用液氮浸漬過的咖啡豆研磨后的粒度分布更均一？【從粉體工程學的角度談咖啡研磨】

來自貴陽的鄒旸獲得了今年的CBrC的冠軍（決賽回顧），其中鄒旸在咖啡沖煮的過程中使用液氮浸漬過的咖啡豆進行研磨，其粒度分布會更加地均一。原本在常溫下研磨粒徑≥1700微米的粉粒在經(jīng)過液氮處理之后就幾乎為零，那到底為什么用液氮浸漬過后研磨的粒徑會更加均一呢？而之前介紹過《Water for Coffee》的作者Hendon的一篇關于咖啡研磨的文獻《The effect of bean origin and temperature on grinding roasted coffee》，我把文獻原文放在了公眾號，大家感興趣的話，可以關注公眾號后輸入“液氮咖啡”獲取原文。本文分為三個部分：我們先簡單地解讀文獻，再從粉體工程學的角度談咖啡研磨，然后解釋低溫粉碎技術基本原理。文獻解讀這篇文獻主要分兩個部分探討咖啡研磨的影響因素，一個是咖啡的產(chǎn)地、一個是溫度，我們主要講溫度這一塊。為了探究溫度對于咖啡研磨的影響，Erol Uman等人采用Mahlk?nig EK43咖啡磨豆機分別在液氮（-196℃）、干冰（-79℃）、冰箱（-19℃）以及常溫（20℃）這四種不同的溫度下對咖啡進行研磨。然后通過激光衍射對粒徑進行分析，于是得到了以下a、b、c、d這幾個圖。我們來分析上面這幾個圖。首先是a圖實線部分表示的是不同溫度下咖啡粉粒度分布?？梢钥吹皆?196℃、-79℃、-19℃下咖啡粉粒度分布相較于20℃更接近高斯分布（Gaussian distribution）。從a圖的粒度分布曲線形狀以及c圖各個溫度下的偏倚程度，可以看出來-196℃的咖啡粉粒度分布對比-79℃、-19℃的更窄一些，粉徑的均一性更好；隨著溫度的升高，可以看到曲線的μ值（平均值）都有不同程度的右移。而a圖的虛線部分表示的是不同溫度下咖啡粉不同的粉徑的相對表面積的貢獻分布。從b圖看出隨著溫度的升高其曲線模型向非線性變化的趨勢，也就是說在一定范圍內(nèi)，溫度的升高，會讓粒度分布更分散。從文獻的結(jié)果可以看出，溫度確實是影響研磨均一性的影響因素，且低溫有助于提高研磨的均一程度。從粉體工程學的角度談咖啡研磨首先，我們先搞明白什么是粉體工程學（Powder Engineering）。粉體工程學是一門以工業(yè)生產(chǎn)中的粉體（Powder）為研究對象，研究其在生產(chǎn)中的運動規(guī)律、性質(zhì)和應用的基礎性綜合學科。其學科內(nèi)容主要涉及到材料學（Materials science）、機械力化學（Mechanochemistry）、表面化學（Surface chemistry）、物理化學（Physical Chemistry）等等基礎學科。為了幫助大家更好地理解，我會對專有名詞做出盡可能簡單直白的解釋。學習就是要不斷革新自己，希望大家能夠耐心閱讀?！?粉體的特性粉體是以顆粒為基本單位組成的顆粒群，從廣義上講粉體顆粒并不局限于固體顆粒，還有液體顆粒以及氣體顆粒。按照粉體顆粒的尺寸大小可以分為：一般顆粒（particle）、微米顆粒（microparticle）、亞微米顆粒（sub-microparticle）、超微米顆粒（ultramicroparticle）以及納米顆粒（nano-particle）。 上下滾動查看更多絕大多數(shù)粉體不可能是由同一粒徑的粒子所組成的單分散系統(tǒng)，而是由不同粒度的顆粒組成的多分散系統(tǒng)，因此對于粉體最重要的粒度特征是平均粒度和粒度的分布。粉體顆粒越小，其相對表面積越大，其表面自由能也越大，同時具有了較大的擴散系數(shù)。以上就是粉體的基本概念以及其幾何和物理性質(zhì)?！?機械粉碎法制備咖啡粉體從粉體工程學的角度看咖啡研磨其實是機械粉碎法制備咖啡粉體的過程?？