如何冲出一杯完美咖啡？掌握这些方法，让你成为咖啡大师

作者：李存普（重庆大学化工学院教授）

咖啡已成为东西方许多人的日常必需品。与传统的泡茶叶饮用的茶文化不同，主流的咖啡制作过程是将咖啡豆磨成粉，然后用热水萃取咖啡粉。

如今忙碌的上班族们不断追求更美味、更稳定的咖啡风味，但结果却只能是令人满意。本文将根据咖啡的风味、口感、浓度要求，探索精准控制咖啡风味的方法和策略，以期帮助读者制作出一杯更稳定、更完美的咖啡。

当我们喝咖啡时我们喝的是什么？

当我更习惯假装的时候，我尝试去研究图1所示的咖啡风味轮，希望当我拿起一杯50mL刚刚经过9bar压力萃取的意式浓缩咖啡（“萃取”在化学中多用于指液/液溶解分离，咖啡是“固-液”萃取，“浸出”主要在化学中用来表达。）时，能快速吸进嘴里，并得出诸如“前调有坚果和黑巧克力的味道，基调有明显的柑橘味”这样的结论。

图1 常见咖啡风味轮

但现在，我就喜欢提前点一杯苦如人生的冰镇美式咖啡，一口气喝完。抛开复杂的咖啡风味轮可能不是每个人都能分辨出来的，咖啡本身的味道的确是复杂而诱人的，因为咖啡液中含有2000多个分子。如图2所示，除了最直接需要的咖啡因分子外，各种芳香族分子、有机酸分子、碳水化合物、脂质等共同构成了咖啡的风味。比如异丁醛提供辛辣口感，乙醛带来果香，呋喃酮让咖啡产生甜味，吡嗪给咖啡带来泥土味等等。这些酸味、苦味、涩味、果味，以及一些酯类提供的爽滑口感，共同构成了咖啡的风味。咖啡豆品种和产地的差异自然是不言而喻的。 各类咖啡豆的处理方式，如水洗、日晒、烘焙温度和时间、发酵程度等，都会影响咖啡豆中的各种成分及其比例。这在精品咖啡馆尤为重要——很多特殊的豆子搭配上技艺娴熟的咖啡师，才能让我们喝到一杯充满惊喜的咖啡。

图 2 咖啡中的代表性分子。除咖啡因外，还有许多其他有机化合物，包括含硫有机化合物、醛和酮、酚、呋喃和吡嗪。

控制变量，制作一杯好意式浓缩咖啡

很多人选择购买咖啡机，就是为了随时在家或者办公室冲泡咖啡。这样可以更好地根据自己的喜好调整咖啡的口味，也比每天去咖啡店更划算。让人无奈的是，用咖啡机冲泡出来的咖啡肯定很难和精品咖啡店的产品相比，甚至和使用同种咖啡豆的连锁咖啡店的产品相比，差距也很大。而且，使用同样的机器、同样的咖啡豆，咖啡的味道很难稳定。

那么，有没有办法用家用咖啡机做出稳定好喝的咖啡呢？有。对于大多数咖啡机来说，基本的咖啡产品就是意式浓缩咖啡，经过简单的调制，意式浓缩咖啡自然衍生出美式咖啡、拿铁等品种。因此，掌握了制作意式浓缩咖啡的核心技术，在各类花式咖啡中就能遥遥领先。意式浓缩咖啡的制作方法很简单，将15-22g咖啡豆研磨成粉，铺在粉碗中压实，然后利用9-10bar压力将92-95℃热水注入粉碗，收集30-60g咖啡液即可。看来只要控制好上述压力、温度、体积等变量，咖啡的口感和风味应该会很稳定。

不幸的是，精确的压力和温度控制需要复杂的机械结构和昂贵的传感器。例如，如果要精确稳定地控制出水温度，就需要一个保温性好、加热稳定的锅炉来提供热水。因此，只有昂贵的商用咖啡机才能相对准确地控制上述因素。家用咖啡机的实际工作状态往往会因性能不足而出现明显偏差。但没关系。你自己的咖啡机就是为你服务的。通过控制变量，我们总能让自己家的咖啡机成为制作“特别”咖啡的得力工具。

2020年，俄勒冈大学的Christopher H. Hendon和朴茨茅斯大学的Jamie M. Foster在期刊上发表了一篇论文，报道了一种可以系统地优化浓缩咖啡的数学模型。如图3所示，如果将浓缩咖啡的制作过程看作是一个化学萃取过程，那么萃取发生的场所就是盛有咖啡粉的粉碗，而咖啡的制作过程就是将咖啡粉中的风味成分萃取到咖啡液中。萃取到咖啡液中的物质与干咖啡豆的重量比定义为萃取率（EY）。

