爲了衝出一杯好咖啡，科學家竟然這麼努力

咖啡，往往和明亮的寫字樓或舒適的下午茶聯繫在一起，它的背後卻離不開一代代人在實驗室和田野裡的科研與勞作，而想要衝泡出一杯美味的咖啡你也可以請教科學家。

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雲南咖啡如何崛起

提到咖啡產地，你可能會想到非洲或中南美洲。但許多人不知道的是，雲南也產咖啡，而且經過科研人員的努力，雲南咖啡豆已經佔國內消耗量的40%以上了。雲南的氣候本就適合咖啡生長，根據農業部相關基因庫追溯，發現早在1893年咖啡就作爲陪嫁被引入瑞麗。當時這種好看的紅色小果子只是作爲觀賞植物，人們並不知道這就是風靡世界的咖啡。

樹上的咖啡果

後來制約國產咖啡大規模種植的原因是咖啡鏽病。鏽病是由真菌引起的病害，被沾染的咖啡樹葉片的背面會出現類似鐵鏽的黃斑（菌絲和孢子），一棵樹上的鏽病真菌會隨着孢子快速傳染，導致整個咖啡園絕收。

1893 年引種的咖啡樹的後代

1988年熱帶農業科學院植保所因機緣巧合從葡萄牙獲得了抗鏽品種卡蒂姆7963的種子，引種到雲南後長勢良好，目前卡蒂姆系列在雲南種植面積超過100萬畝，是雲南種植的主要品種。但是現在卡蒂姆系列在面對不斷變異的鏽菌時已經逐漸喪失抗性。

改良咖啡品種不是一件容易的事情，用傳統育種技術改良一代咖啡需要30年，在中國攻克咖啡組織克隆培養技術後，現在育種一代的時間縮短到了15年。因此培育出一個優良品系需要兩代農業科學工作者持續不斷地努力。如今雲南德宏熱帶農業科學研究所的科研人員正在推廣最新抗鏽品種薩琪姆（Sarchimor），這個品系能抵抗目前所有云南已知的鏽菌，並且顆粒更大，風味更加卓越。它將是雲南咖啡未來發展的保證。

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咖啡烘焙背後的化學原理

美德拉反應（Maillard Reaction）又叫非酶褐變反應，說的是糖和蛋白質受熱能生成芳香物質。其實這個過程中發生了三個階段的化學反應，第一階段是糖和氨基酸反應生成糖胺化合物，第二階段糖胺發生重排生成酮糖氨，最後酮糖氨在不同條件下（酸鹼度等）生成許多不同類型的產物，這些產物本身也能發生其他的反應，產生各種芳香物質。烤肉、啤酒、烤麪包和烤土豆的香味都來自這類反應，因此它也被稱爲世界上最美味的反應。

在咖啡烘焙中美德拉反應主要產生一種棕色或棕黑色的大分子物質——類黑精，它不單味道特別香，還能抗氧化、抗炎症，這也被用來佐證咖啡有益健康。

由於這個化學反應的第三階段過於複雜，人類還無法精確控制，因此咖啡烘焙後的味道仍然是個無法完全控制的玄學問題。

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科學地衝咖啡

影響咖啡風味最核心的因素是咖啡豆本身，但是同樣一批咖啡豆，同樣的咖啡師沖泡出的咖啡口感仍然會有差異，那麼到底是哪些因素決定了一杯咖啡的味道？

在科學家眼中，一杯咖啡的味道取決於水中溶解的咖啡類物質的濃度，因此，味道與萃取率（水粉比）、萃取溫度、壓力、萃取時間、研磨粗細等都有密切的關係。這是研究咖啡固液萃取擴散原理（物理萃取）的公式：

G表示擴散溶質的物質的量；D是擴散係數，由水溫、壓力等因素決定；F是擴散面積，對應因素是研磨粗細；ΔC是界面濃度差；ΔX是擴散距離；t是萃取時間。影響咖啡味道的因素

一粒咖啡豆中，可溶性物質約佔30%，而這些物質並不是溶得越多越好喝。被人戲稱爲“咖啡博士（Dr. Coffee）”的Hendon博士在麻省理工（MIT）時對泡咖啡做了一系列深入的研究。他發現，一杯咖啡中含有1.2%~1.5%的咖啡成分和8%~10%的咖啡成分時，都是好喝的。前者恰好是大部分濾泡式咖啡的萃取度，而後者對應的是意式濃縮咖啡的萃取度。

