震撼咖啡界的水質(zhì)研究
水是萃取咖啡的重要元素，一杯沖煮好的咖啡（除espresso外），其中有百分之98以上的成分是水，所占的比例相當(dāng)可觀。 而我們?nèi)粘_煮咖啡所使用的水有許多種類，舉凡如RO水、自來水、礦泉水、硬水、軟水...... 等等，琳瑯滿目。水不就是水嗎，為何會有這么多種類？不同種類的水會對咖啡萃取造成怎樣的影響呢？用純水煮咖啡不好嗎？水中有礦物質(zhì)好嗎？這其中有何科學(xué)上的理論呢？近年來在咖啡界越來越多的人開始注重「水」這個問題。 在此之前，唯一對咖啡用水有最完整論述的就是由美國精品咖啡協(xié)會SCAA所出版的《Water Quality》一書，它是咖啡界的經(jīng)典，但是其中在討論有關(guān)于水中礦物質(zhì)與沖煮的影響這部分，其參考文獻多來自上一世紀60至70年代Coffee BrewingCenter的出版品，爾后卻鮮少在文獻上有創(chuàng)新性的看法。 直到這兩年，有一個雙人組合經(jīng)由科學(xué)研究對水質(zhì)提出了新的發(fā)現(xiàn)，為咖啡界帶來震撼，在這次的專欄里就由小弟給各位介紹。
在2014年，由英國Bath大學(xué)Centre for Sustainable Chemical Technologies的一位博班研究生Christopher Hendon和當(dāng)?shù)氐囊患铱Х瑞^老板Maxwell co
lonna－Dashwood 在Journal of Agriculturaland Food Chemistry發(fā)表了一篇研究陽離子與咖啡萃取的文章，題目是《TheRole of Dissolved Cations in Coffee Extraction》，揭開了探討理想沖煮咖啡用水的序幕。
（Maxwell與Christopher／圖片來源網(wǎng)絡(luò)）▼水中離子對風(fēng)味物質(zhì)萃取的影響在論文中，作者選定了三種水中常見的陽離子：鈉離子、鈣離子以及鎂離子，并且著手分析這些離子對于咖啡風(fēng)味物質(zhì)的萃取有何影響。 首先作者挑了七種化學(xué)物質(zhì)，包括有乳酸、蘋果酸、檸檬酸、奎寧酸、綠原酸、咖啡因以及丁香酚，用來代表咖啡的風(fēng)味。 其中乳酸以及蘋果酸代表酸感﹙sour﹚，檸檬酸代表甜感﹙sweet﹚，奎寧酸以及綠原酸則用來代表咖啡的刺激性﹙pungent﹚和不好的﹙unpalatable﹚的風(fēng)味，而丁香酚﹙eugenol，亦常見于咖啡威士忌和紅酒中﹚則代表令人愉悅的木質(zhì)風(fēng)味。 再以熱力學(xué)的方式去計算鈉、鈣、鎂離子還有水對于上述七種咖啡成分的相對結(jié)合能量﹙Relative Binding Energy﹚，藉以當(dāng)作萃取時的指針。
文中他們發(fā)現(xiàn)鈉離子與挑選的咖啡成分其相對結(jié)合能量和水相當(dāng)，這意味著鈉離子的存在并不會影響水與這些物質(zhì)的結(jié)合，甚至他們發(fā)現(xiàn)鈉離子對于咖啡因和丁香酸的結(jié)合似乎比水還弱些。 因此，作者認為目前市面上常見的以鈉離子交換鈣離子的樹脂，其功能頂多是降低水垢的產(chǎn)生，對風(fēng)味的萃取取并沒有多大的幫助，甚至離子交換后帶有豐富鈉離子的水會影響某些風(fēng)味的萃取﹙如咖啡因和丁香酚﹚。 至于二價的金屬離子﹙即鈣離子和鎂離子﹚與挑選的咖啡風(fēng)味成分的結(jié)合能力就比鈉離子要好，也比水來的佳。 這表示當(dāng)水中有此二種礦物質(zhì)存在時，咖啡風(fēng)味成分會傾向與它們結(jié)合，進而增加萃取。▼離子特性優(yōu)缺分析若再進一步比較，則鎂離子的結(jié)合力又比鈣離子來的好一些。 值得注意的是，這些二價陽離子可以增加咖啡萃取是全面性的，其中也包括了不討喜的風(fēng)味﹙如文中選定的綠原酸和奎寧酸﹚，和有淺在藥性的物質(zhì)﹙如綠原酸有抗氧化的效應(yīng)和咖啡因有刺激神經(jīng)和腸胃系統(tǒng)的作用﹚，所以在選用上也有著健康方面的考慮，可能需要稍微注意。
