深度解讀:咖啡萃取原理

無所不談     2021年05月11日

萃取(咖啡)過程中會發生什麼?有些事情我們比較清楚,有些事情仍然有點混亂模糊不清。這週我做了一些實驗,希望能加深我們對萃取的理解。

我們對萃取的了解

我們知道水是很好的溶劑。水有時被稱為「通用溶劑」,因為它可以溶解的物質比任何其他液體溶劑都多。它的分子結構(兩個氫原子附著在氧原子H2O上)造成電荷分布不均不對稱,使其成為極性分子/顯電性的分子(註:把水龍頭開出很小的一溜,用塑料尺在頭髮上摩擦,等塑料尺上帶電後靠近水溜,水溜會偏向尺子,這就是水是極性分子的證明)。

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這種極性使得其他分子很容易分解並溶解在水中。H2O分子相對兩側的正電荷和負電荷意味著它易於被各種各樣的分子吸引,很容易溶解其它分子。熱水是一種更有效的溶劑,因為來自熱量的額外能量使極化分子振動更快,使它們更有吸引力。

我們知道咖啡豆中的化合物是水溶性的

深度解讀:咖啡萃取原理

圖片/roast雜誌提供

這些可溶性化合物包括果酸、咖啡因、脂類、類黑素、碳水化合物和植物纖維。這些物質在不同的時間被萃取到咖啡液中,並造成咖啡帶有不同的風味。咖啡豆的水溶性物質有30%,其中的20%對咖啡風味產生正面影響——剩下的部分會給咖啡增添苦味或紙漿味等負面影響。幸運的是,理想的正面的溶質被先萃取出來,然後才是從令人不愉快的溶質。

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圖片/roast雜誌提供

水果酸和咖啡因是最容易溶解的,先被萃取到咖啡液裡。這部分物質嘗起來明亮(酸度高)且單薄(醇厚度低)。接下來被萃取的是脂類和脂肪,它們以乳化液的形式從咖啡細胞中釋放出來,然後進入咖啡液。這些物質對口感有很大的影響,過濾紙會阻止/減少這些物質進入咖啡液。最後被溶解/萃取的是類黑素(melanoidins)和碳水化合物或植物纖維。類黑素是美拉德反應的產物,是咖啡豆和咖啡液顏色(棕色)的主要原因。碳水化合物和植物纖維佔咖啡豆總化合物的一半以上,但並不是所有的都是水溶性的。最後這兩種物質的味道並不總是美味的,它們給咖啡添加了苦味、紙漿味或泥土味,但它們對於咖啡整體感官的平衡性至關重要。

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簡單的實驗可以幫助說明不同的化合物何時溶解在咖啡液中

例如分段萃取(每段5-10秒鐘)一個30秒鐘的espresso,按照先後順序排列品嚐每一段的風味。濃縮咖啡在不同萃取階段外觀看起來會有天壤之別,顏色從深到淺,口感由鬆軟醇厚到淡而薄,口味上的差異也是相當大的。我做了這個實驗的一個快速簡潔版,只採取了3段萃取——我發現了一些有趣的讀數。

深度解讀:咖啡萃取原理
深度解讀:咖啡萃取原理
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圖片/royal coffee 提供

從圖中可以看出,在開始的時候,萃取物的濃度(TDS)非常高,然後在濃縮咖啡萃取的第二階段和第三階段濃度急劇下降。

我開始想:如果我們用其他衝煮方法(例如手衝)做一個類似的實驗,濃度(TDS)及風味會發生什麼?

要做到這一點,我需要知道萃取率(rate of extraction),在整個衝煮時間內的總萃取量(total extraction),以及隨著衝煮的進行,萃取量與總液質量的比例變化。

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這意味著數據收集。我使用V60做實驗,首先是做一個基準衝煮(Dial/baseline)做感官分析記錄、測量TDS等等。基準衝煮是在5分鐘的時間內,衝煮22.2克咖啡,總咖啡液量為400克。衝煮時間定的比較長可以讓我收集更多的數據。

分段萃取(每隔30秒)每段萃取液量50克(30秒的間隔內要添加50克衝煮水)。這樣我得到8份不同的萃取液(50*8=400克)。

這種實驗確實會有穩定性和一致性問題,儘管有些手忙腳亂,我盡最大努力來解決這些問題。

深度解讀:咖啡萃取原理
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圖片/royal coffee 提供

結果令人著迷。通過感官評測和濃度分析,在上圖中,我們看到有大量的萃取發生在最初的30秒內。然後萃取量會持續增加,直到1分鐘的節點,在之後的衝煮過程中,萃取量急劇下降。

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分段萃取的風味描述

圖片/royal coffee 提供

分段萃取使我們注意到每段的風味變化。正如人們所預料的那樣,咖啡在第一分鐘左右充滿了明亮的酸感,這種酸是一種很容易從咖啡中溶解/萃取出來的果酸(fruit acids)。隨著萃取的繼續,我們開始品嚐到紅糖、糖漿和太妃糖的味道。萃取超過兩分鐘,咖啡開始呈現草本植物,苦,澀的現象,在萃取最後一分鐘咖啡變得很稀薄。

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我覺得最有趣的是,參加實驗的杯測師對咖啡的感官風味描述與分段萃取的TDS值相符合。一分鐘時風味最為明顯(此時TDS值也最高),隨後,杯測師對咖啡風味的感官記錄隨TDS值下降而不斷減少。

很明顯,我需要稱重每30秒衝煮的液量,以便完全了解整個衝煮過程中萃取率的變化。我又做了兩次分段衝煮實驗,並對每個階段咖啡液量做了稱重,測量每個階段的TDS讀數。通過整理信息來確定總體衝煮的總重量,甚至能夠根據這些數字計算出總體衝煮的TDS。

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圖片/royal coffee 提供

上圖顯示了最終總體衝煮的TDS隨時間的變化趨勢。很明顯,雖然在衝煮的90秒後萃取率(rate of extraction)明顯下降,但在整個衝煮過程中TDS的整體一直呈穩步上升趨勢。

所有這些都表明,超過一半的風味物質在90秒之前就已經存在於/被萃取到咖啡液中。(即時此時咖啡液量只佔最終總體液量的20% ,20% of beverage mass)

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