干貨 | 譯文《專業(yè)咖啡師手冊》（四） 過濾和萃取的理論科學(xué)

每日精品咖啡文化雜志咖啡行業(yè)交流請加私飲品界前街咖啡，微信號：(長按復(fù)制)IMAKECOFFEE《專業(yè)咖啡師手冊》　　作者：Scott Rao　　翻譯：德瓦叔叔專業(yè)咖啡師該如何入門呢？譯文《專業(yè)咖啡師手冊》（一）干貨 | 譯文《專業(yè)咖啡師手冊》（二）Espresso研磨、填粉和布粉干貨 | 譯文《專業(yè)咖啡師手冊》（三）壓粉的力度，如何壓粉..　　第三章 過濾和萃取的理論科學(xué)　　　　筆者經(jīng)過研究并寫下本章，旨在讓咖啡師了解Espresso過濾時的動力學(xué)。有些讀者會覺得這一章既充實又迷人，也有些讀者會看得頭皮發(fā)麻。筆者認(rèn)為閱讀并且吸收本章內(nèi)容是有會有正面回報的，其最重要的意義在于能夠為判斷大部分過濾和萃取中的問題提供理論基礎(chǔ)?！　　　∵^濾動力學(xué)　　　　Espresso過濾的動力學(xué)非常復(fù)雜，而且尚未完全參透。不過針對現(xiàn)在了解到的過程，已經(jīng)有一些可靠的模型可以對其進(jìn)行描述。我們首先會討論、觀察沖煮滴濾式咖啡時，咖啡粉、氣體、和濾器中的水之間的密切聯(lián)系，在此之后，上面說到的這些模型就很容易被形象化了。我們可以使用手沖或者任意可以在沖煮時觀察到咖啡粉的滴濾機(jī)來完成這一步驟。　　　　滴濾式咖啡的過濾和萃取動力學(xué)　　　　第一階段：浸濕。水淋到粉床上，浸濕咖啡粉，令咖啡粉迅速釋放二氧化碳。釋出的二氧化碳會對水造成沖擊，引發(fā)咖啡粉的擾動，可以同時延緩咖啡粉浸濕和水流穿過粉床的速度。通過沖煮完成之后覆蓋在咖啡粉上的那一層泡沫，可以證明擾動的存在?！　　　∷偸菚x擇阻力最小的路徑流過粉床，因此水流穿過粉床時是不太規(guī)律的。水在從咖啡粉中萃出物質(zhì)的同時，也在被咖啡粉吸收，而未被咖啡粉吸收的液體在繼續(xù)流過粉床時，濃度逐漸增加。同時，咖啡粉吸收了水分之后會膨脹隆起?！　　　〉诙A段：萃取。最先從濾器中流出的咖啡液最粘稠，濃度最高。隨著萃取進(jìn)程推進(jìn)，液體的濃度會越來越淡，因為粉床中剩下的易萃出物質(zhì)會越來越少。　　　　萃取有兩個階段。在第一個階段，固體物質(zhì)是從咖啡粉的表面被沖刷出來。而第二個階段，水會擴(kuò)散到咖啡顆粒內(nèi)部，把固體物質(zhì)由內(nèi)部提取出來，“擴(kuò)散”總是從濃度較高的區(qū)域向濃度較低的區(qū)域轉(zhuǎn)移?！　　　U(kuò)散作用由一連串動作產(chǎn)生。首先，水和咖啡顆粒接觸，放出氣體。之后，水進(jìn)入咖啡顆粒的毛細(xì)孔，使顆粒膨脹，顆粒內(nèi)部的固體物質(zhì)開始溶解。接下來，溶解出的固體物質(zhì)會先擴(kuò)散到顆粒表面，再溶入周圍的溶液中?！　　　≡跊_煮時，水會持續(xù)注入粉床頂部，稀釋液體、咖啡粉、和氣體的混合物。接近粉床頂部的這些稀釋液體，由于濃度差（咖啡粉中固體物質(zhì)的濃度、溶液中固體物質(zhì)的濃度，兩者之間的差值）的懸殊，會快速地對上層的咖啡粉產(chǎn)生擴(kuò)散作用。到了粉床底部，萃取的速度會變得慢一些，原因是這里的液體中的固體物質(zhì)濃度更高，降低了濃度差。最終的結(jié)果就是萃取不均勻，上層的咖啡粉會比下層的咖啡粉萃出更多固體物質(zhì)（注1：使用錐形濾杯時，粉床由上而下的萃取率會比使用圓柱形濾杯時更均勻，詳見本章后文關(guān)于濾杯形狀的討論）?！　　　