Х妊心テ鋵嵤菣C械粉碎法的其中一種方式，機械粉碎法的方式有擠壓粉碎、沖擊粉碎、摩擦剪切粉碎和劈裂粉碎等。我們常用的無論是手搖磨豆機還是電動磨豆機在粉碎機械中都屬于粉磨機械（Comminution Machine），排料中粒度小于3mm的含量占總排料量50%以上的機械稱為粉磨機械。當咖啡豆承受外力的作用時，首先會發(fā)生彈性變形，這個時候其實咖啡豆還沒被破壞，當變形達到一定的值之后其應力會增加，因此變形還可以繼續(xù)進行。當應力達到了彈性的極限時候就會出現(xiàn)永久不可逆變形，這時候咖啡豆進入塑性變形的狀態(tài)，這個現(xiàn)象稱為屈服（Yield），我們把應力達到彈性的極限時候的應力值稱為屈服點（Yield point）。只有當突破了塑性變形的極限，咖啡豆才會被破壞。這就是咖啡研磨粉碎的機理，也是粉碎的基本機理。我們對咖啡研磨更關注的是，如何使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，均一性更好，并且讓咖啡中揮發(fā)性的風味物質(zhì)在研磨過程中盡可能地被保留在咖啡粉體當中。鄒旸給出的答案是低溫粉碎技術（Cryogenic crushing technology）。低溫粉碎技術其實低溫粉碎技術在我國各個領域很早就已經(jīng)開始了廣泛的應用，例如在中藥藥材工業(yè)制備、電子廢品回收、橡膠材料粉碎等等。低溫粉碎技術的基本原理主要是基于熱力學原理，物質(zhì)在低溫狀態(tài)下，分子間的運動程度會大大降低，導致分子間的內(nèi)聚力（Cohesive forces，可以是范德華力，也可以是靜電引力等等）降低，從而導致物質(zhì)的機械強度降低，也就是“脆化”。不同的物質(zhì)的脆化溫度都不大一樣。物質(zhì)在脆化的狀態(tài)下進行機械粉碎就可以使排料粒度分布變窄，其本質(zhì)是提高了屈服點，由塑性變形直接轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈宰冃?。并且在低溫的條件下，在常溫下具有揮發(fā)性的物質(zhì)其飽和蒸氣壓會大大地下降，因此在低溫條件下進行粉碎操作可以有利于保留在常溫下具有揮發(fā)性的物質(zhì)。鄒旸使用液氮作為冷卻劑可以讓咖啡豆迅速冷卻到極低溫，讓咖啡研磨轉(zhuǎn)為脆性變形，使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，提高均相性。并且通過控制咖啡豆研磨暴露在大氣的時間，也可以盡可能地保留更多的揮發(fā)性風味物質(zhì)?！?拓展那么除了低溫粉碎技術以外還有其他粉碎方法具備這樣的特點嗎？答案是，有的。那就是利用過熱蒸汽（300-400℃）或者高速氣流（300-500m/s）的能量對物質(zhì)進行粉碎操作，這屬于氣流粉碎法。區(qū)別于機械粉碎法，氣流粉碎是一種無介質(zhì)磨。氣流粉碎具有產(chǎn)生的顆粒粒度分布窄，不存在物料的損耗，顆粒表面光滑，形狀規(guī)則等等優(yōu)點，而且在整個粉碎過程中溫度不高。（寫到這兒，莫名有種預言家的感覺）注意：液氮屬于化學危險物質(zhì)，請在相關專業(yè)操作人員指導下使用。▼-歡迎掃二維碼關注原作者 -版權信息：以上文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載自【The Coffee Chemistry】，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。侵權請聯(lián)系：weixin@coffeesalon.com投稿合作：tips@coffeesalon.com