第三章 過濾和萃取的理論科學
筆者經過研究並寫下本章，旨在讓咖啡師瞭解Espresso過濾時的動力學。有些讀者會覺得這一章既充實又迷人，也有些讀者會看得頭皮發麻。筆者認爲閱讀並且吸收本章內容是有會有正面回報的，其最重要的意義在於能夠爲判斷大部分過濾和萃取中的問題提供理論基礎。
過濾動力學
Espresso過濾的動力學非常複雜，而且尚未完全參透。不過針對現在瞭解到的過程，已經有一些可靠的模型可以對其進行描述。我們首先會討論、觀察衝煮滴濾式咖啡時，咖啡粉、氣體、和濾器中的水之間的密切聯繫，在此之後，上面說到的這些模型就很容易被形象化了。我們可以使用手衝或者任意可以在衝煮時觀察到咖啡粉的滴濾機來完成這一步驟。
滴濾式咖啡的過濾和萃取動力學
第一階段：浸溼。水淋到粉牀上，浸溼咖啡粉，令咖啡粉迅速釋放二氧化碳。釋出的二氧化碳會對水造成衝擊，引發咖啡粉的擾動，可以同時延緩咖啡粉浸溼和水流穿過粉牀的速度。通過沖煮完成之後覆蓋在咖啡粉上的那一層泡沫，可以證明擾動的存在。
水總是會選擇阻力最小的路徑流過粉牀，因此水流穿過粉牀時是不太規律的。水在從咖啡粉中萃出物質的同時，也在被咖啡粉吸收，而未被咖啡粉吸收的液體在繼續流過粉牀時，濃度逐漸增加。同時，咖啡粉吸收了水分之後會膨脹隆起。
第二階段：萃取。最先從濾器中流出的咖啡液最粘稠，濃度最高。隨着萃取進程推進，液體的濃度會越來越淡，因爲粉牀中剩下的易萃出物質會越來越少。
萃取有兩個階段。在第一個階段，固體物質是從咖啡粉的表面被沖刷出來。而第二個階段，水會擴散到咖啡顆粒內部，把固體物質由內部提取出來，“擴散”總是從濃度較高的區域向濃度較低的區域轉移。
擴散作用由一連串動作產生。首先，水和咖啡顆粒接觸，放出氣體。之後，水進入咖啡顆粒的毛細孔，使顆粒膨脹，顆粒內部的固體物質開始溶解。接下來，溶解出的固體物質會先擴散到顆粒表面，再溶入周圍的溶液中。
在衝煮時，水會持續注入粉牀頂部，稀釋液體、咖啡粉、和氣體的混合物。接近粉牀頂部的這些稀釋液體，由於濃度差（咖啡粉中固體物質的濃度、溶液中固體物質的濃度，兩者之間的差值）的懸殊，會快速地對上層的咖啡粉產生擴散作用。到了粉牀底部，萃取的速度會變得慢一些，原因是這裏的液體中的固體物質濃度更高，降低了濃度差。最終的結果就是萃取不均勻，上層的咖啡粉會比下層的咖啡粉萃出更多固體物質（注1：使用錐形濾杯時，粉牀由上而下的萃取率會比使用圓柱形濾杯時更均勻，詳見本章後文關於濾杯形狀的討論）。
Espresso的過濾和萃取動力學
Espresso和滴濾咖啡的動力學是相似的，儘管Espresso的萃取更主要靠沖刷來完成，擴散作用的戲份很少。用來描述Espresso過濾的模型還不是很完善，但是通過實踐，已經可以證明它對預測出品成功與否的有效性。下面的內容結合了已發表的研究報告和來自精品咖啡產業的前沿知識。
第一階段：浸溼。在第一個階段，水填滿萃取腔的頭部空間，浸溼咖啡粉，並排出氣體。在咖啡粉吸收水的同時，水也會從咖啡粉中取出固體物質。吸收的水分使咖啡顆粒膨脹，減少粉牀中的空隙。
水流過粉牀時會從咖啡粉中侵蝕出固體物質，並讓這些固體物質沉澱到粉牀底部。這會使粉牀底部的固體物質含量在浸溼階段得到增加（注2：具體增加了多少沉澱的固體物質，又具體有多少固體物質是隨着萃取液體流到粉牀底部的，目前還無法通過中斷萃取進程來測量記錄）。