spresso的過濾和萃取動力學(xué)　　　　Espresso和滴濾咖啡的動力學(xué)是相似的，盡管Espresso的萃取更主要靠沖刷來完成，擴(kuò)散作用的戲份很少。用來描述Espresso過濾的模型還不是很完善，但是通過實踐，已經(jīng)可以證明它對預(yù)測出品成功與否的有效性。下面的內(nèi)容結(jié)合了已發(fā)表的研究報告和來自精品咖啡產(chǎn)業(yè)的前沿知識。　　　　第一階段：浸濕。在第一個階段，水填滿萃取腔的頭部空間，浸濕咖啡粉，并排出氣體。在咖啡粉吸收水的同時，水也會從咖啡粉中取出固體物質(zhì)。吸收的水分使咖啡顆粒膨脹，減少粉床中的空隙?！　　　∷鬟^粉床時會從咖啡粉中侵蝕出固體物質(zhì)，并讓這些固體物質(zhì)沉淀到粉床底部。這會使粉床底部的固體物質(zhì)含量在浸濕階段得到增加（注2：具體增加了多少沉淀的固體物質(zhì)，又具體有多少固體物質(zhì)是隨著萃取液體流到粉床底部的，目前還無法通過中斷萃取進(jìn)程來測量記錄）?！　　　≡诮耠A段，咖啡粉床極易受到通道的侵害。諸如干咖啡粉的凝聚力不足、咖啡粉位移、膨脹造成的粉床重構(gòu)、固體物質(zhì)移動的速度太快、還有某些機(jī)器會有的意外的壓力增加，都會在這一階段內(nèi)極大提高通道形成的可能性?！　　　〉搅私耠A段的最后時刻，粉床已經(jīng)被徹底變化：消除了空隙，膨脹了起來，吸收了沖煮用水的熱量，氣體被排出，固體物質(zhì)從粉床的上層轉(zhuǎn)移到了下層，優(yōu)先的水流路徑已經(jīng)形成，通道也有可能已經(jīng)形成?！　　　〉诙A段：增壓。壓力差使水從高壓區(qū)域穿過粉床流向粉碗底部濾孔的低壓區(qū)域。按照流體力學(xué)中的達(dá)西定律所述，隨著外加壓力的增加，穿過粉床的水量也會增加。然而，在學(xué)術(shù)出版物中的實驗證據(jù)與達(dá)西定律有兩個明顯矛盾：　　　　1. 隨著萃取過程中的壓力增加，最初水的流速會加快，到達(dá)最快速度后開始減速，逐漸趨近一個恒定的流速?！　　　?. 對不同外加壓力值下萃取的出品取樣，發(fā)現(xiàn)壓力較高時水的流速也較快。但是壓力不能高于某一個特定的值，一旦超過這個值，流速就不會變化、甚至反而減慢了。簡而言之，如果你把意式咖啡機(jī)的泵壓從9個大氣壓調(diào)整到12個大氣壓的話，水流的速度可能反而會變慢?！　　　≡谠鰤旱倪^程中流速變慢這一現(xiàn)象，有幾種可能的原因。其一，在增壓階段，殘存的部分干咖啡粉也被浸濕并膨脹，讓粉床中的孔隙更少了，從而增加了水流阻力。其二，壓力的增加使粉床更加緊實，也增加了水流阻力。最后，增加的壓力“幫助”了咖啡顆粒的移動（即極細(xì)粉位移），使得粉床逐漸變得更加緊實?！　　　〉谌A段：萃取。關(guān)于沖煮過程中的沖刷和擴(kuò)散這兩種不同的萃取形式的研究，目前還存在不同意見。其中一撥研究者整理數(shù)據(jù)后，推斷萃出的物質(zhì)主要是由沖刷咖啡細(xì)胞外壁完成的。而另一撥研究者研究了同樣的數(shù)據(jù)，推斷在頭1分鐘內(nèi)85%~90%的萃出物是由細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散完成的（而且之后是100%）。假如真是后者所說的這樣，那么擴(kuò)散就才是Espresso萃取的主角?！　　　