咖啡萃取的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。所以一直以來(lái)，穩(wěn)定地萃取高品質(zhì)的咖啡，更多的被認(rèn)為是一門(mén)（搞不懂的）藝術(shù)，而不是（可以厘清的）科學(xué)。這種缺乏可復(fù)制性是發(fā)展可持續(xù)商業(yè)模式的一個(gè)重要瓶頸?？Х鹊妮腿∈恰皬姆N子到杯子”，面向消費(fèi)群體的最后一步，對(duì)杯中呈現(xiàn)咖啡質(zhì)量的評(píng)價(jià)，既包含主觀因素，也包含客觀因素。主觀因素是指消費(fèi)者的個(gè)人感知，客觀因素包括萃取的物理化學(xué)和咖啡的感官特性。關(guān)于咖啡的萃取，許多學(xué)者做了大量的工作，試圖從科學(xué)的角度解讀這一龐大的課題。本篇閱讀筆記基于一篇綜述文章：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.
1 萃取過(guò)程咖啡的萃取率，物理化學(xué)和風(fēng)味特征取決于大量的工藝變量?？Х鹊娘L(fēng)味與咖啡生豆中的化學(xué)物質(zhì)（前驅(qū)體）有關(guān)。這些物質(zhì)在烘焙過(guò)程中轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性和非揮發(fā)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(shù)密切相關(guān)，包括粒徑、萃取時(shí)間、壓力、溫度、水質(zhì)、粉水比和萃取方法。
咖啡萃取過(guò)程中的主要參數(shù)及其與咖啡的理化特性和風(fēng)味特征的關(guān)系圖：咖啡生豆，烘焙程度和主要工藝變量1.1 萃取方法萃取方法可以根據(jù)萃取工具和影響最終風(fēng)味的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)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。
1.2 萃取方法的研究趨勢(shì)在咖啡萃取研究的文獻(xiàn)中，最多的是關(guān)于意式濃縮（壓力法）和過(guò)濾法（注入法）的研究。關(guān)于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(shí)間，烘焙度，壓力，粉水比，水質(zhì)和研磨度，這些參量對(duì)物理化學(xué)特性及芳香化合物形成的影響。也有些一些研究開(kāi)始關(guān)注冷萃咖啡，由于萃取時(shí)間和溫度參量的獨(dú)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(xué)特性
2.1 總固體物質(zhì)和萃取率總固體物質(zhì)（Total solids）是咖啡中存在的物質(zhì)，其總濃度通常被消費(fèi)者感知為“強(qiáng)度”?？?cè)芙夤腆w（Total dissolved solid, TDS）比例是指咖啡中溶解物質(zhì)質(zhì)量占咖啡總質(zhì)量的比例。萃取率（Extraction yield ，EY）是指萃取的咖啡溶質(zhì)質(zhì)量與使用的咖啡粉質(zhì)量之比。EY 和TDS 通常以百分比的形式來(lái)表示?？Х戎泄腆w的化學(xué)成分依據(jù)咖啡生豆質(zhì)量、烘焙過(guò)程和萃取方法而變化。2.2 PH值和總酸度PH值的測(cè)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(duì)樣品中所有酸性質(zhì)子的測(cè)量?？偹岫群蚉H值已被廣泛用于通過(guò)感知酸度來(lái)表征咖啡的特性。盡管人們已經(jīng)做了很多努力來(lái)理解PH值、可滴定酸度和可感知酸度之間的關(guān)系，但仍然難達(dá)到共識(shí)。這是因?yàn)榭Х人岫鹊淖兓苄?，最常用的酸度測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)到微小的變化。關(guān)于酸度感知，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。并且一些環(huán)境因素也會(huì)影響到感知，例如溫度會(huì)影響到酸的感知。
