[翻譯]咖啡豆的產地及溫度對烘焙後咖啡豆研磨效果的影響

Hello大寶貝們下午好，一不小心就偷懶了一周，上來發現居然沒！掉！粉！看來近期粉絲的質量顯著提高啊，大寶貝們給自己點個讚！👍

當然啦，大家這麼堅持關注我們，我們也必須表示表示對不（要是能發紅包我早就想給大家發紅包了，真可惜發不了），但是沒關係，這次我們專門請到了男神林給大家翻譯這篇技術宅才看得懂的文章，順便也提高提高我們逼格對不。

男神林專用表情包兒

註：1.這真的是一篇學術論文，大家隨意看看就好了。

2.文中看似隨機出來的數字，其實是論文參考文獻的編號。

3.其它注意事項按照慣例請去本公眾號第一篇譯文找麼麼噠。

事不宜遲，馬上進入：

翻譯正文

摘要

通過將烘焙過的咖啡豆研磨成細小顆粒，並對其中一系列複雜的有機物分子進行萃取，才能得到可供飲用的咖啡。影響這個萃取過程的因素除了溫度，用水的化學性質，還有咖啡（粉）的可接觸表面積。本文中，我們探究了對單一產地的咖啡豆施行不同的處理方法，是否會在研磨過程中對咖啡顆粒的粒徑分布結果造成影響。最終我們發現，粒徑分布的結果與咖啡豆的產地和處理方法並非相關。此外，我們還闡述了咖啡豆的溫度對咖啡粉粒徑分布的影響，所得結論為：低溫研磨可使粒徑分布範圍更窄，並降低平均顆粒尺寸。我們預期這些結果將影響咖啡的工業生產，並有助於指導我們日常如何存儲和使用咖啡。

 

咖啡，是僅次於石油的最寶貴的合法交易商品。從生物學角度而言，廣泛種植以供消費之需的咖啡主要是兩個不同的品種：中果咖啡（羅布斯塔種）和小粒咖啡（阿拉比卡種）1。較之阿拉比卡，雖然羅布斯塔的化學物質複雜度低，風味不足，但是它能夠在較低的海拔成功種植並且擁有較高的抵禦病蟲害的能力。即便如此，佔全球咖啡消費量的60%以上的仍然是阿拉比卡咖啡。在2014年，巴西和哥倫比亞兩國合共出產超過350萬噸的阿拉比卡生豆2，再加上衣索比亞和其他非洲、中美洲的咖啡生產國（其中不乏像越南這種幾乎只出產羅布斯塔的國家）所作出的重要貢獻，全球咖啡年生產總量高達850萬噸。

 

除非是不太常見的將咖啡生豆作製藥用途或作食品製作用途的情況，我們所消費的咖啡一般是對經過烘焙的咖啡豆進行萃取所得的液體，而並非咖啡豆本身3-9。咖啡豆需要經過貿易進口，烘焙，研磨，然後在咖啡館和家庭中衝煮，即便當我們談論的是速溶咖啡時，大體也要經過上述的步驟。在一個產值如此之大的行業中，產品的質量與產量是至關重要的。話雖如此，在實際中有許多的變量影響著咖啡的風味，產量和總體的感受體驗10。對如何確保咖啡出品質量的挑戰可以分成兩類： 1）國家產地的差異，以及2）消費過程中的變量。

 

除了氣候和海拔高度這兩個植物學上典型的影響因素，從根源上對咖啡造成影響的還有兩個需要納入考慮的因素：咖啡的品種（例如鐵畢卡種，帕卡馬拉種，瑰夏種）11和處理方法（例如水洗處理，半日曬處理和日曬處理）。不同的品種決定了咖啡豆中所含化學物質的差異，同時決定了其生長所需的條件。理想情況下，咖啡果實的成熟速度不應該超過咖啡豆的生長發展程度，否則作為種子的咖啡豆將缺乏複雜的化學物質。相反地，咖啡果實應能夠在不同的氣候條件下成熟，從而允許種子的形成和成熟。出於對上述目的的考慮，遺傳雜交品種現在已經無處不在，這些雜交品種的兩個親本品種常常擁有著最佳的特徵12,13。

 

不論是什麼品種，所有的咖啡都會以上述三種基本處理方法之一進行處理。水洗處理法是最常見的處理方法，該處理方法會使用水以除去咖啡櫻桃的果皮和果肉，只留下種子放置於陽光下晾曬乾燥。半日曬處理法除去了咖啡櫻桃的果皮，但並不完全去除果膠。然後這層果膠在晾曬乾燥後會硬化成羊皮紙外富含糖分的硬殼（羊皮紙為種子外的一層薄薄的保護層）。日曬處理法則直接將完整的咖啡櫻桃置於太陽下曬乾。

 