图3 意式咖啡粉碗结构示意图及咖啡粉分布

根据精品咖啡协会（SCA）的建议，浓缩咖啡的萃取率应为17-23%。萃取率超过23%时，咖啡会偏苦；萃取率低于17%时，咖啡会偏酸。显然，咖啡粉的研磨、萃取时热水的压力、咖啡粉的用量都会直接影响咖啡最终的萃取率，以及咖啡的口感。

现在我们来制作一杯40克的浓缩咖啡。

第一步是研磨咖啡豆。根据亨顿的模型，如图4所示，磨豆机研磨的咖啡豆颗粒越细，萃取率就越大。这是直观的，因为颗粒越细，总表面积越大，越容易萃取出咖啡粉中的风味物质（图4C中的蓝线）。该模型也会根据实际情况进行修改，因为在实践中，随着磨豆机设定的期望粒度越来越小，并不是所有的咖啡豆都能被研磨均匀，总有一些相对较大的颗粒没有研磨到期望的粒度。在用热水冲泡时，这些大颗粒与水和其他细粉会以不同的方式相互作用，形成部分堵塞的流体。（对于部分堵塞的流体，亨顿模型用图4C中的黄线表示。）

实验中，当研磨机设定为较细的粒度时，实际提取率（圆圈）更接近于部分堵塞流体；当研磨机设定为较粗的粒度时，部分堵塞现象不再存在，实际提取率（圆圈）更接近于标准流体。

图4 (AB)咖啡粉的粒径分布；(C)萃取压力固定为6bar时，咖啡粉研磨粗细度与萃取率的关系。蓝线为标准流体模型，即颗粒越细，萃取率越高；黄线为部分阻塞流体模型，即当咖啡粉有大有小时，流体会流动不均匀。圆圈为实际情况，细磨时接近黄线，粗磨时接近蓝线。

制作咖啡的另外一个关键问题是，应该使用多少咖啡粉？如图5所示，咖啡粉的量越大，咖啡的萃取率越低。这有点违反直觉，毕竟咖啡粉越多，咖啡应该越浓才对。萃取率怎么可能更低呢？事实上，咖啡粉越多，浓缩咖啡就越浓；但对于所有的咖啡粉​​来说，萃取物质在咖啡粉中的比例是下降的。这意味着，如果你放更多的咖啡粉，并且研磨得相对粗一些，你可以得到一杯浓郁（咖啡粉较多）且略带酸味（萃取率低）的浓缩咖啡；你也可以用相对较少的咖啡粉，做出一杯口味较淡（咖啡粉较少）但苦涩的咖啡（萃取率高）。

至于萃取率为何会影响风味，溶解度可能是关键因素之一。咖啡中的酸性物质，比如奎宁酸，溶解度很高，所以很容易溶解，在较低的萃取率下大部分都会溶解；而一些苦味物质，比如苯基茚满和奎尼丁，溶解度很低，需要较高的萃取率才能溶解。所以，萃取率低则酸性更强，萃取率高则苦味更强。

图5 （A）粉量与萃取率的关系：粉量越多，萃取率越低（但咖啡可能更浓）；（B）压力与萃取率的关系：压力越大，萃取率越低（但可能带出更多不易溶于水的风味物质）

另外一个有意思的，是萃取压力、萃取率与风味之间的关系。如图5(B)所示，由于咖啡液总量控制在40g，萃取压力越高意味着水流速度越快，水流过咖啡粉的速度很快，萃取率自然就低。但是对于咖啡中特殊的风味物质，有些溶解度很低，它们被流过的热水带出来而不是被溶解（就像洗手一样，水会带走一些污垢而不是溶解在水中），所以在实际操作中，较高的萃取压力往往带来更浓郁的口感，而需要更细的咖啡粉才能获得中性的味道。

对于我们自己家用的咖啡机，我们掌握了调控口味的关键。增加粉量可以增加浓度，增加压力可以增加口味的浓郁度，控制研磨颗粒大小可以调控萃取率——当咖啡味道偏酸时，将粉磨得更细，减少粉量；如果浓度不够苦，增加粉量，用压力来控制酸度。如果想要特别全面的风味，甚至可以制作两杯不同参数的咖啡，然后混合在一起。如图6所示，我们可以用较少的咖啡粉和较粗的研磨颗粒得到一杯不太浓且苦味比例较高的浓缩咖啡（绿点）；而用更多的咖啡粉和更高的研磨颗粒得到另一杯酸度和浓度更高的浓缩咖啡（紫点）。将两者混合后，就可以得到一杯酸度和苦味相对中性的双份浓缩咖啡。