∪欢鶕?jù)使用大型濾器研究的結(jié)果，在咖啡顆粒滿足如下條件時，擴(kuò)散作用才會產(chǎn)生：　　　　1. “束縛水適量”?？Х阮w粒能夠容納相當(dāng)于自重15%的束縛水?！　　　?. 被游離的萃取液體滲透?！　　　?. 氣體已全部排出?！　　　?biāo)準(zhǔn)的Espresso萃取時間并不長，幾乎無法同時滿足上面3個條件，讓擴(kuò)散發(fā)生。因此，就像油脂來自乳化作用（注3：油脂的乳化作用似乎是由Espresso沖煮過程中的高壓引起。關(guān)于乳化液是否是Espresso最重要的一個評判條件還存在爭議）一樣，很有可能Espresso的整個萃取過程都是由沖刷來完成的。就算擴(kuò)散有功勞的話，也只是杯水車薪。　　　　↑ 咖啡粉（以堆砌的矩形表示）的顏色在第一張圖里是深紅色，代表固體咖啡物質(zhì)的濃度很高。在后面幾張圖里，紅色越淺代表固體物質(zhì)的濃度越低?！　　　= -10秒：壓力泵啟動之前的干咖啡粉。飽含固體物質(zhì)，極細(xì)粉分散在粉床各處?！　　　 = -1秒：預(yù)浸泡接近尾聲時的粉床。水已經(jīng)滲透了幾乎整個粉床，但萃取還未開始。咖啡粉吸收水分后，粉床膨脹。一條通道（以黃線表示）形成在粉床中間。粉床頂部已經(jīng)開始有固體物質(zhì)流失，粉床下層的固體物質(zhì)得到增加。極細(xì)粉開始向粉床底部移動?！　　　 = 0秒：第一滴萃取液體出現(xiàn)。在通道的出口出現(xiàn)第一滴萃取液體。極細(xì)粉和固體物質(zhì)越發(fā)集中于粉床的下層。粉床隨著壓力的增加而收縮?！　　　 = 5秒：萃取初期。固體物質(zhì)和極細(xì)粉迅速離開粉床。泵壓加滿之后，粉床進(jìn)一步被壓縮。　　　　T = 15秒：萃取中期。粉床因質(zhì)量流失而收縮。粉床頂層的可萃取固體物質(zhì)幾乎已喪失殆盡。大部分極細(xì)粉和固體物質(zhì)都集中在了粉床的最底層?！　　　 = 25秒：萃取末期。粉床頂層的可萃取固體物已經(jīng)被抽空。粉床丟失了干燥狀態(tài)時約20%的重量?！　　　∫后w的變化　　　　在準(zhǔn)備工作完成得很好的情況下，最開始萃出的液體應(yīng)該很粘稠，而且顏色很深（注4：普遍認(rèn)為在萃出液體中的焦糖化固體物的濃度越高、或二氧化碳的濃度越低時，顏色就會越深。不過可能還有其他的因素也會影響液體的顏色。）。再往后液體會變得越來越稀薄，而且顏色也會逐漸變淡，最終變成黃色。在液體變成黃色（或金色）時，就要切斷水流，防止在對風(fēng)味沒有任何益處的情況下使?jié)舛缺幌♂?。這是因為到了萃取末期，萃出液體中的咖啡風(fēng)味物質(zhì)含量已經(jīng)非常低了。　　　　粉床頂層的固體物質(zhì)在浸濕和萃取初期迅速被抽出，這是由于高溫使得顆粒在浸濕階段更容易位移，而且還得益于一個很懸殊的濃度差?！　　　》鄞蚕聦拥墓腆w物含量從浸濕階段開始增多，之后在萃取初期穩(wěn)定下來，因為下層咖啡粉在流失少量易溶于水的固體物的同時，又增加了沉淀的極細(xì)粉。最后的結(jié)果就是在萃出的液體中，粉床上層貢獻(xiàn)的固體物所占比例要遠(yuǎn)高于粉床下層。　　　　極細(xì)粉　　　　極細(xì)粉、或超細(xì)的細(xì)胞壁碎片的位移，是Espresso萃取中的“未知因素”。雖然我不知道有什么直接測量的方法能夠量化極細(xì)粉位移，但在已發(fā)布的研究報告中卻有很多的間接證據(jù)可以證明它的存在。