雖然我們知道使用不同的處理方法會對咖啡的味道產生深遠的影響，但是造成這些差異的化學機制卻還沒有得到充分的認識。不管採用的是何種處理方法，乾燥後的咖啡豆都需要去殼——去除掉所有果皮，果膠，羊皮紙的部分後，我們能夠才能得到最終需要的咖啡豆。在這之後，咖啡生豆被運送到烘焙廠，出於最大程度發展出咖啡豆的最佳風味的目的，烘焙師根據不同的咖啡豆制定烘焙曲線。烘焙曲線其實就是對溫度和時間這兩個變量綜合考量的結果，但由於烘焙設備和熱傳遞的不均勻性的限制14，根據預定烘焙曲線開展的烘焙過程較之於科學性，更多的是帶有有如藝術創造般的不確定性，雖然在這個領域中我們的確還有改進的空間。

 

圖1中的曲線是關於表1中所列出的那款坦尚尼亞咖啡的烘焙曲線，它展示了經測量得出的烘焙機溫度與烘焙進度之間的關係。烘焙後的咖啡中所含的化學成分取決於咖啡生豆中的分子分解的溫度。這些化合物的生成和濃度的控制是通過對烘焙曲線進行微調來實現的15-17。烘焙後的咖啡豆中大多數化合物都是Maillard反應的產物（這個例子並未體現在圖1中）18，Maillard反應過程存在數條不同的反應路徑，這些反應路徑均可允許酸類、酚類等化合物的形成，並且使纖維素裂解成諸如左旋葡聚糖等這類與糖類相關的產物。圖1最左邊的過程表示的是一個綠原酸分子（一組存在於咖啡生豆中，咖啡66%的酸度由其產生的分子）通過低溫水解的降解過程，這個過程中產物的形成取決於咖啡生豆內的水含量19,20。

 

圖1. 坦尚尼亞布爾卡咖啡的烘焙曲線。在這個案例中，10公斤的布爾卡咖啡生豆在一個12公斤級Probat烘焙機進行烘焙。溫度由設置於烘焙艙頂部空間的探針進行監測，進入鍋爐的熱空氣由於熱能傳遞到咖啡生豆而被迅速冷卻。整個烘焙過程中的溫度曲線確定了在咖啡中有機物的分解。圖中的三個示例分別表示了在整個加熱過程中所發生的其中三個分解反應。在較低的溫度時，一分子的綠原酸（左）可通過水解反應生成奎寧酸，乙酸和酚類化合物3,4-二羥基苯乙醇40或通過熱解反應生成奎寧酸，二氧化碳和3,4-二羥基苯乙烯41,42。草酸（圖1中部位置）可以脫羧生成CO2或由於不完全燃燒生成二氧化碳和甲酸。在較高溫度下，纖維素會發生水解，生成小分子的糖類衍生物，例如葡萄糖和左旋葡聚糖43-45。溫度和時間共同決定了烘焙後的咖啡中的化學組成：在這個案例中，總烘焙時間為9分54秒，決定採用這個烘焙時間是希望得到咖啡中可溶的，甜味的和令人愉悅的酸性產物。

表1. 在本實驗中所研磨的四種咖啡（均為阿拉比卡種咖啡）的詳細資料：兩款來自非洲和兩款來自南美。（W）和（N）分別表示水洗處理法和日曬處理法。「Roast」是用以指明咖啡是否經過烘焙從而可作滴濾咖啡（較淺的烘焙程度）或意式濃縮咖啡（較深的烘焙程度）用途使用，並且其為能夠通過由Agtron分光光度計測得的「Agtron色值」量化46。本實驗中的所有咖啡的烘焙度將相對於典型的商業等級咖啡被視為是淺度/中度烘焙。

毫無疑問，萃取的程度和質量由咖啡熟豆中有機分子的可接觸性所決定。許多因素，包括衝煮溫度，衝煮用水的化學性質和水粉比等均會影響萃取物質的總量和不同的有機分子的相對萃取比例21-24。雖然影響萃取的因素眾多，但是在本文中我們主要探究通過物理方法增加可接觸的表面積，即研磨機的效用。

 

雖然研磨機是製藥工業中的常規設備，但是要為咖啡店設計並生產出一臺能夠做到研磨顆粒大小均勻的研磨機則充滿了挑戰性。儘管充滿難度，但是在咖啡的衝煮環節中這一點卻是至關重要的。因為如果顆粒的可接觸表面積不盡相同，那麼小顆粒相較於大顆粒其萃取的進程會更加迅速。這樣會導致的結果是，使用這些大小不同的咖啡顆粒進行衝煮也將變得充滿了挑戰性，特別是對於意式濃縮這一類需要加壓的衝煮過程，由於顆粒大小不同而產生的填充效應的影響將更為重要25,26。在了解顆粒尺寸對咖啡衝煮的重要性後，我們進而評估咖啡豆的產地，處理方法和烘焙曲線的不同是否會對咖啡研磨時顆粒的粒徑分布帶來顯著的影響。

 