2.3 非揮發(fā)性化合物油脂對(duì)咖啡萃取風(fēng)味中起著重要作用，因?yàn)樗鼈冃纬傻娜闋钜罕Ａ袅朔枷慊衔?，并且它們改善了咖啡的質(zhì)感。多糖鎖住香氣，穩(wěn)定泡沫，增加萃取物粘度。綠原酸在咖啡中的含量很高(盡管具有熱不穩(wěn)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?？Х戎械乃崤c澀味、苦味和酸度有關(guān)。咖啡?？鼘幩岷桶⑽乎？鼘幩岷枯^高時(shí)，會(huì)帶來(lái)不愉悅的風(fēng)味。綠原酸是酚和鄰苯二酚的前驅(qū)體，在烘焙過(guò)程中產(chǎn)生，在萃取造過(guò)程中會(huì)形成令人不快的氣味。含氮化合物中，咖啡因和葫蘆巴堿對(duì)咖啡苦味的貢獻(xiàn)占比分別為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(duì)咖啡的苦澀味有貢獻(xiàn)。2.4 揮發(fā)性化合物咖啡中的揮發(fā)性化合物含量也取決于萃取過(guò)程。關(guān)于揮發(fā)性化合物的研究中，報(bào)道最多的是吡嗪(pyrazines)、呋喃(furans)、醛(aldehydes)、酮(ketones)和吡咯(pyrroles)。盡管這些化合物與人們所感知的咖啡風(fēng)味沒(méi)有直接關(guān)系，但人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度高于氣味閾值時(shí)，它們會(huì)影響特定的氣味。
報(bào)道的各種揮發(fā)性化合物占比3 萃取參數(shù)對(duì)風(fēng)味品質(zhì)的影響3.1 萃取時(shí)間萃取時(shí)間是影響萃取的關(guān)鍵因素。不同物質(zhì)的萃取效率不同，會(huì)在不同的階段被萃取出來(lái)：萃取初期，糖，有機(jī)酸和咖啡因被高效萃??；經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間（或注入較多水量后），一些不易溶解的物質(zhì)才被萃取出來(lái)。萃取動(dòng)力學(xué)，不僅取決于化合物的溶解度和揮發(fā)性，也取決于化合物的極性。萃取時(shí)間會(huì)影響到己醛和甲硫醇的濃度，己醛與青草味（green）相關(guān)，甲硫醇與卷心菜、奶酪、大蒜、硫磺味相關(guān)。
一些研究結(jié)果
[濃縮咖啡]● 最初的8秒, 超過(guò)70%的抗氧化劑（二咖啡?？鼘幩岢猓┍惠腿〕鰜?lái)；● 10秒內(nèi)，95% 的揮發(fā)性化合物（VOCs）被萃取出來(lái)。[滴濾咖啡]● 2分鐘內(nèi)，咖啡粉中迅速釋放可溶性物質(zhì)，萃取率可達(dá)18-22%；● 5分鐘后，萃取出80%以上的可溶性物質(zhì)。[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(shí)，3-CGA和咖啡因濃度達(dá)到平衡。3.2 水溫水溫是萃取的驅(qū)動(dòng)力。高水溫：水分子的動(dòng)能更高，流動(dòng)性增加，萃取出化合物的可能性更大，同時(shí)揮發(fā)性有機(jī)物釋放。低水溫：濃度、萃取率和總固體含量更低；利于高極性化合物的萃??；其他化合物的萃取需要更長(zhǎng)的接觸時(shí)間。
一些研究結(jié)果
● 溫度從88 增加到98℃，利于油脂的提取?！?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(qiáng)度、醇厚度與風(fēng)味有較好的平衡。3.3 壓力流體中的壓力場(chǎng)產(chǎn)生勢(shì)能，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使流體加速，將微米級(jí)固體顆?；蛴偷未蛉氡瓋?nèi)，很大程度上會(huì)改變咖啡的感官特性。與低壓/無(wú)壓萃取相比：芳香化合物不易揮發(fā)，在杯中的含量更高。壓力是形成泡沫和油脂的條件:當(dāng)施加壓力時(shí)，咖啡粉中的二氧化碳被迫進(jìn)入水中；溶解的二氧化碳被緩慢地釋放；隨后在頂部形成致密穩(wěn)定的油脂。在意式濃縮咖啡的萃取過(guò)程中，通常采用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(zhì)（例如咖啡因，胡盧巴堿和煙酸）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(qiáng)度高。