咖啡用水專業指南,看完更懂沖煮!

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咖啡行業的科學研究集中在兩個方向。第一.科技提高設備的精準性,生產效率,人工智能,人機互動;第二.加強基礎領域的研究,產地品種開發,種植加工處理科學化,可追踪性數據收集,處理與交換等等,對水的研究與探討也是基礎研究領域之一。

隨著以科學為基礎的專業資訊的不斷出現,比如SCA的Water Quality Handbook , Maxwell Colonna-Dashwood和Christopher Hendon合作的Water for Coffee,咖啡師和烘焙師比以往更加意識到水在咖啡質量中的關鍵作用。

正文

我們不僅僅是列出水的分子式,而且要通過宣傳水的重要性來嘗試發現各種有啟發性(利用和改進水)可能性。因此,我和一些同事一直在擺弄水。

本文分兩部分,第一部分將鞏固一些水的基礎知識。我們還將介紹一些測試和準備水的實用方法。

水構成

水分子的構成比較簡單H2O(一個氧原子與兩個氫原子)。看似簡單的水為各種複雜的化學反應提供了場所。

酸化和碳酸氫鹽

水的複雜性的一個重要例子可以從它的分子結構看出。(一個水分子中2個氫原子和1個氧原子通過化學鍵的共價鍵結合),水的原子之間的結合有弱點(水分子中的氫原子和氧原子之間存在化學鍵,即二者相鄰並存在強烈的相互作用,而兩個氫原子之間及水分子和水分子之間不存在化學鍵)。

比如,當水接觸到大氣中的二氧化碳時,就會形成碳酸(H2CO3)。這也是一些牙醫告誡不要喝太多碳酸飲料(二氧化碳+水)的部分原因;它是酸性飲料(雪碧PH3.3)高酸度飲料溶解牙釉質使牙齒變脆。

這僅僅是碳酸氫鹽循環過程的第一步。人體血液中含有酸鹼緩衝物質,如碳酸和碳酸氫鹽;當血液中酸鹼度發生變化時,緩衝物質就阻礙其變化以達到維持機體酸鹼平衡的作用-讓你健康的活著。

碳酸氫鹽循環過程中,碳酸中帶正電的氫離子(H+)“離解”,留下帶負電的碳酸氫鹽(HCO3 -)。人體血液主要通過碳酸氫鹽緩衝體系抵消少量的酸,少量的酸進入血液(不如說少量的氫離子(H+),酸的必要成分),此時血液裡碳酸氫鹽HCO3-就會與氫離子H+結合生成碳酸,碳酸分解成二氧化碳與水,二氧化碳由人體的循環系統及呼吸系統排出去。

當少量的鹼進入血液(OH-氫氧根離子,鹼的主要成分),此時由碳酸(H2CO3)中和它們,生成HCO3-與水。這樣維持人體酸鹼平衡。

水中的碳酸氫鹽根(HCO3 -)濃度可以被視為碳酸氫鹽硬度(HK),它和水中的碳酸是水的主要緩衝物質防止pH值劇烈波動。(HK)的控制被視為水質管理不可或缺的手段。

為什麼水的pH值會改變?純態水(不是自然界的水,不含礦物質)很容易與各種物質結合,比如二氧化碳,對pH值產生很大的影響。全球供水酸化現象就是有力證明之一。

礦物含量和總溶解固體

石灰石(主要成分碳酸鈣(CaCO3))為我們提供了另一個例子說明水的吸收能力。碳酸鈣本身基本上不溶於水,但是當雨水流過地面或通過地下通道時,

碳酸鈣(CaCO3)在水中遇到二氧化碳時(雨水/及自然界的水含有二氧化碳顯酸性),會產生碳酸氫鈣就溶於水了。當二氧化碳濃度下降時(溶液非常稀)碳酸氫鈣會與水分離,附著在任何與之接觸的東西上:熱水鍋爐,水管,水龍頭,你能想到的。我們稱之為水垢。

( limescale水垢/水里的碳酸氫鈣(Ca(HCo3)2)和碳酸氫鎂(Mg(HCo3)2),在沸騰的水里分解,放出二氧化碳(Co2),變成難溶解的碳酸鈣( CaCo3)和氫氧化鎂(Mg(OH)2))。