此外，有人懷疑咖啡豆的溫度也可能影響研磨過程中咖啡豆破碎的動態變化，並因此影響最終的粒徑分布。雖然在理想的情況下，咖啡豆和研磨機的刀盤都能設法達到所期望的溫度，但是實現可控的對刀盤迅速的加熱或冷卻在目前卻是不可行的。所以為了研究溫度的影響，我們選擇了控制咖啡豆溫度的實驗方案。鑑於許多人購買咖啡豆後會將其放置於冰箱或冷凍箱中（如果沒有水蒸汽的話，從化學上來說這是合理的儲藏方法），我們將研究不同溫度的咖啡豆是否會對研磨後顆粒的粒徑分布峰形產生可觀測的調製。

 

實驗方法

 

在這項研究中，我們認為在咖啡研磨的過程中所產生的差異之中最重要的特性是顆粒大小的分布。雖然顆粒形狀也有可能會影響最終衝煮的萃取效果，但是顆粒形狀很難在微米尺度中被觀測到受到可靠的控制，並且大多數情況下咖啡研磨後的顆粒形狀很有可能具有近似的形狀分布。

 

第一組實驗探究的是當其他條件相同，咖啡豆的產地，類型，或處理方法的不同是否會對研磨後顆粒的粒徑分布產生影響。第二組實驗探究的是不同溫蒂的咖啡豆在研磨時對顆粒粒徑分布的影響。

 

為了探究這些影響，我們採用了雷射衍射粒徑分析儀對Mahlkonig EK43磨豆機研磨的咖啡顆粒進行了分析。

（這是我自己提供的雷射衍射粒徑分析儀圖，並不在本論文中出現）

 

雷射衍射粒度分析。本實驗的雷射衍射粒徑分析在Beckman Coulter LS 13 320MW粒徑分析儀上進行。該儀器具有內置在暗視場中的標度線以進行光學校準。在儀器每次運行之前都需要進行準直檢查，以確保粒徑分析的最佳精度。當我們對咖啡研磨的顆粒進行粒徑分析前我們需要特別注意確保儀器已經過正確的光學校準，因為咖啡顆粒的尺寸大小跨越了3個數量級，其中包括部分粒徑超過100微米的，這些大顆粒會對基於衍射技術的測量分析帶來麻煩，因為它們的工作原理主要是依靠在倒易空間*的距離測量。（倒易空間*：晶體點陣及其倒易點陣之間存在一個傅立葉變換關係，在晶體結構分析中，通常我們把晶體內部結構稱為正空間，而晶體對X射線的衍射被稱為倒易空間。倒易空間並不是客觀實在的物理空間，而只是對一個物理空間的一種數學變換表達。——譯註）

 

研磨。圖2中所展示的Mahlkonig EK43磨豆機被選擇用於此次研究，因為它被設計為從放置咖啡入豆倉到隨後的研磨之間擁有最小的時間間隔。像其他的磨豆機一樣，EK 43的刀盤是可替換的並且容易在組裝時錯位（即兩片刀盤並不是完全平行）。出於上述考慮，我們在測試當天準備了三臺獨立的EK 43。其中兩臺裝有普通的咖啡研磨刀盤，另一臺則裝有用於土耳其式細研磨的刀盤（圖2）。刀盤的對準可以在一開始時接通磨豆機電源並逐漸調窄兩片刀盤之間的間隙，通過聆聽兩片刀盤發出的聲音進行評估。通過發出的聲音的聲調可以了解刀盤的對準情況，更低沉的聲音表示兩片刀盤之間有更多的接觸，從而得知對準較好。評判粒徑分布曲線的平滑度和離散程度也可以為刀盤的對準情況提供參考信息，但是這個方法難度較大並且依據這些反饋信息精確地對刀盤調整校準周期過長。我們在圖S1中提供了一個當刀盤未對準時所研磨的顆粒的粒徑分布的例子。最終，由認證Q-Grader和咖啡館店主（Maxwell Colonna-Dashwood）決定，我們選擇使用當天用於製作店內經營出品的意式濃縮咖啡的磨豆機27。本次實驗用的Mahlkonig EK43磨豆機安裝的是土耳其式刀盤（即EK43 T——譯註），刀盤轉速為1480rpm。

圖2. EK43磨豆機，（a）磨豆機包含兩片刀盤；其中一個是固定的而另一個是可以移動的。從豆倉到出粉口的路徑是直線的導致了在刀盤和出粉口處會有少量殘餘的咖啡粉。EK43有兩種類型的刀盤，分別是用於土耳其式細研磨（b）和普通咖啡研磨（c）。兩個刀盤之間的主要差異分別是（b，c）中的藍色部分。刀盤上刀刃端部的扁平三角形設計旨在進一步打磨顆粒。在本次研究中，我們採用了土耳其式的刀盤。照片由斯賓塞•韋伯拍攝。