盡管將萃取壓力提升到11bar, 可以增加粘性、醇厚度度和氣味強(qiáng)度，但是消費(fèi)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(dāng)?shù)姆鬯瓤赡茉斐奢腿〔蛔悖^弱的風(fēng)味，或過(guò)萃的苦味。當(dāng)粉量過(guò)大時(shí)，潤(rùn)濕過(guò)程中咖啡粉不能充分膨脹，并且粉層過(guò)密會(huì)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(zhǎng)的萃取時(shí)間，可能導(dǎo)致過(guò)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(fēng)味。
3.6 水質(zhì)咖啡中的風(fēng)味化合物以非質(zhì)子、電荷中性物質(zhì)、酸和共軛鹽的形式存在。水中溶解的礦物質(zhì)含量會(huì)影響這些有機(jī)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(guān)于濃縮咖啡的最新研究結(jié)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(lái)源，可用于泡沫的形成。計(jì)算化學(xué)的結(jié)果表明：● 富Mg2+的水，利于咖啡成分的萃?。弧?對(duì)于淺烘的咖啡，要達(dá)到最佳的風(fēng)味平衡，Ca2+和Mg2+都是必須的。
3.7 物理和傳輸現(xiàn)象研究咖啡萃取過(guò)程的物理和傳輸現(xiàn)象，通常有兩類模型：● 多孔粉床的流動(dòng)模型● 特定化合物（通常是咖啡因）的傳質(zhì)模型現(xiàn)有的模型并不能建立萃取參數(shù)與風(fēng)味或感官特征之間的直接關(guān)聯(lián)。總結(jié)和展望關(guān)于咖啡的萃取，有很多關(guān)于香氣與揮發(fā)性有機(jī)化合物關(guān)系的研究。還有研究結(jié)果表明，一些非揮發(fā)性化合物，如咖啡因、胡盧巴堿、綠原酸和黑色素，與咖啡的苦澀有關(guān)。脂類和一些多糖與質(zhì)構(gòu)特性（醇厚度和余韻）有關(guān)?？Х鹊目傻味ǘ群涂筛兄乃岫戎g，以及咖啡的化學(xué)成分和咖啡的甜度之間，都沒(méi)有明確的關(guān)系?？Х鹊妮腿∵^(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的操作，因?yàn)橐恍┳兞繉?duì)咖啡的化學(xué)成分和感官特征有直接影響。盡管咖啡的萃取過(guò)程很復(fù)雜，但對(duì)物理、流體力學(xué)和質(zhì)量/熱量傳遞現(xiàn)象的研究,可以為萃取與影響咖啡感官特征的化學(xué)成分之間的聯(lián)系提供有價(jià)值的見(jiàn)解。進(jìn)一步的研究將結(jié)合新的工具和應(yīng)用知識(shí)，用于開(kāi)發(fā)可復(fù)制、成本效益高、質(zhì)量高的咖啡飲品，最大限度地滿足消費(fèi)者需求，促進(jìn)消費(fèi)。
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咖啡萃取的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。所以一直以來(lái)，穩(wěn)定地萃取高品質(zhì)的咖啡，更多的被認(rèn)為是一門(mén)（搞不懂的）藝術(shù)，而不是（可以厘清的）科學(xué)。這種缺乏可復(fù)制性是發(fā)展可持續(xù)商業(yè)模式的一個(gè)重要瓶頸?？Х鹊妮腿∈恰皬姆N子到杯子”，面向消費(fèi)群體的最后一步，對(duì)杯中呈現(xiàn)咖啡質(zhì)量的評(píng)價(jià)，既包含主觀因素，也包含客觀因素。主觀因素是指消費(fèi)者的個(gè)人感知，客觀因素包括萃取的物理化學(xué)和咖啡的感官特性。關(guān)于咖啡的萃取，許多學(xué)者做了大量的工作，試圖從科學(xué)的角度解讀這一龐大的課題。本篇閱讀筆記基于一篇綜述文章：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.