石灰石中的鈣Ca2+ 是水中最常見的硬礦物質之一,水中也含有鎂離子Mg2+。此外,因為管道或蓄水池等原因你經常可以在水中發現其它微量的鐵,鉛,銅,矽和鋁等金屬離子。其他金屬離子可能包括鈉和碳酸氫鉀(化學上稱為金屬離子,生活中叫礦物質)。所有這些金屬離子都將影響水的TDS,這個數字有時也表示為水硬度。

(溶解性總固體/TDS,測量單位為克/噸,它表明1噸水噹中含有可溶解固體物質的克重,而1噸水中含1克可溶解固體物質,也就是1 part per million,重量的百分率,縮寫為ppm,ppm一般作為測量TDS的單位)

但這還遠沒有結束。水經常被化肥或魚屎中的亞硝酸鹽和硝酸鹽、處理後的氯胺和氟化物、硫酸鹽、氯酸鹽和許多其他不良物質所影響。在美國的大部分城市你能夠得到這些信息。

其中一些可以通過滴定分析來測量。你可以通過電導率測定儀來大致了解水的構成。然而,對於大多數人來說,最準確的的方法是將用水送到實驗室做分析。

咖啡用水

水的複雜結構需要一些管理與選擇。在選擇水配方時,基本上有三件事需要牢記:沖煮設備的壽命、感官質量和飲用安全。

維持水處在一個相對中性的pH值(有些人傾向於輕微的鹼性);硬度適中的水將有助於保護咖啡機鍋爐,濃縮咖啡機和其他設備。稍微的鹼性碳酸氫鹽循環可以作為pH值波動的緩衝,失去碳酸氫鹽緩衝體系的水俱有腐蝕性的(水質趨酸性化)。

咖啡用水清楚地證明了鈣和鎂離子在有效萃取咖啡中的益處。Hendon和Colonna-Dashwood斷言,鎂比鈣更有效一些,他們似乎更喜歡它的味道,而且它還有一個額外的好處,那就是不會像鈣那樣產生水垢。然而,鈣的自然含量比鎂高。SCA’s water specification中使用鈣作為水的硬礦物質含量的基準。

剩下的東西——通常是氯胺、硝酸鹽和其他一些微量污染物——通常可以用活性炭塊過濾。這是過濾的第一步——它能提供你水質安全,而且不會去除(咖啡人感興趣的)礦物質。它幾乎可以消除任何可能影響水的顏色和氣味的東西。在我看來,每個人都應該有一個飲用水活性炭過濾器。

接下來的事在很大程度上取決於你的個人感官和所在地水資源成分。

硬質水解決方案

水硬度超過150- 200ppm的地方可以通過礦物還原來解決(SCA水標準/ppm值在125-175之間),最常見的兩種方式是離子交換和反滲透。

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大多數桶式水過濾系統可以提供不同程度的離子交換。硬質水流經一個樹脂層,一般是由磺化的聚苯乙烯顆粒組成。這些顆粒中蘸滿了鈉,硬質礦物離子(鈣、鎂等)附著在樹脂層上,同時樹脂層上的鈉離子被釋放入水中(以兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來軟化水質)。這個過程通常也會增加水的碳酸氫鹽緩體系的緩衝鹼度,並可能導致鹽度增加。

(根據英國水質協會(WQA)的報告:在離子交換的軟化過程中,水中硬度每下降一個“X”,每升水中就會增加8毫克的鈉。舉例來說,當水的硬度是10X時,如果水中硬質的礦物成分都被軟化器濾掉的話,每升水中會增加80毫克的鈉!)