咖啡產地與處理方法。為了探究咖啡豆的產地是否會對研磨後顆粒的粒徑分布帶來影響，我們測試了四款來自不同產地的咖啡豆，它們分別來自瓜地馬拉，薩爾瓦多，坦尚尼亞和衣索比亞。測試用的咖啡豆在測試前七到十六天經由表1所列出的烘焙廠商完成烘焙，以便能在仍然被認為是「新鮮烘焙」的時間內有足夠的時間排氣。更多關於這四款被選用的咖啡豆的詳細資訊都有在表1中列出。所有的咖啡豆均處於室溫（此處室溫所指為20攝氏度和79％相對溼度），所有的咖啡豆的密度則均未測得。在試驗的全過程中，所使用的EK43磨豆機的研磨度始終固定在刻度2.7不變。而在每次測試中，我們研磨20克咖啡豆，然後每次研磨後讓磨豆機自然冷卻10分鐘使其重新冷卻至室溫。

 

咖啡豆溫度。在研究咖啡豆溫度對研磨效果的實驗中，我們選擇使用瓜地馬拉咖啡的原因是這款瓜地馬拉咖啡正是當代精品級咖啡的典型代表（即它具有酸度，複雜花香和總體味道的良好平衡）。實現四個實驗溫度的方法如下：將20g烘焙後的咖啡豆放入紙杯中，覆蓋，並分別置於液氮、乾冰、冷櫃和櫃檯頂部（普通環境）。所有冷卻至0℃以下的樣品表面均無觀察到空氣中水分於其上冷凝的現象。實驗品在研磨前均置於各自的實驗溫度環境中2小時以保證溫度衡定。

磨豆機在正式研磨前預先啟動5秒，咖啡豆從它們的實驗溫度環境中取出並直接放入豆倉。因為該EK43的額定研磨量為1200-1500克/分鐘，意味著20克咖啡豆暴露於室內環境條件下的時間不超過1秒。為了防止大氣中的水分在研磨後的咖啡粉表面冷凝，所有研磨後的咖啡顆粒均被立即放入用於雷射衍射粒徑分析的樣品小瓶中。與此同時，將另一組同樣的研磨樣品暴露於環境溼度中任其自然回復至室溫作為對照組實驗，實驗結果顯示與那些研磨後立即密封的樣品沒有差別，表明空氣中的水分並不會對實驗造成影響。

 

我們總共進行三次重複試驗並收集數據，同時每組實驗中的各項試驗溫度均可獲得雙份數據，由此每項試驗溫度統共可產生6組數據。對實驗數據採用方差分析以判斷不同產地、加工方法、烘焙過程和烘焙機的咖啡豆之間顆粒數量分布的相似之處。該統計分析的結果被包含於支持數據之中以供查閱。

 

咖啡生豆之間的差異對最終研磨效果的影響

 

經過烘焙的咖啡豆的物理結構是一個複雜的複合材料，其主要為高分子量的纖維分子，而同時為數眾多的低分子量有機物所形成的無定形和部分結晶的結構域則散布於其中。無論是咖啡豆還是研磨設備，其極其複雜的結構使得以精確為第一原則的建模工作困難重重。因此研究破碎方面的課題的最佳手段還是直接通過實驗（繼承前人研磨其他非晶材料的研究成果）28-32。這意味著我們可以預測，賦予不同的咖啡其獨特風味的那些化學物質混合物可能會改變咖啡豆研磨時碎裂的方式。

 

為了研究這個問題，我們選擇了四款精品等級的咖啡。我們選擇的範圍涵蓋了咖啡豆的產地，品種，處理方法和烘焙曲線的變量，並選擇了當下精品咖啡浪潮中具有代表性的咖啡豆。表1中所列出的四款咖啡豆均使用規定的方法，在室溫環境下進行研磨。

 

在此我們考量由於咖啡產地因素對研磨曲線造成的偏差，儘管在開始這些試驗之前，我們還不清楚將會觀測到什麼樣的研磨曲線。實驗所用的EK43磨豆機能產生粒徑範圍為0.1微米到1000微米的顆粒，我們選擇將大部分所得數據標示於對數坐標圖上。圖3最上第一張線性坐標圖所示為坦尚尼亞咖啡的研磨曲線。所有的研磨曲線均呈現為歪斜的高斯分布形態。在圖3第一張圖中，藍色陰影區域表示顆粒數量分布，灰色區域部分為對藍色分布曲線的積分。我們可以任意選定一個粒徑數值，粒徑小於該數值的顆粒可定義為細粒，該數值我們可以在圖中以紫色虛線x=n表示，由此可得：

 

 

在上面的公式中，n為顆粒直徑，其單位為微米。從圖3最上面的圖中可以看到，對於實驗所選用的坦尚尼亞咖啡，n=70μm（研磨峰值為13.0μm，此處研磨峰值所指為頻率分布最高的顆粒尺寸）。鑑於分布的不對稱性，研磨峰值在賦予擁有該對應粒徑分布的咖啡的主要特性方面起著重要作用。然而，不同粒徑的顆粒的數量分布並不是影響咖啡萃取的唯一因素，所有這些顆粒的可接觸表面積也會對咖啡的萃取造成影響。