在浸溼階段，咖啡粉牀極易受到通道的侵害。諸如干咖啡粉的凝聚力不足、咖啡粉位移、膨脹造成的粉牀重構、固體物質移動的速度太快、還有某些機器會有的意外的壓力增加，都會在這一階段內極大提高通道形成的可能性。
到了浸溼階段的最後時刻，粉牀已經被徹底變化：消除了空隙，膨脹了起來，吸收了衝煮用水的熱量，氣體被排出，固體物質從粉牀的上層轉移到了下層，優先的水流路徑已經形成，通道也有可能已經形成。
第二階段：增壓。壓力差使水從高壓區域穿過粉牀流向粉碗底部濾孔的低壓區域。按照流體力學中的達西定律所述，隨着外加壓力的增加，穿過粉牀的水量也會增加。然而，在學術出版物中的實驗證據與達西定律有兩個明顯矛盾：
1. 隨着萃取過程中的壓力增加，最初水的流速會加快，到達最快速度後開始減速，逐漸趨近一個恆定的流速。
2. 對不同外加壓力值下萃取的出品取樣，發現壓力較高時水的流速也較快。但是壓力不能高於某一個特定的值，一旦超過這個值，流速就不會變化、甚至反而減慢了。簡而言之，如果你把意式咖啡機的泵壓從9個大氣壓調整到12個大氣壓的話，水流的速度可能反而會變慢。
在增壓的過程中流速變慢這一現象，有幾種可能的原因。其一，在增壓階段，殘存的部分幹咖啡粉也被浸溼並膨脹，讓粉牀中的孔隙更少了，從而增加了水流阻力。其二，壓力的增加使粉牀更加緊實，也增加了水流阻力。最後，增加的壓力“幫助”了咖啡顆粒的移動（即極細粉位移），使得粉牀逐漸變得更加緊實。
第三階段：萃取。關於衝煮過程中的沖刷和擴散這兩種不同的萃取形式的研究，目前還存在不同意見。其中一撥研究者整理數據後，推斷萃出的物質主要是由沖刷咖啡細胞外壁完成的。而另一撥研究者研究了同樣的數據，推斷在頭1分鐘內85%~90%的萃出物是由細胞內擴散完成的（而且之後是100%）。假如真是後者所說的這樣，那麼擴散就纔是Espresso萃取的主角。
然而根據使用大型濾器研究的結果，在咖啡顆粒滿足如下條件時，擴散作用纔會產生：
1. “束縛水適量”。咖啡顆粒能夠容納相當於自重15%的束縛水。
2. 被遊離的萃取液體滲透。
3. 氣體已全部排出。
標準的Espresso萃取時間並不長，幾乎無法同時滿足上面3個條件，讓擴散發生。因此，就像油脂來自乳化作用（注3：油脂的乳化作用似乎是由Espresso衝煮過程中的高壓引起。關於乳化液是否是Espresso最重要的一個評判條件還存在爭議）一樣，很有可能Espresso的整個萃取過程都是由沖刷來完成的。就算擴散有功勞的話，也只是杯水車薪。
↑ 咖啡粉（以堆砌的矩形表示）的顏色在第一張圖裏是深紅色，代表固體咖啡物質的濃度很高。在後面幾張圖裏，紅色越淺代表固體物質的濃度越低。
T= -10秒：壓力泵啓動之前的幹咖啡粉。飽含固體物質，極細粉分散在粉牀各處。
T = -1秒：預浸泡接近尾聲時的粉牀。水已經滲透了幾乎整個粉牀，但萃取還未開始。咖啡粉吸收水分後，粉牀膨脹。一條通道（以黃線表示）形成在粉牀中間。粉牀頂部已經開始有固體物質流失，粉牀下層的固體物質得到增加。極細粉開始向粉牀底部移動。
T = 0秒：第一滴萃取液體出現。在通道的出口出現第一滴萃取液體。極細粉和固體物質越發集中於粉牀的下層。粉牀隨着壓力的增加而收縮。