然而,許多現代桶式水過濾系統具有高度可編程和精確的水軟化功能。除了需要定期更換軟化器,它們佔用相對較小空間。

反滲透(reverse osmosis/RO)利用一種薄膜將水的總溶解固體含量降低到幾乎為零。(給水加壓之,水將由高濃度流向低濃度,亦即所謂逆滲透原理,只有水分子及部分礦物離子能夠通過薄膜,其它雜質及重金屬均被排除),由此產生的“空/純”水將和一部分經過活性碳過濾/離子交換軟化的水重新結合以達到預設的TDS值。反滲透系統通常需要一個獨立的水泵和定制的輸水管道來提供足夠的管道壓力和合適的通道來將水送到預定的目的地。

如果你的水質特別硬,RO可以提供一個有效的方法來減少礦物質含量。然而,也存在一些缺陷。沖洗薄膜所需的水量非常大。許多有水質的地方也容易發生乾旱,經過處理被排除的大量乾淨的水可能本身就是一個問題(原水利用率只有75-80%)。


咖啡專業實用用水指南(第二部分)

A Practical Water Guide

for

Coffee Professionals

(Part 2)

Chris Kornman

軟水解決方案

在軟水的情況下(一般硬度在50ppm或以下),某種形式的礦化是可行的(增加水中的礦物質),既可以幫助的萃取咖啡,也可以防止設備因低鹼度而受到腐蝕的可能性。

軟水再礦化比在硬水中減少礦物質(軟化)的難度要大一些。淨水器有礦化濾芯選擇,珊瑚沙是一種常見的選擇。在大多數情況下,再礦化取決於接觸時間。如果水以恆定的速度在系統中流動,微量礦物質可以的溶解。相反,如果水力停留時間越長或流速增大會導致礦物含量突然增加。

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Global Customized Water 提供了一些選擇,以優化咖啡用水(在反滲透處理後的純水/蒸餾水/去離子水中加入液體礦物質liquid mineral addition), Third Wave Water 也有類似的選擇,可以使用預先配製好的(粉狀)礦物質劑量包。

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third wave water 

多數人用TDS的測量單位ppm(百萬分之幾)來表示水中礦物質的總量(主要指鈣鎂離子)。ppm不能準確告訴我們水中我們所關心的礦物質實際含量,大多數科學家仍然使用碳酸鈣(CaCO3)作為測量水中任何礦物質濃度的標準/單位。

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third wave water 

摩爾質量

碳酸鈣的摩爾質量是100g/mol,即1摩爾碳酸鈣的質量是100g。

摩爾質量是科學家用來計算物質分子的常用數值(國際上規定1mol物質都含6.02*10 的23次方個該物質的微粒)。物質的摩爾質量( molar mass單位是g/mol )在數值上等於該物質的相對原子質量或相對分子質量(Relative molecular mass)。

應用實例

假設我們在1升水中加入了1g氯化鎂(MgCl2)形成六水氯化鎂(MgCl2 * 6H2O),氯化鎂中的鎂離子大約佔11.9%,這樣我們會算出水中鎂離子的ppm讀數為119(1g /L x 11.9% = 0.119 g/L = 119ppm )。

(我們還添加了約348ppm的氯,這其中有原因,我待會再講這個問題,現在只要記住119ppm的鎂)。

鎂的摩爾質量為24.305 g/mol,它的密度明顯低於碳酸鈣摩爾質量100g/mol。如何以碳酸鈣為單位表示鎂?

100g/mol÷ 24.305g/mol = 4.11。這意味著碳酸鈣的密度是鎂的4.11倍。

119ppm的鎂乘以4.11 .因此,當以碳酸鈣表示時,水中119ppm的鎂大約是為489 ppm。

這非常令人困惑。是的,但是當我們開始討論礦物質濃度時,很明顯119和489不一樣。

配置自定義的水

當你使用鎂、鈣和碳酸氫鹽來配置自定義的水時,使用表格中的數字做摩爾質量轉化計算。

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假設你想配置的水中有40ppm的鈣Ca2 +;40ppm的鎂;40ppm(鹼性)碳酸氫鉀(注/都以碳酸鈣為單位表示)總共4升,礦物質含量的計算為:

40ppm 鈣( Ca2+) ÷ 681.2 = 0.0587 gx 4L = 0.235 g 氯化鈣(4升水中有0.235 g 氯化鈣CaCl2)

