困擾于自己做的咖啡總是味道不穩定，你可能需要了解哪些因素對風味有影響，并對相關參數做更精确的控制變量。令人欣慰的是，咖啡風味的調控也是學術界關注的話題，很多科研工作者正在幫你解決這些問題。
無論西方還是東方世界，咖啡都已經成為許多人的日常口糧。與傳統的茶文化将茶葉浸泡飲用不同，主流的咖啡制備工藝流程是将咖啡豆研磨成粉，再用熱水沖過咖啡粉萃取獲得。
如今，忙裡偷閑的打勞工不斷探尋更加美味與穩定的咖啡風味，結果卻隻算差強人意。本文将從咖啡的風味、口感、濃度需求出發，探讨咖啡口味精确控制的方法政策，以期幫助讀者做一杯更加穩定而完美的咖啡。
當我們喝咖啡時
我們在喝什麼
我曾嘗試研究過圖1所示的咖啡風味輪盤，希望在接過一杯50mL、剛剛用約9個标準大氣壓的壓強萃取（化學上的“萃取”多用來表示液體/液體溶出分離，咖啡則是“固-液”萃取，化學上用“浸取”表達為主。）出來的意式濃縮時，快速吮吸入口，然後并得出諸如“前調有堅果和黑巧克力的味道，後調則有明顯的柑橘風味”之類的結論。
圖1 常見的咖啡風味輪盤。
但現在，我隻喜歡提前點好一杯冰美式，一飲而盡。抛開可能并非所有人都能分辨的複雜的咖啡風味輪盤，咖啡本身的味道确實是複雜而誘人的，因為咖啡液中就包含了超過2000種分子。
如圖2所示，除了最直接被需求的咖啡因分子之外，各種芳香類分子、有機酸分子、碳水化合物、脂類等綜合在一起構成了咖啡的風味，例如異丁醛提供了辣味，乙醛帶來了水果香味，呋喃酮會讓咖啡産生回甘，而吡嗪類則給咖啡帶來土壤的味道等。這些酸、苦、澀、水果香味等味道，以及一些酯類提供的順滑的口感，共同形成了咖啡的風味。
而咖啡豆品種、産地的差異自然不言而喻，各類咖啡豆的處理方式，如水洗、日曬、烘焙溫度與時間、發酵程度等，都會影響咖啡豆中的各類成分與其比例。這在精品咖啡店中尤為重要——許多特别的豆子搭配熟練的咖啡師，才讓我們喝到一杯充滿驚喜的咖啡。
圖2 咖啡中代表性分子[1]。除咖啡因外，還包括含硫有機物、醛酮類、酚類、呋喃類以及吡嗪等衆多有機物。
控制變量
做好一杯意式濃縮
采購一台咖啡機進而友善地在家或辦公室随時制作咖啡，是不少人的選擇。這可以更好地根據自身喜好調控咖啡的口味，也比每天去咖啡店購買節約成本。令人沮喪的是，自己用咖啡機做的固然難與精品咖啡店的産品相媲美，甚至相較使用同樣咖啡豆的連鎖咖啡店的産品也有不小的差距。而且使用同樣的機器、同樣的咖啡豆，做出的咖啡口味也難以穩定。
那麼，有沒有辦法用家用咖啡機做出穩定而美味的咖啡呢？有的。對于大多數咖啡機而言，基礎的咖啡産品是意式濃縮（espresso）。經過簡單調制，意式濃縮又自然衍生出美式、拿鐵等品種。是以，如果掌握了制備意式濃縮的核心技術，就可以在各類花式咖啡中遙遙領先。
意式濃縮做法很簡單，把15~22g咖啡豆磨成粉，鋪滿粉碗中壓實，再用約9個标準大氣壓的壓強注入92℃~95℃的熱水至粉碗當中，收集30~60g的咖啡液即可。似乎隻需要控制好上述壓強、溫度、體積等變量，咖啡的口感和風味應該很穩定才對。
遺憾的是，準确的壓強、溫度控制需要複雜的機械結構和昂貴的傳感器，例如想要準确、穩定地控制出水溫度，就需要保溫性能好、加熱穩定的鍋爐來提供熱水，是以隻有價格昂貴的商用咖啡機可以相對準确地控制上述因素，家用咖啡機實際的工作狀态往往由于性能不足而産生不小的偏差。但沒關系，自己的咖啡機就是專門為自己服務的，通過控制變量的方法，我們總能把自己的咖啡機打造成為自己制作“特調”咖啡的利器。