1 萃取過(guò)程咖啡的萃取率，物理化學(xué)和風(fēng)味特征取決于大量的工藝變量?？Х鹊娘L(fēng)味與咖啡生豆中的化學(xué)物質(zhì)（前驅(qū)體）有關(guān)。這些物質(zhì)在烘焙過(guò)程中轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性和非揮發(fā)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(shù)密切相關(guān)，包括粒徑、萃取時(shí)間、壓力、溫度、水質(zhì)、粉水比和萃取方法。
咖啡萃取過(guò)程中的主要參數(shù)及其與咖啡的理化特性和風(fēng)味特征的關(guān)系圖：咖啡生豆，烘焙程度和主要工藝變量1.1 萃取方法萃取方法可以根據(jù)萃取工具和影響最終風(fēng)味的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)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。
1.2 萃取方法的研究趨勢(shì)在咖啡萃取研究的文獻(xiàn)中，最多的是關(guān)于意式濃縮（壓力法）和過(guò)濾法（注入法）的研究。關(guān)于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(shí)間，烘焙度，壓力，粉水比，水質(zhì)和研磨度，這些參量對(duì)物理化學(xué)特性及芳香化合物形成的影響。也有些一些研究開(kāi)始關(guān)注冷萃咖啡，由于萃取時(shí)間和溫度參量的獨(dú)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(xué)特性
2.1 總固體物質(zhì)和萃取率總固體物質(zhì)（Total solids）是咖啡中存在的物質(zhì)，其總濃度通常被消費(fèi)者感知為“強(qiáng)度”?？?cè)芙夤腆w（Total dissolved solid, TDS）比例是指咖啡中溶解物質(zhì)質(zhì)量占咖啡總質(zhì)量的比例。萃取率（Extraction yield ，EY）是指萃取的咖啡溶質(zhì)質(zhì)量與使用的咖啡粉質(zhì)量之比。EY 和TDS 通常以百分比的形式來(lái)表示?？Х戎泄腆w的化學(xué)成分依據(jù)咖啡生豆質(zhì)量、烘焙過(guò)程和萃取方法而變化。2.2 PH值和總酸度PH值的測(cè)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(duì)樣品中所有酸性質(zhì)子的測(cè)量?？偹岫群蚉H值已被廣泛用于通過(guò)感知酸度來(lái)表征咖啡的特性。盡管人們已經(jīng)做了很多努力來(lái)理解PH值、可滴定酸度和可感知酸度之間的關(guān)系，但仍然難達(dá)到共識(shí)。這是因?yàn)榭Х人岫鹊淖兓苄?，最常用的酸度測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)到微小的變化。關(guān)于酸度感知，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。并且一些環(huán)境因素也會(huì)影響到感知，例如溫度會(huì)影響到酸的感知。
2.3 非揮發(fā)性化合物油脂對(duì)咖啡萃取風(fēng)味中起著重要作用，因?yàn)樗鼈冃纬傻娜闋钜罕Ａ袅朔枷慊衔?，并且它們改善了咖啡的質(zhì)感。多糖鎖住香氣，穩(wěn)定泡沫，增加萃取物粘度。綠原酸在咖啡中的含量很高(盡管具有熱不穩(wěn)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?？Х戎械乃崤c澀味、苦味和酸度有關(guān)。咖啡?？鼘幩岷桶⑽乎？鼘幩岷枯^高時(shí)，會(huì)帶來(lái)不愉悅的風(fēng)味。綠原酸是酚和鄰苯二酚的前驅(qū)體，在烘焙過(guò)程中產(chǎn)生，在萃取造過(guò)程中會(huì)形成令人不快的氣味。