40ppm 鎂( Mg2+) ÷ 489.6 = 0.0817 gx 4L = 0.327 g氯化鎂(4升水中有0.327 g氯化鎂MgCl2)

40ppm 碳酸氫根HCO3– ÷ 595.32 = 0.067 gx 4L = 0.269 g 碳酸氫鉀(4升水中有0.269 g碳酸氫鉀KHCO3)

現在我們來解決氯( chloride)的問題。建議水中少量使用氯離子——在一定程度上,硫酸鹽會提高水的導電性,並且在某些條件下如低pH、高壓和/或高溫下對金屬具有腐蝕性。例如,咖啡機製造商對水中的氯化物含量和導電性設定了嚴格的限制。

在我們之前的例子中,添加的1g的氯化鎂(MgCl2)會導致鎂和氯的濃度非常高。為了減少0.1克的氯化鎂,我們添加了適量的鎂( 49ppm,以碳酸鈣為單位)和安全量的氯化物遠低於200ppm。然而,在高溫和高壓下,氯化物和氯離子的腐蝕性會增強,即使是35ppm也會超過La Marzocco濃縮咖啡機所要求的規格。

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咖啡專業實用用水指南(第三部分)

感官數據

A Practical Water Guide

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Coffee Professionals

(Part 3)

Chris Kornman

在本系列文章的前半部分中,我們對水的化學和成分進行了深入的研究,同時探索了咖啡專業人員在調理水方面有哪些選擇。

在第三部分中,我將重點關注感官數據,以及我們對水的配方和咖啡的味道得出什麼樣的結論。

鹼度(Alkalinity)

腐蝕和結垢二者之間存在一個巨大的空間,這個空間中允許存在不同礦物濃度的水質類型,但這個空間對與於鹼度的適用範圍很窄。就碳酸氫鹽( bicarbonate碳酸氫鹽溶於水,水溶液呈鹼性,與酸迅速反應放出二氧化碳氣體)含量而言,SCA水質手冊建議,如果碳酸氫鹽含量低於40ppm(以CaCO3為單位),會導致水的緩衝能力過少無法在沸騰溫度下防止腐蝕。然而,高含量的碳酸氫鹽通常味道不好。

SCA假設,當使用較硬的水時,碳酸氫鹽上限為75ppm(鹼度/以CaCO3為單位),而《Water for Coffee》一書指出,大約80ppm的碳酸氫根離子(bicarbonate HCO3–) ( 130pm/以CaCO3為單位)屬於較硬的水。

在任何一種情況下,大量的碳酸氫鹽都會降低咖啡的酸度並產生額外的二氧化碳,從而影響咖啡的萃取,(手沖悶蒸時產生過多二氧化碳或意式濃縮萃取時產生過多crema ) 。

上文講到鹼度的適用範圍很窄,非常容易就可以超出這個範圍。例如,如果在1升蒸餾水中放入0.1克小蘇打,碳酸鈣含量就能達到50ppm(鹼度/以CaCO3為單位)。但如果你放入0.2克小蘇打,碳酸鈣含量會上升到100 ppm(鹼度/以CaCO3為單位),這可就是硬度極高的水了,可能超出了沖煮咖啡的需求。”

最近,我與“第三波水”的首席執行官Taylor Minor進行了交談,因為我注意到他們的產品“Classic” 的水成分中沒有提到碳酸氫鹽鹼度(bicarbonate alkalinity)。他說,這主要是在杯測中確定的,由於第三波水作為一種定制化產品不必被固定的鹼度所束縛。”

在我們的測試中,高鹼度的水通常會導致平淡(flat),顆粒感(chalky),咖啡酸度降低,風味不清晰(muddled)。在較低比例情況下(大約1份鹼對2 – 3份硬礦物質)效果會好一些。僅僅含有鹼的水,即使是在“理想”範圍內,也缺乏合適的礦物質來提取咖啡的甜味,儘管在較深烘焙的咖啡中表現最好。

存在於在大多數水域中,是最豐富的天然硬礦物質,也非常適合咖啡萃取。

鈣是很好的萃取劑,很容易與各種咖啡酸結合。然而也存在形成水垢的風險。在較高的溫度下,水垢更容易形成,例如濃縮咖啡機加壓蒸汽鍋爐比熱水塔更容易形成水垢。(這也很大程度上取決於有多少新的、未加熱的水流入系統)。

