手沖咖啡物理過程詳解

咖啡沖煮過程

沖煮咖啡要考慮兩個方面:物理及化學。物理方麵包括水對咖啡粉的影響(如膨脹作用),固體物質的溶解(如溫度影響)。物理方面也包括人在衝煮過程中的身體動作(移動,攪拌,停頓等)。化學方麵包括風味,味道,及溶解到咖啡之中的香氣。這些都會影響客人對咖啡的感知。沖煮方式流程各不相同,一般可以分為4大類型:咖啡粉不和咖啡液分離(如土耳其,希臘,俄羅斯,中東等地方式咖啡的沖煮);咖啡和水接觸一段時間然後咖啡和咖啡液分離(浸泡式,如法壓,虹吸壺);水連續性的通過咖啡粉(滴濾方式);利用壓力技術萃取咖啡(espresso).儘管方式不同目的卻是一樣的:將咖啡中的風味物質萃取到咖啡液中。

沖煮的物理過程

最開始的接觸與滲透階段

  1. 最開始水滲透過咖啡粉層(coffee bed),咖啡顆粒釋放氣體(二氧化碳),咖啡顆粒被浸濕,如果咖啡是新鮮烘焙的,在水完全滲透到咖啡顆粒內之前會有大量二氧化碳釋放,此時水不會經咖啡粉層中阻力最少的部分流過,此時水的流動方式是向咖啡粉層四處擴散。這種現象稱為:水動力彌散/擴散(hydrodynamic dispersion) ,這種現像對是否可以均勻的濕潤咖啡粉層有直接作用。影響彌散現象的因素有:外力作用(如手沖咖啡注水時對粉層施加的壓力);咖啡顆粒中孔隙的幾何結構;咖啡與水的相互作用;溶液的密度及粘稠度。浸泡/濕潤的均勻程度決定咖啡粉層達到水飽和狀態的時間(快慢)。咖啡顆粒的膨脹速度取決於咖啡顆粒的密度(深烘焙的咖啡密度比淺烘焙咖啡小,其顆粒中的孔隙比淺烘焙咖啡要多,膨脹現象更明顯);咖啡研磨度的大小(小顆粒咖啡達到水飽和狀態比較快);水的品質(水中物質成份及離子)。最開始溶解的物質是咖啡顆粒表層的可溶性物質,這些可溶性物質的多少部分取決於咖啡研磨的粗細度及咖啡研磨的時間。對於新鮮烘焙及新鮮研磨的咖啡,會釋放大量二氧化碳。咖啡一經研磨其香氣會立刻開始揮發,新鮮/適時的研磨會影響咖啡液中的香氣成份及程度。
  2. 水開始浸入咖啡顆粒中。
  3. 咖啡顆粒開始膨脹。
  4. 咖啡顆粒中的水溶性物質開始溶解(在高溫及壓力的作用下不溶性物質也可以溶入液態中)。

向液體中擴散階段

擴散(diffusion):物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移,直到均勻分佈的現象。擴散的速率與物質的濃度梯度成正比。可溶性物質在咖啡顆粒表面擴散。這是咖啡沖煮過程中最緩慢的一步並且會影響萃取率(rate of extraction).擴散過程受到物理因素的影響(如咖啡顆粒的膨脹,咖啡粉層的攪拌)和化學因素(主要是水中的成份)的影響。

溶解到最終咖啡液體階段

這個階段中,大量物質從咖啡顆粒溶解到咖啡液中.其中的一個現像被稱為:對流傳質(convective mass transport)通常指運動流體與固體壁面(或兩股直接接觸的流體之間)間的質量傳遞,這種過程既包括由流體位移所產生的對流作用,同時也包括流體分子間的擴散作用。這種分子擴散和對流擴散的總作用稱為對流傳質。當物質溶解時,咖啡顆粒附近的液體密度及濃度變得較大。這個濃度較大的液體繼續向周圍濃度較小的液體中擴散。對流傳質程度受到液態所接觸物質(氣體,液體,固體)特徵;及流體的影響,也受咖啡顆粒中孔隙結構的影響。在滴濾沖煮中對流傳質程度較大(明顯),原因在於流過咖啡粉層的水因其流動性確保了咖啡液不會因固體物質而變得過度飽和。沖煮使咖啡顆粒中的風味物質析出並擴散到咖啡液體中,咖啡萃取率取決於咖啡粉與水的接觸時間,水的溫度,質量作用定律(mass action law化學反應速率與反應物的有效質量成正比,其中的有效質量實際是指濃度)即萃取率隨固體質量增加減少。如果水中含有過量的可溶性固體物質(TDS值過高),水不會萃取出咖啡中的風味物質。在沖煮的開始階段,水滲透過粉層的效率取決於水的構成(溫度及TDS),隨著咖啡中風味物質被萃取到咖啡溶液中(物理過程),水的構成及質量所引起的化學反應也開始影響咖啡的風味及萃取。