 

圖3中間和最下面的兩張圖展示了實驗所用的全部四款咖啡的研磨曲線。這些曲線均描繪於對數坐標系中以滿足大顆粒表面積佔總表面積比例的表達需求。表面積是將顆粒近似看作球體後估算所得33，並在圖中用虛線表示。由圖中可見數據表現出明顯的雙峰分布，這是由於細顆粒的可接觸表面積在總表面積中的佔比最高（研磨峰值ii和v），而大顆粒（直徑較大的數量最多或次多的顆粒，iii和vi）的可接觸表面積也同樣在總表面積中佔有一定比例。這種雙峰分布即使是在低濃度的情況下也會對萃取結果帶來影響。

 

圖中這些研磨曲線之間都有著細微的差別：黑色和紫色表示的研磨曲線有著近似的研磨峰值（i），定義細粉的粒徑為76.4±3.5微米。紅色和藍色表示的研磨曲線相較於黑/紫色曲線而言其研磨峰值稍小（iv），為1.3±0.7微米，定義細粉的粒徑為69.6±3.1微米。綜上所述，咖啡研磨後的粒徑分布情況非常近似，可見研磨效果與咖啡產地差異並無相關性。所有具體的因素方差分析都記錄在表S1中。應當指出，全部四款實驗使用的咖啡豆的烘焙程度相比於典型的商業等級咖啡為「淺度烘焙」（儘管以Agtron值作為衡量標準，這些咖啡均被歸類為「淺-中度」烘焙）。我們只能推測重度裂解的咖啡豆（例如深度烘焙或者法式烘焙）可能會偏離上述得出的結果；如要闡明具體影響還需要更多進一步的實驗。

 

在製作意式濃縮咖啡時，研磨後的咖啡粉可以被認為是一種粒狀材料，當增大填壓力度時會使這種材料變得更緻密34-36。不同的顆粒粒徑在對可接近表面積起顯著作用的同時，也會造成通道使水可以流過。從Herman的研究結果中可顯而易見地得知37，在粉堆中，大顆粒周邊總是相鄰著小顆粒，這種排序方式提高了局部密度並因此會導致通過粉層的水流不均勻。然而，考慮到對咖啡風味感受的主觀性和咖啡行業從業者的偏好，我們並不肯定是否能存在一個理想的粒徑分布：我們只是希望揭示咖啡之間驚人的研磨一致性。

圖3. 最上面第一張圖：粒徑分布作為物理顆粒的累計數量（藍色示出）和該數據的積分（灰色示出）的應變量，99％的顆粒的直徑為70微米或更小。定義細粉的粒徑在圖中以紫色虛線標示。中間與最下方的圖為實驗所測試的四款咖啡的研磨曲線。顆粒累計數量和表面積佔比分別以實線和虛線標識。坦尚尼亞，衣索比亞，薩爾瓦多和瓜地馬拉的研磨曲線的顏色分別為黑色，紫色，紅色和藍色。圖中標出了i-vi分布峰的對應數值方便觀察： i - 14.3, ii -27.4, iii - 282.1, iv -13.0, v - 27.4 and vi - 256.9微米。

咖啡熟豆的不同溫度對最終研磨效果的影響

 

非晶材料中的溫度變化可導致材料的玻璃化轉變，即材料從富有彈性的橡膠態變為硬和脆的玻璃態38。一些固體也會因此發生破碎，隨著粒徑的減小，破碎率會提高，從而導致產生更多的細粉39。該特性是由溫度和碎裂的速度共同決定的。我們都清楚，隨著溫度的降低，結晶材料會變得更容易破碎，這是因為當晶格的動能隨著溫度降低而下降時，作用於晶格上的應力會成比例地增大。但是，烘焙後的咖啡是一個相當複雜的材料，其玻璃化轉變或破碎發生的點即便在咖啡豆所有的宏觀區域都存在，也不太可能會都恆定在同一數值。因此，雖然溫度的變化會影響研磨結果是一個合理的期望，但是我們卻難以闡明為何影響和如何影響。而實驗則為評估溫度如何影響咖啡研磨後的顆粒粒徑提供了最簡單，最可靠的途徑。

 

咖啡豆的起始溫度越低，研磨的每個階段所產生的顆粒的溫度也越低。然而由於較大的溫度梯度，更冷的咖啡豆碎片將更快地從周圍的環境吸收熱量，從而實際上降低了各樣品之間實驗設計溫度的差異。因此，各研磨曲線之間所觀察到的差異應被視為降低咖啡豆溫度所造成的對研磨的影響程度的下限。而鑑於咖啡豆天然的不均勻性，冷卻刀盤（並因此進一步降低了顆粒再研磨時的溫度）將平滑地延續在圖4中觀察到的趨勢。