含氮化合物中，咖啡因和葫蘆巴堿對(duì)咖啡苦味的貢獻(xiàn)占比分別為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(duì)咖啡的苦澀味有貢獻(xiàn)。2.4 揮發(fā)性化合物咖啡中的揮發(fā)性化合物含量也取決于萃取過(guò)程。關(guān)于揮發(fā)性化合物的研究中，報(bào)道最多的是吡嗪(pyrazines)、呋喃(furans)、醛(aldehydes)、酮(ketones)和吡咯(pyrroles)。盡管這些化合物與人們所感知的咖啡風(fēng)味沒(méi)有直接關(guān)系，但人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度高于氣味閾值時(shí)，它們會(huì)影響特定的氣味。
報(bào)道的各種揮發(fā)性化合物占比3 萃取參數(shù)對(duì)風(fēng)味品質(zhì)的影響3.1 萃取時(shí)間萃取時(shí)間是影響萃取的關(guān)鍵因素。不同物質(zhì)的萃取效率不同，會(huì)在不同的階段被萃取出來(lái)：萃取初期，糖，有機(jī)酸和咖啡因被高效萃??；經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間（或注入較多水量后），一些不易溶解的物質(zhì)才被萃取出來(lái)。萃取動(dòng)力學(xué)，不僅取決于化合物的溶解度和揮發(fā)性，也取決于化合物的極性。萃取時(shí)間會(huì)影響到己醛和甲硫醇的濃度，己醛與青草味（green）相關(guān)，甲硫醇與卷心菜、奶酪、大蒜、硫磺味相關(guān)。
一些研究結(jié)果
3.6 水質(zhì)咖啡中的風(fēng)味化合物以非質(zhì)子、電荷中性物質(zhì)、酸和共軛鹽的形式存在。水中溶解的礦物質(zhì)含量會(huì)影響這些有機(jī)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(guān)于濃縮咖啡的最新研究結(jié)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(lái)源，可用于泡沫的形成。計(jì)算化學(xué)的結(jié)果表明：● 富Mg2+的水，利于咖啡成分的萃?。弧?對(duì)于淺烘的咖啡，要達(dá)到最佳的風(fēng)味平衡，Ca2+和Mg2+都是必須的。
3.7 物理和傳輸現(xiàn)象研究咖啡萃取過(guò)程的物理和傳輸現(xiàn)象，通常有兩類模型：● 多孔粉床的流動(dòng)模型● 特定化合物（通常是咖啡因）的傳質(zhì)模型現(xiàn)有的模型并不能建立萃取參數(shù)與風(fēng)味或感官特征之間的直接關(guān)聯(lián)。總結(jié)和展望關(guān)于咖啡的萃取，有很多關(guān)于香氣與揮發(fā)性有機(jī)化合物關(guān)系的研究。還有研究結(jié)果表明，一些非揮發(fā)性化合物，如咖啡因、胡盧巴堿、綠原酸和黑色素，與咖啡的苦澀有關(guān)。脂類和一些多糖與質(zhì)構(gòu)特性（醇厚度和余韻）有關(guān)?？Х鹊目傻味ǘ群涂筛兄乃岫戎g，以及咖啡的化學(xué)成分和咖啡的甜度之間，都沒(méi)有明確的關(guān)系?？Х鹊妮腿∵^(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的操作，因?yàn)橐恍┳兞繉?duì)咖啡的化學(xué)成分和感官特征有直接影響。盡管咖啡的萃取過(guò)程很復(fù)雜，但對(duì)物理、流體力學(xué)和質(zhì)量/熱量傳遞現(xiàn)象的研究,可以為萃取與影響咖啡感官特征的化學(xué)成分之間的聯(lián)系提供有價(jià)值的見(jiàn)解。進(jìn)一步的研究將結(jié)合新的工具和應(yīng)用知識(shí)，用于開(kāi)發(fā)可復(fù)制、成本效益高、質(zhì)量高的咖啡飲品，最大限度地滿足消費(fèi)者需求，促進(jìn)消費(fèi)。
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