图6 将两杯紫色和绿色混合在一起可以获得综合风味

研磨的超级秘密

我们可能已经发现，研磨似乎是咖啡制作中最难控制的一个环节。俄勒冈大学的 Christopher H. Hendon 等人在 2024 年 1 月发表的期刊中进一步讨论了咖啡粉因研磨而摩擦带电的问题。其实，在咖啡研磨过程中，咖啡粉会因为咖啡豆与刀片的摩擦、咖啡裂解过程中电荷分布不均等原因而带电。与刀片的摩擦带电很容易理解，是由于两种物质相互摩擦接触，一种物质的电子转移到另一种物质上，结果失去电子的物质带正电，而获得电子的物质带负电。

值得一提的是，咖啡豆裂解的过程也会产生静电，其原理与火山灰爆炸带电十分相似。如图7所示，在小颗粒层面，当咖啡颗粒裂解时，由于共价键的断裂，其中的电子/离子会被释放出来，因此剩下的咖啡粉会带有正电荷或负电荷。这也是咖啡粉在研磨过程中带电以获得细小颗粒的主要原因。

图7 火山灰带电及随后的凝聚机理。在小颗粒层面，颗粒裂解后边缘电子被释放，使得剩余颗粒带正电荷。

咖啡粉的电荷会导致粉末结块，影响其粒度分布。研究人员发现，咖啡豆的品种、烘焙方式和研磨咖啡粉的电荷和粒度分布关系不大，但深度烘焙的咖啡豆相对带电较少，咖啡粉的结块较少。这或许也是星巴克使用深度烘焙咖啡豆较多的原因吧？

图8 横轴为不同咖啡豆品牌，纵轴为咖啡粉的电荷/质量比。灰色为第一次细磨，黑色为第二次粗磨。可以看出粒度分布保持不变，但咖啡粉的电荷明显提高。

另外，如果不嫌麻烦的话，二次研磨可以明显减少咖啡豆的带电与结块。如图8所示，第一次细磨会得到更细的咖啡粉，但咖啡粉带电与结块较多；然后再用较粗的齿轮研磨一次，不会让咖啡粉变得更细，但可以减少咖啡粉的带电与结块。

更重要的是，增加湿度可以降低咖啡粉的带电性。如图9所示，无论何种咖啡豆，在放入磨豆机前喷洒少许水，都能明显降低咖啡粉的带电性与结块性，提升咖啡品质。这或许就是社交媒体上广为流传的“罗斯水滴技术”技术的本质原因（磨豆前在咖啡豆上喷洒水，可有效减少静电飞粉）。

图9 研磨过程中在咖啡豆上喷洒少量水，可减少咖啡粉的聚集，使颗粒尺寸更细。因此，咖啡液的流速减慢，咖啡浓度增加

寻求科学答案

咖啡的制作研究一直是学术界关注的有趣领域。例如，2015 年，意大利卡梅里诺大学的 Sauro Vittori 比较了浓缩咖啡和现煮咖啡在风味和化学成分方面的差异。现煮咖啡的咖啡因和绿原酸含量高于浓缩咖啡，这意味着现煮咖啡可能具有更好的提神效果。如果想从源头控制咖啡的制备，波兰波兹南理工大学的 Magdalena Jeszka-Skowron 在 2016 年发表了一篇文章，讨论了咖啡豆品种和烘焙工艺对成品咖啡豆风味成分的影响。

或许在不久的将来，当我们能够分析并轻易获得咖啡中所有的风味分子时，我们做出的咖啡的风味或许会更加稳定：我们精选咖啡因、单宁酸、各种硫醇、酚的用量，用程序控制将各种风味分子定量注入水中，加热摇匀，然后送到你的手中。味道永远保持不变，永远可以定制，但或许这已经背离了咖啡最初的诉求——放松而非提神。

喝下这杯只属于你自己的定制咖啡，热情拥抱生活。

参考

[1]

[2] Cameron 等人，第 2 条，631–648 页。

[3] Mendez Harper 等人，《Matter 7》，第 266-283 页。

[4] Cimarelli, C.、Behnke, S.、Genareau, K. 火山起电：最新进展和未来展望。84, 78 (2022)。

[5] Giovanni Caprioli、Manuela Cortese、Gianni Sagratini 和 Sauro Vittori (2015) 不同类型的冲泡方式（浓缩咖啡和冲泡咖啡）对咖啡香气和主要生物活性成分的影响，国际食品科学与营养杂志，66:5, 505-513，DOI：10.3109/09637486.2015.1064871

[6] Jeszka-Skowron，M.，Sentkowska，A.，Pyrzyńska，K. 绿咖啡提取物的绿原酸、咖啡因含量和抗氧化特性：绿咖啡豆制备的影响。242，1403–1409 (2016)。