粒徑分布
咖啡熟豆被研磨後總是會產生許多大小和形狀不同的顆粒。粉末或顆粒的粒徑分布（particle size distribution ，PSD）是一個數值列表或一個數學函數，它定義了根據顆粒尺寸存在的顆粒的相對數量，通常以質量為單位。
兩種不同磨豆機的粒徑分布示例 [Erik Schake，2015]
粒徑分布描述
平均粒徑和粒徑分布對咖啡萃取有重要的影響。它們決定了咖啡粉流動的難易度，釋放氣體的速度，萃取過程中水滲透咖啡的速度，以及出品的質量。
多數情況下，平均粒徑周圍的分布應儘可能窄（原則上窄的PSD利於高效萃取），這意味著所有顆粒的尺寸應相似。濃縮咖啡可能是個例外。濃縮咖啡的萃取時間很短，一定比例的細粉被認為是實現壓力積聚、醇厚度和美妙的油脂所必需的。
平均粒徑：PSD可以用2到4個具有足夠精度的特徵值來描述，其中最常見的是x10、x50和x90。這些是特徵尺寸——小於該尺寸，將分別找到10%、50%和90%的粒子，x50被稱為平均粒徑。
利用等效直徑和細粉比例，可對PSD進行充分的描述。在工業生產中，經驗豐富的操作人員通過監控2-3個參數來控制研磨過程。甚至可以結合反饋控制迴路與在線分析儀器或所謂的人工神經網絡進行控制。
等效直徑：在萃取過程中，含有可溶性物質的顆粒表面積和體積是很重要的參數，因此就有了等效直徑的概念。將這些粒子與一個球體進行比較，該球體要麼具有與粒子具有相同的表面積，要麼具有相同的體積。對所有粒子進行平均，分別得到表面平均直徑(SMD)或體積平均直徑(VMD)。SMD受細粉的影響很大，VMD相對接近平均粒徑。
細粉：顆粒越小，比表面積越大，萃取性越好。然而，當非常細小的顆粒堵塞了水的通道時，會使萃取的一致性受到威脅，這種顆粒稱為細粉（fines）。它們比那些不會導致萃取或過濾問題的顆粒小。通常100μm以下的顆粒稱為細粉。
對於咖啡師來說，除了通過指尖直觀感受顆粒大小，只能通過咖啡液流動時間和味覺體驗來間接感受，這些間接感受是由VMD（體積平均直徑）、PSD（粒徑分布）、細粉、粗粉和萃取技術共同作用的結果。為了優化PSD，咖啡師要根據經驗做出調整。
粒徑分析方法
在確定平均粒徑時，有經驗的咖啡師可以根據經驗用他們敏感的指尖「測量」到大約50μm的精度。
更確切的粒徑分析，有三種常見的方法：篩分法、雷射衍射法和圖像分析方法。對篩分法和雷射衍射法結果的解釋主要是基於顆粒呈球形的假設。因此，我們通過等效體積的球體直徑，最後獲得VMD（體積平均直徑）值。圖像分析法中，成像會產生粒子的真實視圖，從而可以導出不同的特徵尺寸。
研磨咖啡粒徑分布
當數據的分布圖，既具有對稱性，又具有單峰時，就是正態分布。通常，一個狹窄的正態分布有一個峰值，稱為眾數（mode）, 它是PSD出現頻率最高的顆粒尺寸值。
然而，眾數並沒有被用作咖啡粉的特徵尺寸，一個簡單的原因就是，大多數情況下PSD是雙峰的，其中一個靠近VMD（體積平均直徑），另一個在細粉尺寸範圍內達到峰值。
這一峰值的出現和細粉的積聚不僅歸因於研磨技術，而且還歸因於咖啡熟豆的網狀結構，當它們破裂時，100μm以下的極細顆粒都會剝落。
峰的位置相同但形狀不同[Erik Schake，2015]
磨豆機特性
考慮到咖啡品質及其一致性和穩定性， 磨豆機是越來越精密的工具。磨豆機的設計千差萬別，最重要的特性包括：
-平刀或錐刀設計
無論是平刀或錐刀磨豆機都可家用或者商用，因為它們都可能達到較為一致的高質量研磨。
平刀磨豆機使用兩個平行放置的平面刀盤，而錐刀磨豆機是將一個錐形的刀盤置於另一刀盤內。
各種類型的研磨機都是一個刀盤靜止，另一個由電機帶動旋轉。研磨過程大致分為三個階段：①咖啡豆被碾碎成小塊；②小塊被粉碎成粗顆粒；③粗顆粒被粉碎成細顆粒。
平刀刀盤的研磨過程示意圖[Erik Schake，2015]