 

一部分的顆粒在咖啡豆（或較大的碎片）一開始破碎時就以最終的尺寸產生，因此這部分的顆粒才是在真正的實驗設計溫度下產生的。然而，通過採用單次撞擊事件進行實驗（例如用槌棒擊打冷凍的咖啡豆），表明只有少量的細顆粒是在咖啡豆初始碎裂時產生的，所以大部分顆粒在進一步破碎之前都會有一段向熱平衡方向發生的熱能交換過程。

 

即使有一部分的顆粒在研磨時會由於處於室溫的刀盤而吸熱，咖啡豆的初始溫度仍然對顆粒粒徑分布的峰值（圖4a）有著重要的影響。當咖啡豆如圖4b所示從室溫冷卻至-200℃時，粒徑分布峰值減小31％。此外，如圖4c所示，咖啡豆被冷凍後其粒徑分布通常變得更窄，這種分布的差異在室溫和-19℃的咖啡豆之間最大。在圖4a中可見室溫的咖啡豆其研磨曲線明顯偏離高斯分布，在大約9.5微米處有一個很寬的橫向發展峰。這個細節表明了咖啡豆中的某些組分在20℃到-19℃之間會經歷破碎轉變，有關該特性的進一步研究正在進行中。

 

為了探究這種轉變的可逆性，我們進行了相同的室溫條件實驗，不同之處在於實驗所使用的咖啡豆已先被冷卻至液氮溫度然後使之自然恢復至室溫。實驗結果顯示，兩個樣品之間沒有顯著差異，因此如果確實存在著一個轉變過程，那麼這個過程是可逆的。鑑於咖啡豆在烘焙之後含水率會下降至非常低的水平，得出上述實驗結論並不令人驚訝：咖啡結構的熱縮與再膨脹對任一試驗組得到的研磨曲線均無重要影響。

圖4. 薩爾瓦多咖啡的研磨曲線所體現的與溫度的相關性（a）：實驗方案中所設計的實驗溫度是通過分別研磨經過液氮、乾冰、冷凍室冷卻的以及普通室溫條件的咖啡豆所實現。定義細粒的粒徑已標示於圖中，其對應的精確數值為： -196℃ =61±3微米，-79℃ =63±3微米，-19℃ =73±3微米和20℃ =70±3微米。粒徑數量分布的峰值（b）：峰值隨著溫度升高而明顯增大的非線性趨勢。圖中可見其分布的偏斜程度與溫度成反比。從咖啡風味的角度來看，由於表面積與體積之比對小顆粒的重要性越發顯著，因此這是一個有利的特性。平均粒徑（d）：其與溫度間不連續的離散關係可能指明了咖啡豆在-19℃和室溫之間的轉化。

應用及結語

 

在繁忙的咖啡廳中，為了保證咖啡出品質量的穩定一致，通常的做法是每天隨著時間調小研磨度。基於本文的研究結果，我們認為這種現象是磨豆機（或者可能是放置於除去EK43外的磨豆機的豆倉中的咖啡豆）在使用過程中溫度逐漸升高的直接產物。在咖啡豆和發熱的刀盤之間的界面處，咖啡顆粒受熱變暖——當然溫度會遠高於在這個實驗中需要探討的試驗溫度——使得粒徑分布的峰值增大，峰形擴散更廣。因此，當磨豆機發熱時可能需要調整成更細的研磨度以獲得與同一款咖啡豆在冷卻的刀盤上研磨所產生的相同的有效表面積。然而，當磨豆機變得溫熱時，我們觀察到的研磨曲線之間的差異證明了簡單地使用溫熱的刀盤進行細研磨並不會與使用冷卻刀盤進行粗研磨產生相同的研磨結果。當然咖啡口味和偏好的影響並不是本研究的焦點，但卻是將來的一個有趣的研究方向。

 

研磨效果與咖啡豆的產地和處理方法之間這種相關性的缺乏，對提供來自不同產地的咖啡的咖啡館而言是令人欣慰的，對於配製與銷售拼配咖啡豆的烘焙商而言同樣是一個可喜的訊息。開發一款拼配咖啡的一個巨大挑戰是要使得混合咖啡中每個所需組分的可溶性相等，從而令這款拼配咖啡飲用起來是萃取適當的。我們以傳統的混合了巴西和衣索比亞咖啡的拼配為例：這兩款豆子混合的目的是希望能夠從巴西咖啡得到醇厚度與堅果韻，從衣索比亞咖啡得到風味的複雜性與水果調。但是，能夠得到上述結果的情況只能發生在對兩款咖啡豆的最終萃取程度都達到了相同的比率。本次實驗揭示了研磨時顆粒的可接觸表面積能夠保持穩定，從而最小化了萃取過程的其中一個變量，由此我們能夠將有關拼配混合咖啡豆的化學問題看作僅僅是與咖啡豆的烘焙曲線相關。

