twitter picture

您的留言將使用 Twitter 帳號。 登出 /  變更 )

Facebook照片

您的留言將使用 Facebook 帳號。 登出 /  變更 )

連結到 %s