錐刀刀盤的研磨過程示意圖[Erik Schake，2015]
- 運轉速度
有高速和低速磨豆機。
高速磨豆機通常是直接驅動磨豆機，電機直接連接在刀盤上，高速磨豆機的造價一般比低速磨豆機便宜。高速磨豆機使用過程中存在的一些問題包括：高運轉速度將在研磨過程中產生更多的熱量；咖啡粉會因為靜電而結塊，從而影響到咖啡粉的夯實；高速帶來的不愉悅噪音。
低速磨豆機的運轉速度較低，研磨過程中幾乎沒有靜電，產生的熱量很小，噪音較低。缺點是比較貴。降低速度可以可通過兩種方式實現，直接驅動或齒輪減速。
低速直接驅動磨豆機可能是家用或小型商用最好的磨豆機，但也最貴的。低速電機直接連接到刀盤上，類似於高速磨豆機。由於運轉速度低，需要一臺強有力的電機才能避免研磨過程中停滯。
低速齒輪減速磨豆機使用齒輪來降低速度，使用高速電機仍然可以獲得低的研磨速度。與直接驅動磨豆機相比，齒輪減速磨豆機往往噪音更大。
（中中：最近新添置了一臺可調轉速的磨豆機，計劃做幾組小實驗，測試一下轉速對PSD和萃取的影響，推文時間待定，請瘋瘋們持續關注）
-刀盤材料
常見的磨豆機刀盤材料包括：陶瓷，鋼材和鈦材。
相比之下，鋼材的預期壽命最低，而陶瓷的平均壽命是鋼的兩倍，鈦材的使用壽命可達三倍。但是，如果遇到石頭，陶瓷材料最容易被損壞，這種情況下鋼材刀盤更耐用，鈦材最不容易被損壞。
鋼材和鈦材比陶瓷具有更好的導熱性，因此研磨過程中更利於散熱。
- 研磨刻度的調節
磨豆機調節研磨刻度，可以通過逐步或無級兩種方式實現。
逐步調節的磨豆機，研磨刻度可以小步調整，研磨刻度範圍因磨豆機而異。「逐步調節」並不是說調節刻度範圍非常有限。一些磨豆機提供了50多個刻度，可以滿足大多數咖啡愛好者的需求。
使用無級可調磨豆機，由於沒有規定的研磨度，可以實現無限多的設置。
- 刀盤直徑
隨著刀盤直徑增加，切削顆粒的數量也隨之增加，磨豆機的研磨速度和研磨效率也會更高。
此外，刀盤直徑會影響到粒徑分布（PSD）。下圖為不同磨豆機的粒徑分布，它們在espresso萃取中達到了同樣的粉液比（1:2）和萃取時間。
不同刀盤的研磨粒徑分布 [Martin, 2018]（a）98mm刀盤（EK43），（b）65mm刀盤（c）75mm刀盤，（d）71mm錐刀
曲線（a）為EK43平刀磨豆機，它的刀盤較大，PSD較窄，平均粒徑較小。儘管有較高比例的細粉，萃取率也較高，在測試中沒有出現萃取不足或過萃。
曲線（d）為一款PSD較寬的錐刀，為了達到相同的萃取時間，平均粒徑值差不多為 （a）的兩倍。這種情況下，細粉過萃和粗粉萃取不足，導致咖啡更酸更苦。
磨豆機的選擇
磨豆機的選擇根據應用場景而有所不同：全天候工作的工業磨豆機，小型的商用磨豆機，以及家用磨豆機，都應滿足各自的使用需求。
除了咖啡製作類型和粒徑範圍的要求，還可綜合以下方面進行考慮：
• 安全節能運行
• 投料方式
• 持續可重複的窄PSD（粒徑分布）和少量細粉
• 避免細粉的分離、積聚或汙染（例如通過減少靜電電荷的方式）
• 氣密性：避免豆倉中咖啡熟豆的氧化
• 可重複精確設置的刀盤平行度、位置和速度
• 一致的溫度
• 易於清潔和保養
• 磨損小，刀盤和易磨損件的快速更換
主要參考資料：
Britta F. The craft and science of coffee. Academic Press. 2017
Schakel,E.J. investigation of the Coffee Grinding Process. University of Twente.2016
工科女博士
咖啡深度愛好者
咖啡沙龍年刊作者
CQI Q－Grader
2019Abrc西安賽區冠軍
2018，2019愛樂壓西安賽區亞軍
2018PCA衝煮西安賽區季軍