在假定極細(xì)粉會位移、而且會在粉床底部形成一個致密層的前提下，還可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型推測出它的存在（注5：有一些數(shù)學(xué)模型可用于模擬Espresso萃取，并允許輸入不同的變量，諸如粉床在預(yù)浸泡時被浸濕的比例，萃取完成后粉床上下各層剩余的固體物數(shù)量，和萃取時的流速。實踐已經(jīng)證明了這些模型根據(jù)上述變量所推測的結(jié)果的準(zhǔn)確性）?！　　　∪绻纬闪嗣黠@的致密層，將堵塞粉碗底部的濾孔，破壞萃取的均勻度。致密層的形成會從以下幾個方面破壞Espresso的品質(zhì)?！　　　?. 使流速意外減慢。每一個目睹過萃取過程中流速變慢的咖啡師，應(yīng)該都是致密層形成后使水流阻力增加的見證者?！　　　?. 不均勻的萃取和通道?！　　　?. 減少Body，假如過多的細(xì)粉取代有用的固體物（包括可溶解的和不可溶解的）進(jìn)入杯中的話?！　　　O細(xì)粉對Espresso品質(zhì)的影響　　　　拋開致密層不談的話，極細(xì)粉對Espresso的品質(zhì)既有好的影響，又有壞的影響。為了深入了解極細(xì)粉的影響，筆者在填粉之前使用一只90微米粉篩來排除大量的極細(xì)粉（注6：筆者并沒有對去除的細(xì)粉記重，僅搖晃了一分鐘左右的粉篩，直到?jīng)]有極細(xì)粉繼續(xù)穿過粉篩）。去除極細(xì)粉后最顯著的影響就是流速的加快，這表明極細(xì)粉會增加水流的阻力。將研磨度調(diào)細(xì)到恢復(fù)正常流速后，繼續(xù)用篩過的粉出品幾杯。與“正?！钡某銎废啾?，篩掉極細(xì)粉的出品的Body更少，苦味也更少。　　　　由于極細(xì)粉對Espresso既有好處（更多的Body）又有壞處（更多的苦味），那么只有為給定的填粉量找到最佳的極細(xì)粉占比，才能做出最優(yōu)秀的Espresso。但這個占比要能夠限制極細(xì)粉位移，預(yù)防致密層的形成。我們沒有什么切實可行的方法來測量極細(xì)粉的產(chǎn)生和位移，但至少有很多方法可以減少極細(xì)粉的產(chǎn)生和位移?！　　　∠拗茦O細(xì)粉的產(chǎn)生　　　　由于咖啡熟豆的硬度不高，在研磨時不可避免的會產(chǎn)生極細(xì)粉。針對一個給定的研磨設(shè)定，有四種方法可以減少極細(xì)粉的產(chǎn)生：使用更鋒利的刀盤；使用更淺的烘焙度；使用轉(zhuǎn)速更慢的磨豆機(jī)；使用含水量更高的咖啡豆?！　　　∠拗茦O細(xì)粉的位移　　　　咖啡師可以通過兩種方法來間接監(jiān)測極細(xì)粉位移：使用無底粉碗觀察萃出液體的流速和顏色是否均勻（不同區(qū)域之間的顏色差異不能太大）；或者敲掉已使用的粉餅后，檢查粉碗的濾孔（濾孔不能有堵塞）。通過上述觀察，咖啡師能夠得知極細(xì)粉位移是否存在?！　　　∫獪p少極細(xì)粉位移，最簡單高效的方法就是使用低壓預(yù)浸泡。使用較細(xì)的研磨度也可以減少極細(xì)粉位移，較細(xì)的研磨縮小了咖啡粉之間的空間，從而壓縮了可供位移的路徑，也讓粉床更加緊實。當(dāng)然，僅僅只調(diào)細(xì)研磨度會使流速變慢，但在調(diào)細(xì)研磨度的同時減少填粉量，或使用大一點的粉碗，就能保持原來的流速了。　　　　粉碗的形狀與萃取　　　　標(biāo)準(zhǔn)單份粉碗的形狀就像一個截掉了頂部的圓錐；標(biāo)準(zhǔn)雙份粉碗則是（或接近）一個圓柱。