T = 5秒：萃取初期。固體物質和極細粉迅速離開粉牀。泵壓加滿之後，粉牀進一步被壓縮。
T = 15秒：萃取中期。粉牀因質量流失而收縮。粉牀頂層的可萃取固體物質幾乎已喪失殆盡。大部分極細粉和固體物質都集中在了粉牀的最底層。
T = 25秒：萃取末期。粉牀頂層的可萃取固體物已經被抽空。粉牀丟失了乾燥狀態時約20%的重量。
液體的變化
在準備工作完成得很好的情況下，最開始萃出的液體應該很粘稠，而且顏色很深（注4：普遍認爲在萃出液體中的焦糖化固體物的濃度越高、或二氧化碳的濃度越低時，顏色就會越深。不過可能還有其他的因素也會影響液體的顏色。）。再往後液體會變得越來越稀薄，而且顏色也會逐漸變淡，最終變成黃色。在液體變成黃色（或金色）時，就要切斷水流，防止在對風味沒有任何益處的情況下使濃度被稀釋。這是因爲到了萃取末期，萃出液體中的咖啡風味物質含量已經非常低了。
粉牀頂層的固體物質在浸溼和萃取初期迅速被抽出，這是由於高溫使得顆粒在浸溼階段更容易位移，而且還得益於一個很懸殊的濃度差。
粉牀下層的固體物含量從浸溼階段開始增多，之後在萃取初期穩定下來，因爲下層咖啡粉在流失少量易溶於水的固體物的同時，又增加了沉澱的極細粉。最後的結果就是在萃出的液體中，粉牀上層貢獻的固體物所佔比例要遠高於粉牀下層。
極細粉
極細粉、或超細的細胞壁碎片的位移，是Espresso萃取中的“未知因素”。雖然我不知道有什麼直接測量的方法能夠量化極細粉位移，但在已發佈的研究報告中卻有很多的間接證據可以證明它的存在。在假定極細粉會位移、而且會在粉牀底部形成一個緻密層的前提下，還可以根據數學模型推測出它的存在（注5：有一些數學模型可用於模擬Espresso萃取，並允許輸入不同的變量，諸如粉牀在預浸泡時被浸溼的比例，萃取完成後粉牀上下各層剩餘的固體物數量，和萃取時的流速。實踐已經證明了這些模型根據上述變量所推測的結果的準確性）。
如果形成了明顯的緻密層，將堵塞粉碗底部的濾孔，破壞萃取的均勻度。緻密層的形成會從以下幾個方面破壞Espresso的品質。
1. 使流速意外減慢。每一個目睹過萃取過程中流速變慢的咖啡師，應該都是緻密層形成後使水流阻力增加的見證者。
2. 不均勻的萃取和通道。
3. 減少Body，假如過多的細粉取代有用的固體物（包括可溶解的和不可溶解的）進入杯中的話。
極細粉對Espresso品質的影響
拋開緻密層不談的話，極細粉對Espresso的品質既有好的影響，又有壞的影響。爲了深入瞭解極細粉的影響，筆者在填粉之前使用一隻90微米粉篩來排除大量的極細粉（注6：筆者並沒有對去除的細粉記重，僅搖晃了一分鐘左右的粉篩，直到沒有極細粉繼續穿過粉篩）。去除極細粉後最顯着的影響就是流速的加快，這表明極細粉會增加水流的阻力。將研磨度調細到恢復正常流速後，繼續用篩過的粉出品幾杯。與“正常”的出品相比，篩掉極細粉的出品的Body更少，苦味也更少。
由於極細粉對Espresso既有好處（更多的Body）又有壞處（更多的苦味），那麼只有爲給定的填粉量找到最佳的極細粉佔比，才能做出最優秀的Espresso。但這個佔比要能夠限制極細粉位移，預防緻密層的形成。我們沒有什麼切實可行的方法來測量極細粉的產生和位移，但至少有很多方法可以減少極細粉的產生和位移。