意式濃縮咖啡

能夠萃取到8%~10%咖啡成分的方法非常少，意式咖啡機是其中最常見的。但能達到1.2%~1.5%萃取比例的方法就很多了，常見的有手衝、法壓壺、虹吸壺、愛樂壓、美式滴濾等。當然了，意式咖啡機也可以做出1.2%~1.5%比例的咖啡——把一杯濃縮咖啡加熱水稀釋，就得到了我們常說的“美式咖啡”。

各類咖啡沖泡方法

沖泡時被首先被萃取出來的是有果酸味的有機酸和美拉德反應的產物；伴隨着萃取率的提高，接下來是苦感物質，最後是焦味、澀味等不好的味道。

因此，合適的水溫有助於萃取出的酸苦平衡的咖啡液，生成“甜”的口感，而過高的水溫會讓很多味道不好的複合物流入水中，造成咖啡的焦苦，我們稱之爲“過萃”。這幅美國精品咖啡協會（SCAA）繪製的“咖啡風味輪”圖，能幫咖啡師分析咖啡的味道。

咖啡風味輪

研磨粗細也很重要。咖啡粉越細，比表面積越大，萃取越充分，但水流速度也會相應變慢，造成過萃現象。研究發現咖啡豆種類對研磨粗細沒有太大的影響，而咖啡豆的處理溫度不同，卻會導致明顯的粗細差別。當咖啡粉粗細不均一時，容易出現粗的咖啡粉萃取不足，而細的咖啡粉已經過萃，這杯咖啡一定是一杯難喝的咖啡了。爲了保證咖啡粉的均勻度，參加咖啡衝調比賽的選手甚至會用鑷子把過大的碎屑挑出來。

在選擇磨豆機時，不要選擇被戲稱爲“砍豆機”的螺旋槳式刀盤，因爲它磨出來的咖啡粉粗細不均。最好用平行刀盤或錐形刀盤，這種刀盤磨出來的咖啡粉粗細相對比較平均。

不要選螺旋槳式刀盤（左），最好選擇平行刀盤（右）

新鮮烘焙的咖啡豆含有二氧化碳和其他揮發性物質，隨着時間的推移這些揮發性物質會逐漸減少，減損咖啡的味道。因此大部分咖啡店不會使用烘焙時間超過一個月的咖啡豆做手衝。在冰箱中低溫保存咖啡豆可以延長咖啡的保質期。

水質也會對咖啡的口感產生影響。相比於純淨水，使用具有較高鎂和鈣離子含量的“硬”水會讓咖啡具有更濃的味道，這是因爲鈣鎂離子能吸附咖啡因。但如果水中碳酸氫鹽含有較高就會使咖啡的苦味更重。

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研磨中的靜電

在Hendon教授（現爲俄勒岡大學教授）最新的論文裡，他關注到消除咖啡研磨過程中的靜電影響也能讓咖啡更好喝。

磨咖啡時經常有一件事情令人懊惱，就是咖啡粉會粘在磨豆機上或是到處亂飛。聚集的咖啡粉還可能影響到熱水與它們的接觸，導致萃取不均勻，影響其口感。這是由於咖啡豆因破碎和摩擦產生了大量的靜電荷，積累到一定程度就會引起顆粒聚集，並粘在研磨機上。

咖啡粉粘在研磨機出口

進一步研究發現，靜電的產生與咖啡種類、研磨器具關係不大，只與咖啡豆含水量相關。因此在研磨前添加少量水，就能減少靜電，消除細粉的靜電聚集現象。並且溼磨的咖啡粉平均顆粒尺寸減小，多孔通道變得更緻密，從而增加了水在萃取過程中與咖啡粉的接觸路徑。這使得第一滴萃取液的出現時間延遲，萃取液中的總溶解固體含量更多，即最終得到的意式咖啡醇厚度更高。

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如何衝出一杯好咖啡

科學家發現的秘笈：新鮮烘焙的咖啡豆，使用平行刀盤或錐形刀盤的磨豆機，研磨前摻點水，然後研磨成粗細均勻的咖啡粉，使用水質略硬的礦泉水，在合適的水粉比以及萃取溫度、壓力、時間條件下，達到1.2%~1.5%或8%~10%的萃取度。

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編輯｜張毅

審覈｜吳新

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