粉碗的形狀是否會影響萃取的質(zhì)量呢？答案是不完全肯定?！　　　”菊虑拔囊烟岬?，在萃取過程中，粉床上層萃出的固體物質(zhì)比粉床下層要多。這種不均勻的萃取對出品的風(fēng)味和濃度都有損害：上層會萃取過度，萃出苦味和澀味；而下層會萃取不足，使甜度降低，濃度降低，還有可能出現(xiàn)發(fā)展不完全的風(fēng)味?！　　　∈褂脠A柱形的粉碗會使這種不均勻的萃取加劇，而使用截錐形（即梯形）的粉碗則能對不均勻萃取做出一些彌補(bǔ)。為了幫助理解，我們假設(shè)萃取的前期工作都做得很完善，然后分別使用一個圓柱形的粉碗和一個截錐形的粉碗，完成了萃取。再假設(shè)在這兩次萃取過程中，細(xì)粉沒有位移，而且也沒有明顯的通道形成?，F(xiàn)在想象你能夠在萃取時觀察到粉床內(nèi)部的樣子，在你的腦海里把粉床橫切成一塊一塊的薄片，即橫切面（可以想象成疊成一堆的光盤）?！　　　≡趫A柱形的雙份粉碗中，液體流經(jīng)每一層的量都是相等的（讓我們暫時忽略咖啡粉的吸水作用）（注7：現(xiàn)實中咖啡粉會吸收水分，這會使計算流經(jīng)每一層的液體量變得復(fù)雜，但并不影響截錐形粉碗底層的單位面積液體流量和萃取率高于圓柱形粉碗這一事實）。而且每一層的面積也是完全相同的。因此，流過任意一層的單位面積的液體量都是相等的?！　　　≡诮劐F形的粉碗中，液體流經(jīng)每一層的量也是相等的。不過越靠上的層面積越大，液體往下流經(jīng)的層的面積會越來越小。因此，至上而下，流過每一層的單位面積的液體量是呈增加趨勢的（就像兩條車道并道變成一條，并道前后經(jīng)過的車流量是一樣的。但是并道之后，論單條車道的車流量是加倍的）?！　　　〗劐F形粉碗中越靠下的層，單位面積流量越大，使得下層萃出的物質(zhì)更多。所以，在這次假設(shè)的萃取實驗中，截錐形的粉碗提供了更為均勻的萃取。　　　　這個原理同樣適用于滴濾式咖啡，使用錐形的濾器也能夠提升粉床的萃取均勻度。使用錐形濾器來制作滴濾式咖啡并不難，但據(jù)我所知沒有一臺商用滴濾機(jī)是原裝就配備錐形濾籃的。商用機(jī)器通常都提供了各式各樣的兼容濾籃，最好選用形狀最接近錐形的那種?！　　　spresso沖煮比例和標(biāo)準(zhǔn)　　　　什么是Ristretto？什么是Normale？什么是Lungo？　　　　盡管有一個所謂的意大利標(biāo)準(zhǔn)，但世界上其他各國還是會用五花八門的填粉量和出杯量制作Espresso。因此，小標(biāo)題的這三個名稱對于不同的咖啡師而言，意義也不盡相同?！　　　‘?dāng)然，在同一間咖啡館里，Normale肯定指的是標(biāo)準(zhǔn)的出品；Ristretto使用同樣的填粉量，但是出杯量較少；Lungo則是用同樣的填粉量，但是出杯量更多。所以這三個名稱也代表了Espresso沖煮比例的大?。ㄗ?：“沖煮比例”一詞原本用于滴濾式咖啡，指的是干咖啡粉與沖煮用掉的水的比值。在制作Espresso時，由于咖啡粉的吸水率變化無常，很難測量出沖煮時具體用掉了多少的水。因此，我們從實用的角度出發(fā)稍稍曲解原意，將Espresso的沖煮比例定義為干咖啡粉重量與出品的咖啡液重量的比值）?！　　　「鶕?jù)傳統(tǒng)，咖啡師是使用容量來測量出品的大小的，比如1 oz或30 ml就是標(biāo)準(zhǔn)的意大利Normale。這樣會帶來一個麻煩： Crema的量在不同的出品中是大不相同的，而且不同出品中的液體量差別也很大。