2020年，美國俄勒岡大學和樸次茅斯大學的研究人員曾發表論文，報道了一個可以系統優化意式濃縮的數學模型。如圖3所示，如果把意式濃縮的制備過程看作一個化工萃取過程，那麼萃取發生的場所就是充滿咖啡粉的粉碗，而咖啡的制備過程就是從咖啡粉中萃取出來風味成分至咖啡液，萃取至咖啡液中的物質占幹咖啡豆的重量比被定義為萃取率（extraction yield，EY）。
圖3 意式濃縮粉碗的結構與咖啡粉分布示意圖[2]。
按照特種咖啡協會（Specialty Coffee Association，SCA）的建議，意式濃縮應當有17%~23%的萃取率，超過23%的萃取率時，咖啡會偏苦；而低于17%的萃取率時，咖啡會偏酸。顯然，咖啡粉的研磨情況、萃取熱水的壓強、咖啡粉的用量會直接影響到最終咖啡的萃取率，以及咖啡的口感。
現在我們來制作一杯40g的意式濃縮。
- 磨豆與風味
首先是研磨咖啡豆。根據Hendon的模型，如圖4所示，用磨豆機将咖啡豆磨碎，其顆粒越細，則萃取率越大。這很符合直覺，因為越細的顆粒，總表面積越大，越容易把咖啡粉中的風味物質萃取出來（圖4C中的藍線）。而模型還根據實際情況進行了修正，因為在實踐中，随着磨豆機設定的期望粒徑越來越小，并非所有的咖啡豆都能被均勻地磨細，總有一些相對較大的顆粒沒有被磨至期望粒徑。在熱水沖調時，這些大顆粒與水、其他細粉的互相作用不盡相同，形成部分阻塞的流體。（對于部分阻塞流體，Hendon模型用圖4C中的黃線來進行了表示。）
在實驗中，當磨豆機設定顆粒較細時，實際萃取率（圓圈）更接近部分阻塞流體；而當設定顆粒較粗的時候，由于部分阻塞現象不複存在，實際萃取率（圓圈）更接近标準流體。
圖4 （A-B）咖啡粉的粒徑分布；（C）固定萃取壓力至6bar情況下，咖啡粉研磨粗細與萃取率的關系。藍線是标準流體模型，即顆粒越細，萃取率越高；黃線是部分阻塞的流體模型，即有大有小的咖啡粉情況下，流體不會均勻流下。圈圈為實際情況，細研磨情況下接近黃線，粗研磨情況下接近藍線。
- 咖啡粉量、壓強與風味
制作咖啡的另一個關鍵問題是，要用多少咖啡粉？如圖5所示，咖啡粉的量越大，則咖啡的萃取率越低。這有點反直覺，畢竟粉越多，咖啡應該越濃才對啊，怎麼會萃取率越低呢？實際上，咖啡粉越多，做出的意式濃縮肯定會更加濃郁；但對于全部咖啡粉而言，萃取出來的物質所占咖啡粉的比例下降了。這意味着如果咖啡粉放得多，相對較粗的研磨程度，就可以獲得濃郁的（粉多）偏酸（萃取率低）的意式濃縮；也可以用相對較少的咖啡粉，制作出比較淡（粉少）但偏苦的咖啡（萃取率高）。
至于為什麼萃取率會影響到風味，溶解度可能是關鍵因素之一。咖啡中酸性的物質，如奎甯酸的溶解度較大，是以很容易溶解出來，在較低的萃取率下也會大部分溶出；而對于一些偏苦的風味物質，如苯基林丹（phenylindane）、奎尼内酯（quinides）則溶解度偏小，在較高的萃取率下才能溶出。故而低萃取率偏酸而高萃取率偏苦。
圖5（A）粉量與萃取率的關系：粉越多，萃取率越低（但咖啡可能越濃）；（B）壓強與萃取率的關系：壓強越大，萃取率越低（但可能帶出更多不易溶于水的風味物質）。
另一個有趣的事情是萃取壓強與萃取率、風味的關系。如圖5(B)所示，由于控制了咖啡液的總量為40g，更高的萃取壓強意味着水流速快，水快速流過咖啡粉，自然萃取率偏低。但對于咖啡中特殊的風味物質而言，有些溶解度十分小，它們是被流過的熱水帶出來而非溶解出來的（就像洗手，水把某些污垢帶走，而非溶解在水裡），是以在實踐中更加高的萃取壓強往往會帶來更加豐富的味道，也需要更細的咖啡粉來搭配獲得中和的口感。
- 按需定制自己的風味