雖說鈣和鎂都有著不錯的萃取能力，但是水中存在過量的鈣離子往往會與水中碳酸氫根結(jié)合而造成水垢﹙Scale﹚的問題，對熱水設(shè)備造成影響，因此若能使用鎂離子似乎是一個比較好的選擇。 文中也談到，像是在沖煮速溶咖啡上，為了要達到最高的溶解以及萃取，使用含有鎂離子的水是比較理想的選擇；若是沖煮淺烘焙的咖啡，則鈣離子和鎂離子的能力相當(dāng)。 此論文發(fā)表后，隨即引發(fā)大家對鎂離子的好奇，并且開始追求在水中增加鎂離子的方法，進而有業(yè)者開始引進鎂離子濾心或是交換樹脂，提供玩家嘗試。
與其改變水質(zhì)，不如以烘焙手法的調(diào)整來修正萃取▼深度解析咖啡與水繼2014年的論文發(fā)表后，他倆又乘勝追擊，在2015年底出版了一本專門探討咖啡與水的專書，書名是《Water for Coffee》。 此書以之前的發(fā)表為基礎(chǔ)，并把論文中沒有進討論的緩沖系統(tǒng)也一并做詳細的說明，內(nèi)容相當(dāng)充實完整，為咖啡界提供了一本很好的參考指針。 以下為大家簡述內(nèi)容綱要。本書可以分成三大部分，第一部分屬于科普知識，作者從盤古開天辟地的宇宙的誕生以及物質(zhì)的元素周期表開始講起，并介紹一些常用的化學(xué)名詞以及其科學(xué)單位，以供后續(xù)討論用。 之后便開始討論水的液、汽、固態(tài)三相與溫度壓力之間的關(guān)系、熱力學(xué)的四大定律等有關(guān)水的物理特性；以及談到水的化學(xué)組成以及其結(jié)構(gòu)，何謂極性和非極性，氫鍵的產(chǎn)生以及水與極性分子、非極性分子之間的關(guān)系；還有以熱力學(xué)的角度去看待物質(zhì)的溶解，告訴讀著物質(zhì)溶于水的科學(xué)理論根據(jù)。 再來便談到了水的解離常數(shù)與pH值，酸與堿的定義、共軛堿與緩沖溶液以及水的碳酸鹽硬度﹙Carbo
nate Hardness，KH﹚的介紹、還有總硬度﹙General Hardness，GH﹚概念。
從架構(gòu)來看，作者應(yīng)是以現(xiàn)行SCAA 建議的《water for brewing standard》中所標示的其中四種指針：TDS﹙Total Dissolved Solids﹚、pH值、Calcium Hardness﹙鈣離子硬度﹚、以及總堿度﹙total alkalinity﹚為出發(fā)點，很有野心的打算對水做個完整的介紹。 并他們也提出自己的版本﹙諸如將Calcium Hardness修正成General Hardness，以及Total alkalinity一詞改成Karbo
nate Hardness﹚，也為之后的內(nèi)容作了學(xué)理上的妥善鋪陳。我有些朋友在翻到第一部份時就因為感到內(nèi)容實在是太化學(xué)了就紛紛打退堂而鼓棄械投降，其實這些化學(xué)我們在求學(xué)時都曾接觸過，也許是時間間隔太久了，但請大家不要那么早放棄，因為好酒沉甕底喔！▼水質(zhì)濾凈及硬度與酸堿的探索第二個部分開始介紹目前測量水中的礦物質(zhì)的幾種方法，如常用的「滴定法」，TDS測量以及實驗室等級的原子吸收光譜﹙AA﹚和感應(yīng)藕合電漿質(zhì)譜儀﹙ICPMS﹚。 再來便談到了目前常見的濾水方式：從簡易地去除水中如農(nóng)藥等有機分子的活性碳濾心，到陽離子交換樹脂的原理以及其對水質(zhì)的影響，還有逆滲透的原理介紹。 值得一提的是，在國外即便是使用逆滲透，但似乎比較少直接飲用制造出來的純水，他們通常會將高濃度的離子廢水部分回填至純水中以稍微補充礦物質(zhì)，而在臺灣則多是將純水過麥飯石濾心以增加礦物質(zhì)的含量，兩者略有不同。