任何一個咖啡師在將幾份出品同時放置幾分鐘后再看，都會發(fā)現(xiàn)Crema消散后剩下的液體量是很不一致的。　　　　使用新鮮的咖啡豆、現(xiàn)磨現(xiàn)煮、添加羅布斯塔豆、使用無底手柄、和其他的一些手段，都可以增加Cerma的量?！　　　∫獙Ρ菶spresso沖煮比例和出品“大小”的正確方法是對干咖啡粉和出品的咖啡液稱重。在咖啡館營業(yè)過程中對出品進(jìn)行稱重是不太現(xiàn)實的，筆者也不建議咖啡師對所有的出品都去稱重，但我認(rèn)為咖啡師應(yīng)該間歇性地抽取部分出品進(jìn)行稱重，有助于提升出品的一致性。對出品稱重同時還可以讓咖啡師們在討論填粉量、出杯量、Espresso沖煮比例時描述得更生動。　　　　將出品容量替換成出品的重量來計算Espresso沖煮比例這個理念，來自筆者的朋友Andy Schecter ，一位來自紐約羅契斯特的天才業(yè)余咖啡科學(xué)家（注9：關(guān)于Andy這個理念的具體討論內(nèi)容，以及下文展示表格的原始版本，詳見此網(wǎng)頁：http://www.home-barista.com/forums/brewing-ratios-for-espresso-beverages-t2402.html）。　　　　↑ 在這張表格中，AndySchecter通過Espresso沖煮比例來定義了Ristretto、Normale和Lungo。不是所有咖啡師都能夠認(rèn)同Andy這種定義法，但他提出的標(biāo)準(zhǔn)其實就是意大利的通用做法，而且解釋起來簡單又便于記憶。我們來看一下，Andy將標(biāo)準(zhǔn)Ristretto定義為咖啡液和干咖啡粉重量相等；標(biāo)準(zhǔn)Normale，即標(biāo)準(zhǔn)Espresso的重量是干咖啡粉重量的兩倍；標(biāo)準(zhǔn)Lungo的重量是干咖啡粉重量的三倍。Cafe Crema就只是將Espresso的萃取時間拉得很長而已?！　　　∮袀€很有趣的事情，就是咖啡師使用咖啡機(jī)程序設(shè)定的定量按鈕制作的出品，沖煮比例的一致性遠(yuǎn)高于咖啡師憑觀察手動結(jié)束的出品。使用程序按鈕的出品Crema量會有差異，但是重量能保證基本一致?！　　　】Х葞熞绾卫藐P(guān)于出品重量和Espresso沖煮比例的這些信息呢？其一，筆者認(rèn)為咖啡師應(yīng)該每天對部分出品進(jìn)行稱重，有助于維持出品的一致性。其二，討論萃取率時，烘焙師和咖啡師在考慮填粉量和水溫之余，同樣也要考慮咖啡液的重量。其三，咖啡師應(yīng)該嘗試使用程序設(shè)定的定量按鈕，但同時不能放松對流速和通道的警惕。　　　?。ǖ谌?完）--聲明--翻譯：德瓦叔叔如有錯誤或紕漏，請大家指摘并海涵版權(quán)歸原作者所有免責(zé)聲明：文章部分來源《專業(yè)咖啡師手冊》，網(wǎng)站部分內(nèi)容如圖片、我們會尊重原作版權(quán)注明出處，但因數(shù)量龐大，會有個別圖文未來得及注明，請見諒。若原作者有任何爭議均可與網(wǎng)站聯(lián)系處理，一旦核實我們將立即糾正，由“飲品界網(wǎng)”整理編輯，轉(zhuǎn)載請注明，本文意在傳播咖啡文化，若侵權(quán)請告知刪除，謝謝~！更多專業(yè)咖啡交流 請掃碼關(guān)注微信：IMAKECOFFEE前街咖啡 | 廣州越秀區(qū)達(dá)道路保安前街10號