限制極細粉的產生
由於咖啡熟豆的硬度不高，在研磨時不可避免的會產生極細粉。針對一個給定的研磨設定，有四種方法可以減少極細粉的產生：使用更鋒利的刀盤；使用更淺的烘焙度；使用轉速更慢的磨豆機；使用含水量更高的咖啡豆。
限制極細粉的位移
咖啡師可以通過兩種方法來間接監測極細粉位移：使用無底粉碗觀察萃出液體的流速和顏色是否均勻（不同區域之間的顏色差異不能太大）；或者敲掉已使用的粉餅後，檢查粉碗的濾孔（濾孔不能有堵塞）。通過上述觀察，咖啡師能夠得知極細粉位移是否存在。
要減少極細粉位移，最簡單高效的方法就是使用低壓預浸泡。使用較細的研磨度也可以減少極細粉位移，較細的研磨縮小了咖啡粉之間的空間，從而壓縮了可供位移的路徑，也讓粉牀更加緊實。當然，僅僅只調細研磨度會使流速變慢，但在調細研磨度的同時減少填粉量，或使用大一點的粉碗，就能保持原來的流速了。
粉碗的形狀與萃取
標準單份粉碗的形狀就像一個截掉了頂部的圓錐；標準雙份粉碗則是（或接近）一個圓柱。粉碗的形狀是否會影響萃取的質量呢？答案是不完全肯定。
本章前文已提到，在萃取過程中，粉牀上層萃出的固體物質比粉牀下層要多。這種不均勻的萃取對出品的風味和濃度都有損害：上層會萃取過度，萃出苦味和澀味；而下層會萃取不足，使甜度降低，濃度降低，還有可能出現發展不完全的風味。
使用圓柱形的粉碗會使這種不均勻的萃取加劇，而使用截錐形（即梯形）的粉碗則能對不均勻萃取做出一些彌補。爲了幫助理解，我們假設萃取的前期工作都做得很完善，然後分別使用一個圓柱形的粉碗和一個截錐形的粉碗，完成了萃取。再假設在這兩次萃取過程中，細粉沒有位移，而且也沒有明顯的通道形成。現在想象你能夠在萃取時觀察到粉牀內部的樣子，在你的腦海裏把粉牀橫切成一塊一塊的薄片，即橫切面（可以想象成疊成一堆的光盤）。
在圓柱形的雙份粉碗中，液體流經每一層的量都是相等的（讓我們暫時忽略咖啡粉的吸水作用）（注7：現實中咖啡粉會吸收水分，這會使計算流經每一層的液體量變得複雜，但並不影響截錐形粉碗底層的單位面積液體流量和萃取率高於圓柱形粉碗這一事實）。而且每一層的面積也是完全相同的。因此，流過任意一層的單位面積的液體量都是相等的。
在截錐形的粉碗中，液體流經每一層的量也是相等的。不過越靠上的層面積越大，液體往下流經的層的面積會越來越小。因此，至上而下，流過每一層的單位面積的液體量是呈增加趨勢的（就像兩條車道並道變成一條，並道前後經過的車流量是一樣的。但是並道之後，論單條車道的車流量是加倍的）。
截錐形粉碗中越靠下的層，單位面積流量越大，使得下層萃出的物質更多。所以，在這次假設的萃取實驗中，截錐形的粉碗提供了更爲均勻的萃取。
這個原理同樣適用於滴濾式咖啡，使用錐形的濾器也能夠提升粉牀的萃取均勻度。使用錐形濾器來製作滴濾式咖啡並不難，但據我所知沒有一臺商用滴濾機是原裝就配備錐形濾籃的。商用機器通常都提供了各式各樣的兼容濾籃，最好選用形狀最接近錐形的那種。
Espresso衝煮比例和標準
什麼是Ristretto？什麼是Normale？什麼是Lungo？
儘管有一個所謂的意大利標準，但世界上其他各國還是會用五花八門的填粉量和出杯量製作Espresso。因此，小標題的這三個名稱對於不同的咖啡師而言，意義也不盡相同。