 

從物理化學的角度來看，研磨效果與溫度相關的特性派生出許多有趣的問題。鑑於液氮和乾冰的溫度和冷卻的可逆性之間的細小差異，我們懷疑在將來是否有可能會把烘焙後的咖啡低溫儲存在這些溫度中。的確，對處於這些低溫環境中的咖啡熟豆而言，其含水率是至關重要的，因為水在低溫中由於相變而產生的體積膨脹可能會導致咖啡豆破裂。另外，長時間暴露於水分中可導致風味分子的溶解析出，從而降低了冷凍品的壽命。但是如果對這些變量進行控制管理，存儲和相關質量的評估將使得獲取作物品質的直接逐年對比結果成為可能，同時這也會產生大量後續的影響。從消費的角度看，冷藏咖啡豆能夠顯著降低由於易揮發物質升華/蒸發所導致的質量損失的速率。因此，低溫研磨和衝煮咖啡很有可能會增強最終杯中之物的香氣和/或味道。

 

從工業的角度來看，萃取率是極為重要的。研磨低溫的咖啡豆會產生更均勻的顆粒分布，並減小顆粒尺寸。減小粒徑會由於增大顆粒總表面積而傾向於加快萃取速率，同時均勻性的增加應會儘量減少咖啡豆未被完全萃取就已遭丟棄所造成的浪費。雖然無論是對咖啡豆或者是刀盤進行冷卻都會耗能，但是這筆費用可以從研磨低溫咖啡的好處（更小的顆粒，更高效的萃取）中得到補償。

Finally！感覺又是一篇掉粉的公眾號。廢話不多說。關注公眾號，贏取大禮包

參考文獻：

1. Denoeud, F. et al. The Coffee Genome Provides Insight into the Convergent Evolution of Caffeine Biosynthesis. Science 345, 1181 (2014).

2. Http://www.ico.org/, International Coffee Organisation, Date Accessed: 26/02/2016 (2016).

3.  Farah, A., Monteiro, M., Donangelo, C. M. & Lafay, S. Chlorogenic acids from green coffee extract are highly bioavailable in humans. J. Nutri. 138, 2309 (2008).

4.  Stelmach, E., Pohl, P. & Szymczycha-Madeja, A. The content of ca, cu, fe, mg and mn and antioxidant activity of green coffee brews. Food Chem. 182, 302 (2015).

5. Daglia, M., Papetti, A., Gregotti, C., Bertè, F. & Gazzani, G. In vitro antioxidant and ex vivo protective activities of green and roasted coffee. J. Agric. Food Chem. 48, 1449 (2000).

6.  Clifford, M. N. in Chemical and physical aspects of green coffee and coffee products, 305 (Springer, 1985).

7.  Charurin, P., Ames, J. M. & del Castillo, M. D. Antioxidant activity of coffee model systems. J. Agric. Food. Chem. 50, 3751 (2002).

8.  Shimoda, H., Seki, E. & Aitani, M. Inhibitory effect of green coffee bean extract on fat accumulation and body weight gain in mice. BMC Comp. Alt. Med. 6, 9 (2006).

9. Watanabe, T. et al. The blood pressure-lowering effect and safety of chlorogenic acid from green coffee bean extract in essential hypertension. Clin. Exp. Hyperten. 28, 439 (2006).

10.  van Doorn, G., Colonna-Dashwood, M., Hudd-Baillie, R. & Spence, C. Latté art influences both the expected and rated value of milk-based coffee drinks. J. Sens. Stud. 30, 305 (2015).

11. Https://www.stumptowncoffee.com/varieties/, Stumptown Coffee Roasters, Date Accessed: 26/02/2016 (2016).

12.  Carneiro, M. F. Coffee biotechnology and its application in genetic transformation. Euphytica 96, 167 (1997).

13.  Sera, T. Coffee genetic breeding at iapar. Crop Breed. Appl. Biotechnol. 1, 179 (2001).

14.  Fabbri, A., Cevoli, C., Alessandrini, L. & Romani, S. Numerical modeling of heat and mass transfer during coffee roasting process. J. Food Eng. 105, 264 (2011).

15.  Johnston, W. R. & Frey, C. N. The volatile constituents of roasted coffee. J. Am. Chem. Soc. 60, 1624 (1938).

16. Gianturco, M. A., Giammarino, A. S. & Friedel, P. Volatile Constituents of Coffee-V. Nature 210, 1358 (1966).

17.  Franca, A. S., Oliveira, L. S., Mendona, J. C. F. & Silva, X. A. Physical and chemical attributes of defective crude and roasted coffee beans. Food Chem. 90, 89 (2005).

18.  Somoza, V. & Fogliano, V. 100 years of the maillard reaction: why our food turns brown. J. Agric. Food Chem. 61, 10197 (2013).