接下來的第三部分便開始有趣了。 首先是實作的部分，作者以鎂離子和鈣離子為例，開始教導(dǎo)大家如何調(diào)制出不同總硬度（General Hardness, GH），碳酸鹽硬度（CarbonateHardness，KH）以及調(diào)整pH值，甚至告訴大家該如何上網(wǎng)去選購所需的藥品以及價格，如果有興趣的朋友想要親自嘗試水中不同的離子種類以及濃度在沖煮咖啡的風(fēng)味上有何特色， 建議可以參考SCAA的《water for brewing standard》中的建議濃度加以調(diào)制作為探索的起點。接下來就是開始討論作者認為水中影響萃取的三個因子：鈣離子、鎂離子以及碳酸鹽緩沖系統(tǒng)（bicarbo
nate buffer system）彼此之間的關(guān)系，有趣的是小弟發(fā)現(xiàn)了他們好像察覺到發(fā)表鎂離子有比較好的結(jié)合能力這件事可能會給讀者產(chǎn)生的誤導(dǎo)，畢竟鈣離子也有相當(dāng)?shù)某潭取?于是作者加以補述說明他們比較想要強調(diào)的是水的組成成分對于萃取的影響，而非只單獨強調(diào)單一種離子。 他們回歸到總硬度GH﹙鎂和鈣離子一起看待﹚的觀念，畢竟在自然界中要找到只有存在豐富鎂離子的水源就好比要在自然界中找到去離子水一樣困難。 再者，他們找了14個人對以鈣離子或鎂離子水沖煮的咖啡做盲測，差異是微乎其微的。
此外，在碳酸鹽緩沖系統(tǒng)上，目前有著許多的同義詞，諸如Alkalinity（總堿度）、Karbonate（carbonate）、Hardness （碳酸鹽硬度）、temporary Hardness（暫時硬度）等。 作者強烈建議不要使用alkalinity，因為碳酸鹽是有緩沖能力的，而alkalinity這個字會和它會和alkaline（堿）產(chǎn)生誤解。 碳酸鹽系統(tǒng)是作者強調(diào)的另一個主軸，因為碳酸鹽（KH）具有緩沖能力，它不但可以穩(wěn)定水的pH值，并且在沖煮咖啡時可以部份中和并緩沖咖啡帶來的酸，因此KH的含量多寡也左右了杯測的表現(xiàn)。▼什么是最適合沖煮咖啡的水？第三部分的最高潮，也是本人認為最精采的部分，就是開始討論所謂的「最佳」水的規(guī)格。 作者重申，不應(yīng)以單一離子做討論，而應(yīng)將三個因子的比率做動態(tài)的考慮，于是推出了檢視不同KH（碳酸鹽硬度）與GH（總硬度，鈣離子和鎂離子的總和）濃度下的沖煮咖啡，作出沖煮風(fēng)味圖。
Maxwell與Christopher所提出的風(fēng)味圖概念其中KH扮演的角色就是可以緩沖咖啡的酸質(zhì)，若含量過少則可能帶來銳利的酸感，若過多則會中和咖啡的酸，造成平淡的酸感，有時甚而會引發(fā)沉淀，而有顆粒感（Chalky）。 GH則是萃取指針，是將咖啡物質(zhì)溶解出來的能力，GH越高則口感越厚重，反之則越空洞。 如圖所示，在不同GH、KH高低濃度所產(chǎn)生的四個極端風(fēng)味之間就會出現(xiàn)一個可以接受的區(qū)間，甚至在可接受區(qū)間里就會產(chǎn)生一個理想的區(qū)域。
最后，作者提出了一個「Roasting to water」的概念，其理論就是世界上沒有一種水其所含的礦物質(zhì)組成是可以適合所有的咖啡沖煮，因為水中的離子成分會影響咖啡的風(fēng)味，而不同的地區(qū)其水質(zhì)條件都不同，煮出來的味道也就會不一樣。 那么為了達到理想的風(fēng)味，因此提倡了反向思考的概念，與其改變水質(zhì)，不如以烘焙手法的調(diào)整來修正萃取，這可是一個全新的概念喔！ 然而小弟心中的理想境界則是有朝一日，我們對水質(zhì)的掌控可以能隨心所欲，便可以調(diào)整出不同GH與KH比率的水來沖煮不同產(chǎn)區(qū)的咖啡，甚至是不同烘焙度的咖啡。 到那時，進咖啡店的客人除了傳統(tǒng)的選擇之外，還多了水質(zhì)的選項，如此搭配組合，品咖啡就將會變得更有趣了。
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