無論如何,考慮到鈣是我們水源中常見的天然硬礦物質,檢驗它對咖啡沖煮的定性影響是有意義的。

在我們的試驗中,僅僅含有鈣的水一直受到小組中大多數人的青睞。它以令人愉快的方式突出了咖啡的酸度(無論何種加工方法或烘焙度)。在沖煮深度烘焙咖啡時,與其他礦化水相比,富含鈣的水保持了最佳的酸度——這是我們小組認可的一個特徵,但對於深度烘焙咖啡的愛好者來說,可能風味並不總是令人滿意的。

需要注意的是,人的偏好可能與適應/習慣有關。在這種情況下,可能是因為含鈣的水最接近我們的日常飲用水,我們也對由此產生的咖啡風味形成一種偏愛,而不是含鈣的水客觀上就一定比其他類型的礦化水更好。

Christopher Hendon和Maxwell Colonna-Dashwood認為鎂是一種神奇的礦物質。他們能夠證明這種方法在咖啡萃取時更有效,而不存在水垢的風險。他們也喜歡它的口味。

自然產生的富含鎂的水比較罕見,所以要達到這一目的通常需要人為配製。然而,由於鎂的摩爾質量低,將鎂加入水中會增加設備腐蝕的風險。

我們的品嚐小組成員發現了許多積極的特徵,水中的鎂可以表現出咖啡的甜和花香,特別是在較輕的烘焙中。然而,在烘焙度加深的情況下,許多品嚐者發現這種甜感過多,甜得發膩的。

對我們來說,少量的鎂有助於帶出咖啡的甜感,當它與鈣搭配時,它可以幫助平衡咖啡的風味,而不會讓人覺得太過於甜膩( sweet and sticky)。

實驗

我們進行了兩輪有據可查的口味測試,使用了不同的機制來記錄我們的數據。我的品評小組包括了整個皇冠小組:Sandra Loofbourow, Jen Apodaca, Evan Gilman(都是Q graders),Richard Sandlin和我。

第一輪

我們的第一輪測試包括了三種不同的烘焙度(55 Colortrack淺,65中,70深),兩種不同處理法的咖啡:日曬埃塞俄比亞,水洗埃塞俄比亞。三個不同的水配方都有非常高的礦物質含量,試圖測試每一種礦物質對咖啡風味影響的極限。三個不同的水配分別是:鈣配方(粉色),鎂配方(藍色)和一個碳酸氫鹽配方(綠色)。你可以在下面看到確切的配方,但要注意,由於腐蝕和水垢形成的原因,這些配方都不推薦使用。

杯測並不是完全是盲測;可以參考色度卡,烘焙度。所有人做筆記並按喜好排序,不必做感官評分。

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除了淺烘焙的水洗處理咖啡外,鈣配方在總體上比其它配方更受青睞,不過鎂配方效果也不錯,主要體現在淺度烘焙咖啡中。鈣配方的影響於集中在酸度上,而鎂配方更甜,更有花香,更醇厚。

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鈣配方(粉色)風味描述

鎂配方(藍色)風味描述

碳酸氫鹽配方(綠色)風味描述

相比之下,碳酸氫鹽配方的酸度有限,口味柔和,口感呈顆粒狀。然而,如果把它用在較深烘焙風格上,效果似乎會好一些——對於那些喜歡喝到達“二爆”咖啡的人來說值得一試。

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咖啡專業實用用水指南(第四部分)

感官數據

A Practical Water Guide

for

Coffee Professionals

(Part 4)

Chris Kornman

第二輪

第二輪測試僅僅使用一款高分數的墨西哥精品咖啡,並探索了一系列的水配方以及水配方對咖啡酸度、甜度和粘度/醇厚度的影響。以下是水的組成:

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實驗用水

蒸餾水

第三波"classic"

Global Customzied Water

SCA “ideal"

SCA “ideal"