19.  Flament, I. & Bessière-Thomas, Y. in Coffee flavor chemistry. (John Wiley & Sons, 2002).

20. Moon, J. K., Hyui Yoo, S. U. N. & Shibamoto, T. Role of roasting conditions in the level of chlorogenic acid content in coffee beans: Correlation with coffee acidity. J. Agric. Food Chem. 57, 5365 (2009).

21. Hendon, C. H., Colonna-Dashwood, L. & Colonna-Dashwood, M. The role of dissolved cations in coffee extraction. J. Agric. Food Chem. 62, 4947 (2014).

22.  Shimizu, S. Caffeine dimerization: effects of sugar, salts, and water structure. Food Funct. 6, 3228 (2015).

23.  Colonna-Dashwood, M & Hendon, C. H. in Water For Coffee. (Self-Published, 2015).

24. Navarini, L. & Rivetti, D. Water quality for Espresso coffee. Food Chem. 122, 424 (2010).

25. Möbius, M. E., Lauderdale, B. E., Nagel, S. R. & Jaeger, H. M. Brazil-nut effect: Size separation of granular particles. Nature 414, 270 (2001).

26. Hong, D. C., Quinn, P. V. & Luding, S. Reverse brazil nut problem: competition between percolation and condensation. Phys. Rev. Lett. 86, 3423 (2001).

27. Http://www.coffeeinstitute.org/, Coffee Quality Institute, Q-Coffee System, Date Accessed: 26/02/2016 (2016).

28.  Kitajima, K., Cai, G. Q., Kurnagai, N., Tanaka, Y. & Zheng, H. W. Study on Mechanism of Ceramics Grinding. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 41, 367 (1992).

29. Hamdi, H., Zahouani, H. & Bergheau, J. M. Residual stresses computation in a grinding process. J. Mater. Process. Technol. 147, 277 (2004).

30.  Inasaki, I. Grinding of Hard and Brittle Materials. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 36, 463 (1987).

31.  Konig, W. A Numerical Method to Describe the Kinematics of Grinding. CIRP Ann. - Manuf. Technol. 31, 201 (1982).

32.  Li, X. & Bhushan, B. Measurement of fracture toughness of ultra-thin amorphous carbon films. Thin Solid Films 315, 214 (1998).

33.  Corrochano, B. R., Melrose, J. R., Bentley, A. C., Fryer, P. J. & Bakalis, S. A new methodology to estimate the steady-state permeability of roast and ground coffee in packed beds. J. Food Chem. 150, 106 (2015).

34.  Iwashita, K. & Oda, M. in Mechanics of granular materials: an introduction. (CRC Press Inc., 1999).

35.  Li, X. & Li, X.-S. Micro-Macro Quantification of the Internal Structure of Granular Materials. J. Eng. Mech. 135, 641 (2009).

36.  Corwin, E. I., Jaeger, H. M. & Nagel, S. R. Structural signature of jamming in granular media. Nature 435, 1075 (2005).

37. Herman, A. Shear-jamming in two-dimensional granular materials with power-law grain-size distribution. Entropy 15, 4802 (2013).

38.  Lubliner, J. in Plasticity Theory, Ch. 2, The Physics of Plasticity Section. (Dover Publications, 2008).

39. Mcgrady, E. D. & Ziff, R. M. 「Shattering」 Transition in Fragmentation. Phys. Rev. Lett. 58, 892 (1987).

40.  Sugumaran, M., Semensi, V., Dali, H. & Nellaiappan, K. Oxidation of 3,4-dihydroxybenzyl alcohol: A sclerotizing precursor for cockroach ootheca. Arch. Insect. Biochem. Physiol. 16, 31 (1991).

41.  Frank, O., Zehentbauer, G. & Hofmann, T. Bioresponse-guided decomposition of roast coffee beverage and identification of key bitter taste compounds. Eur. Food Res. Technol. 222, 492 (2006).

42.  Lentner, C. & Deatherage, F. E. Organic acids in coffee in relation to the degree of roast. J. Food Sci. 24, 483 (1959).

43. Minamisawa, M., Yoshida, S. & Takai, N. Determination of biologically active substances in roasted coffees using a diode-array hplc system. Anal. Sci. 20, 325 (2004).

44. Minowa, T., Fang, Z., Ogi, T. & Várhegyi, G. Decomposition of cellulose and glucose in hot-compressed water under catalyst-free conditions. J. Chem. Eng. Jap. 31, 131 (1998).

45.  Kaufman, P. B., Cseke, L. J., Warber, S., Duke, J. A. & Brielmann, H. L. in Natural products from plants. (CRC Press Inc., 1998).

46. The Agtron value for roasted cofffee is an spectrophotometeric measurement of reflected near-IR light. Higher values indicate lighter roasted coffee. For reference, an 『Italian』 or dark-roasted bean typically has an Agtron value of ca. 30.