當然，在同一間咖啡館裏，Normale肯定指的是標準的出品；Ristretto使用同樣的填粉量，但是出杯量較少；Lungo則是用同樣的填粉量，但是出杯量更多。所以這三個名稱也代表了Espresso衝煮比例的大小（注8：“衝煮比例”一詞原本用於滴濾式咖啡，指的是幹咖啡粉與衝煮用掉的水的比值。在製作Espresso時，由於咖啡粉的吸水率變化無常，很難測量出衝煮時具體用掉了多少的水。因此，我們從實用的角度出發稍稍曲解原意，將Espresso的衝煮比例定義爲幹咖啡粉重量與出品的咖啡液重量的比值）。
根據傳統，咖啡師是使用容量來測量出品的大小的，比如1 oz或30 ml就是標準的意大利Normale。這樣會帶來一個麻煩： Crema的量在不同的出品中是大不相同的，而且不同出品中的液體量差別也很大。任何一個咖啡師在將幾份出品同時放置幾分鐘後再看，都會發現Crema消散後剩下的液體量是很不一致的。
使用新鮮的咖啡豆、現磨現煮、添加羅布斯塔豆、使用無底手柄、和其他的一些手段，都可以增加Cerma的量。
要對比Espresso衝煮比例和出品“大小”的正確方法是對幹咖啡粉和出品的咖啡液稱重。在咖啡館營業過程中對出品進行稱重是不太現實的，筆者也不建議咖啡師對所有的出品都去稱重，但我認爲咖啡師應該間歇性地抽取部分出品進行稱重，有助於提升出品的一致性。對出品稱重同時還可以讓咖啡師們在討論填粉量、出杯量、Espresso衝煮比例時描述得更生動。
將出品容量替換成出品的重量來計算Espresso衝煮比例這個理念，來自筆者的朋友Andy Schecter ，一位來自紐約羅契斯特的天才業餘咖啡科學家（注9：關於Andy這個理念的具體討論內容，以及下文展示表格的原始版本，詳見此網頁：http://www.home-barista.com/forums/brewing-ratios-for-espresso-beverages-t2402.html）。
↑ 在這張表格中，AndySchecter通過Espresso衝煮比例來定義了Ristretto、Normale和Lungo。不是所有咖啡師都能夠認同Andy這種定義法，但他提出的標準其實就是意大利的通用做法，而且解釋起來簡單又便於記憶。我們來看一下，Andy將標準Ristretto定義爲咖啡液和幹咖啡粉重量相等；標準Normale，即標準Espresso的重量是幹咖啡粉重量的兩倍；標準Lungo的重量是幹咖啡粉重量的三倍。Cafe Crema就只是將Espresso的萃取時間拉得很長而已。
有個很有趣的事情，就是咖啡師使用咖啡機程序設定的定量按鈕製作的出品，衝煮比例的一致性遠高於咖啡師憑觀察手動結束的出品。使用程序按鈕的出品Crema量會有差異，但是重量能保證基本一致。
咖啡師要如何利用關於出品重量和Espresso衝煮比例的這些信息呢？其一，筆者認爲咖啡師應該每天對部分出品進行稱重，有助於維持出品的一致性。其二，討論萃取率時，烘焙師和咖啡師在考慮填粉量和水溫之餘，同樣也要考慮咖啡液的重量。其三，咖啡師應該嘗試使用程序設定的定量按鈕，但同時不能放鬆對流速和通道的警惕。
（第三章 完）
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