Potassium Bicarbonate

Sodium Bicarbonate

硬水

毫無疑問,你會發現一些奇怪的事情。電導率計儀(TDS讀數)雖然可靠但不是極為精確,我的電量滴定器主要用於測量水族箱(鈣離子濃度約為400ppm),添加礦物質時出現一點小錯誤就會導致TDS的大幅波動。注意pH值。小蘇打確實能產生最大鹼性的溶液,而鎂對酸度卻沒有明顯的影響。

(編者註:鈣離子濃度400ppm大約是1000ppmCaCO3=400*100/ 40(鈣的當量重))

下圖,SCA heritage water spec(紅色虛線)和Colonna-Dashwood/Hendon(虛線)被覆蓋。您會注意到,由於計算錯誤,我配置的水的鹼度略低於預期值。

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蒸餾水(黑色)

第三波"classic" (紫色)

Global Customzied Water (橙色)

SCA “ideal" Calcium(粉色)

SCA “ideal" Magnesium(藍色)

Potassium Bicarbonate(綠色)

Sodium Bicarbonate (深綠色)

硬水(紅色)

下圖中,定量/性分析的結果可以幫助闡明每一種礦物的影響力,以及它的相對濃度水平,對整體風味的貢獻。杯測採取盲測形式,以幫助防止偏見。

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甜(藍色)

酸(橙色)

醇厚度(綠色)

這裡有一些有趣的觀察值得討論。只有碳酸氫鹽而沒有硬礦物質的水域甜度最低( Potassium Bicarbonate )。碳酸氫鈉導致了咖啡粉會在水面上形成一層更厚和帶有更多氣泡的咖啡渣殼( Sodium Bicarbonate)。

令人驚訝的是,蒸餾水的表現非常好,獲得了最高的計分,以及最高的評級,酸度平衡,甜度適中,口感順滑。

小組中的Jen指出,(也許)水中太多的化合物反而會影響咖啡味道。比如,硬水的酸度在圖表中最低,但醇厚度在圖表中比較高——又厚又渾濁(muddy),也許適合便利店的咖啡,但不適用於專業烘焙的精品咖啡。

由Global Customized 和Third Wave Water的配方水達到了很好的平衡效果。Jen和Sandra對第三波“ Classic ”的評價很高,而Evan和我對Global Customized印象深刻。Global Customized 似乎產生了一種更具酸的咖啡,可能是因為它的鈣含量,而第三波萃取似乎更關注醇厚度,可能是因為它的礦物混合物中含有鎂。

最後,“ ideal” Calcium鈣和 “ideal" Magnesium鎂符合第一輪測試的口味。鈣配水產生的酸性更強,在整個小組的評分都很高,在總分上只比蒸餾水低一點。鎂配水的分數要低得多——除了Sandra,她給出了較高的分數,但是在她的筆記中給出了一個明確的註明“我不喜歡”——五位小組成員中的三位使用了“flat”這個詞。

當然,分數並不是一切。Jen對SCA “ideal” 鈣配水的評論引起了我的共鳴:雖然從cupper的評分來看,水看起來很不錯,但在味道表達上感覺有點淡。它在酸度、甜度和醇厚度都還不錯,但在口味的愉悅度( pleasurability of taste )上並不好。總的來說,蒸餾水、Third Wave和Global Customized定制水似乎有一個更好的整體風味輪廓。下面是前四名水的風味美味描述:

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蒸餾水(橙色)

第三波"classic"(藍色)

Global Customzied Water(綠色)

SCA “ideal" Calcium(粉色)

結論

最終,我們發現有很多好的(水)解決方案,但是沒有完美的答案來製作最好的咖啡。無論使用的是水龍頭流出的水,還是來自水處理系統,或小批量的定制水,選擇將在很大程度上取決於烘焙風格和對質量控制的決定人。

希望所有這些關於碳酸氫鹽、鹼、鈣和鎂的討論都沒有把水的問題攪渾,相反,它們為那些有興趣製作好咖啡的人提供了(相對而言)簡明易懂的指南。我鼓勵你自己做一些嘗試,看看你能做出什麼樣的味道。

本文轉自:Roast雜誌運營 

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