對于自己的家用咖啡機而言，我們已經掌握了調控味道的關鍵。增加粉量可以提升濃度，增加壓強可以提高味道豐富程度，而控制研磨粒徑可以調控萃取率——當覺得咖啡味道偏酸的時候，就把粉研磨細一些，并減少粉量；如果覺得濃度不夠苦，就增加粉量，用壓強來控制酸度。
如果想要特别綜合的風味，那麼甚至可以用不同參數做兩杯，然後混在一起。如圖6所示，我們可以用較少的咖啡粉、較粗的研磨顆粒，獲得不太濃、苦味比例高的一杯濃縮咖啡（綠點）；再用較多的咖啡粉、更高的研磨顆粒，獲得酸度比較高、濃度高的另一杯濃縮咖啡（紫點）。二者混合之後，就可以獲得酸度、苦度比較中和的雙倍意式濃縮。
圖6 綜合風味可以用紫色+綠色的兩杯混在一起獲得。又酸又苦，生活不過如此。
研磨的超級秘籍
我們可能已經發現，研磨似乎是咖啡制作中控制最為複雜的一環。俄勒岡大學的研究人員在一份雜志上進一步讨論了研磨對咖啡粉的摩擦生電問題。[3]事實上，在咖啡研磨過程中，由于咖啡豆與刀片的摩擦、咖啡裂開過程中的電荷分布不均等原因，咖啡粉會帶電。與刀片摩擦帶電很容易了解，由于兩種物質的互相摩擦接觸，其中一種物質的電子轉移到另一種，其結果就是失去電子的物質帶正電，而得到電子的物質帶負電。
值得一提的是，咖啡豆裂開的過程也會産生靜電，其原理與火山灰炸裂帶電十分接近。如圖7所示，在小顆粒層面，咖啡顆粒裂開時，由于伴随着共價鍵的斷裂，其中的電子/離子會被釋放[4]，是以殘留的咖啡粉會攜帶正電或者負電，這是研磨得到細顆粒的過程中咖啡粉帶電的主要原因。
圖7 火山灰帶電與後續凝結機理。在小顆粒層面，顆粒裂開之後邊緣電子被釋放，進而殘留的顆粒攜帶正電。
咖啡粉帶電會導緻咖啡粉團聚，影響其粒徑分布。研究者發現，咖啡豆的品種、烘焙方法與研磨獲得的咖啡粉帶電情況和粒徑分布關系不大，但深度烘焙的豆子相對帶電較少，咖啡粉團聚較為微弱。
圖8 橫軸為不同咖啡豆品牌，縱軸為咖啡粉的電荷/品質比。灰色為第一次細磨，黑色為第二次粗磨。可以看到粒徑分布不變，但咖啡粉帶電情況顯著改善。
另外，如果不怕麻煩的話，二次研磨可以顯著減少咖啡豆的帶電和團聚情況。如圖8所示，先細磨一次獲得較細的咖啡粉，但此時咖啡粉帶電多，團聚較為嚴重；再用更粗的擋位磨一次，這雖然不會讓咖啡粉變細，卻可以減少咖啡粉帶電和團聚情況。
更為關鍵的是，濕度增加可以減少咖啡粉帶電情況。如圖9所示，無論何種咖啡豆，在放置入研磨機之前噴一點水，就可以顯著減少咖啡粉的帶電和團聚問題，改善咖啡出品水準。這可能就是社交媒體上廣泛流傳的“ross droplet technique”技術（咖啡豆在研磨之前噴一下水，可以有效減少靜電飛粉）的本質原因。
圖9 研磨時在咖啡豆噴一點水，咖啡粉團聚減少，粒徑更細。是以咖啡液流出速度變慢，咖啡濃度增加
尋求科學答案
關于咖啡制作的研究一直以來是學術界關注的有趣領域，例如意大利卡美日諾大學的研究人員在2015年比較了意式濃縮與沖泡咖啡在風味和化學成分上的差異[5]，沖泡咖啡的咖啡因與綠原酸含量相較意式濃縮都高一些，這意味着沖泡咖啡的提神效果可能更好。如果更希望從源頭上控制咖啡的制備，波蘭波茲南工業大學有研究人員在2016年發表文章讨論了咖啡豆品種、烘焙工藝對成品咖啡豆風味成分的影響[6]。
也許在不久的将來，當我們能解析并輕松獲得咖啡中所有的風味分子，那麼做出的咖啡風味可能更加穩定：我們選擇咖啡因、單甯酸，各種硫醇、酚類的量，用程式控制将各類風味物質分子定量注入水中，加熱搖勻送到手中。味道永遠保持恒定，永遠可以定制，但也許這已經脫離了咖啡的本源需求——放松而非提神。
喝了這杯獨屬于你的定制咖啡，熱情地擁抱生活吧。