數學家教你如何泡出一杯完美的咖啡
2020年03月07日10:53

  文章來源:原理

  愛喝咖啡的朋友們,是否都有過這樣一個疑問:為何在家裡煮的咖啡和在咖啡館買的味道如此不同?有時,同一家店的咖啡可能在一週之內味道也會變好幾次?你或許會猜,是不是因為咖啡師改變了咖啡的配方?但在一篇最近發表於《物質》雜誌上的新研究表明,這種變化源自於衝泡方法中所存在的一種內在不一致性。

  發表了這篇論文的作者們認為,他們已經找到的是一種能為咖啡黨們帶來福音的研究結果,可以讓喜愛咖啡的人每次都能製作出美味的意式濃縮咖啡。

  在介紹這種方法之前,或許我們先要探討的是,怎樣的咖啡才能稱得上好的咖啡。一杯咖啡的質量取決於咖啡的品種、產地、烘焙和水化學。此外,衝泡方法也在決定整體風味方面起著關鍵作用。意式濃縮咖啡有著最複雜的衝泡方法,因為它需要精確的測量。與此同時,意式濃縮咖啡還是所有咖啡的基礎,無論是拿鐵還是卡布奇諾,都是以它作為基底的。

  根據歷史上咖啡協會給出的定義,意式濃縮咖啡應該是一種體積為25-35毫升,重約20-30克的咖啡飲品,通常由7-9克被研磨過的咖啡製成,製作意式濃縮咖啡的水溫一般在92°C - 95°C,水流在壓力下經過20-30秒的流動時間通過咖啡粉。這些是已經被引入了咖啡行業的參數指標,但它與現如今大多數咖啡館所使用的配方有很大的區別。現在的咖啡店通常更偏好於在衝泡時使用更多的咖啡粉(15-22克),製造出重約30-60克的咖啡飲品。

影響咖啡質量的主要因素的相對重要性,其中咖啡植物本身是最重要的因素。| 圖片來源:Christopher H。 Hendon / University of Oregon
影響咖啡質量的主要因素的相對重要性,其中咖啡植物本身是最重要的因素。| 圖片來源:Christopher H。 Hendon / University of Oregon

  當製作一杯意式濃縮咖啡時,咖啡粉和水的用量,以及咖啡粉被研磨的粗細程度,都由咖啡師來操控;咖啡機中的水壓、溫度和衝泡量,也都能對口感造成影響。這些參數共同支配著約2000多種不同化學物質的相對比例,產生一個微妙的平衡過程。

  然而,哪怕咖啡師把每個步驟都做到自己心目中的完美,可是用相同配方製作出的意式濃縮咖啡仍然可能存在很大的差異。可能這杯嚐起來是覆盆子和黑巧克力的味道,另一杯嚐起來就成了機油味。雖然對於咖啡來說,每個人都有自己的口味偏好,但“執拗”的科學家們卻相信,他們可以搗鼓出一套程式,使得咖啡師能在每一次的咖啡製作過程中,都達到他們預期的口味。

  這項以“拯救咖啡師”為使命的研究團隊是一個由數學家、化學家、材料學家和咖啡師組成的團隊,他們創建了一個數學模型,用這個模型來模擬在真實的咖啡環境中衝泡濃縮咖啡的細節。利用這個模型,他們預測出有多少固體咖啡最終會在杯中溶解,由此得到的百分比數據,即萃取率,是咖啡業內用來評估不同咖啡配方的一個關鍵性指標。

  通過求解一系列方程之後,他們發現,這個模型能夠準確地預測出在現實生活中會出現的萃取率——但有一個例外,那就是當咖啡被研磨得非常細的時候。這是個例外是由水流在通過被研磨的很細的咖啡粉餅的過程變得非常不可預測而導致的,它能讓部分粉餅結塊。這也就是說,在這樣的情況下,有的部分的咖啡沒有被充分萃取(萃取率低),而有的部分則被過度萃取(高萃取率)。

  但對於專業的咖啡師來說,他們的目標可能不僅僅是做出一杯美味的咖啡,而是希望他們製作出的每一杯咖啡都有著可複製的美味。通過檢測每一杯濃縮咖啡的萃取率,可以對每一杯咖啡質量的一致性進行監測。

  然而,研究人員通過模型卻得到了意料之外的結果,他們發現,若想做出美味的咖啡,咖啡師要做的是減少咖啡粉的用量,並且把咖啡研磨得稍微粗一點。這樣就能實現可重複性高、萃取率高的咖啡衝泡。

  研究人員根據數學理論發現,減少咖啡的重量意味著水在流過更淺的咖啡粉餅時會流動得更快。被研磨得更粗的咖啡粉會造成一個相對更易滲透的咖啡粉餅,從而使得水流和萃取都變得均勻且可預測。這樣一來,就可以在每一次都製造出味道相同的濃縮咖啡。

  當然,研究人員深知,並非每個人的口味都相同,因此他們通過一系列程式來將這一點納入了考量。咖啡師們可以使用這些程式來尋找不同的咖啡味道。即使有人喜歡的正是那種混合了未被充分萃取和過度萃取所形成的複雜的咖啡味道,在模型中也仍然可以通過將兩杯具有不同萃取率的咖啡混合在一起來模擬。

  而除了味道之外,從這次的模擬結果中還能得到了一個重要的啟示,那便是咖啡師能夠在不犧牲咖啡質量的情況下,將每杯濃縮咖啡的賸餘浪費縮減25%,這能顯著提高他們的利潤。據模型預測,如果實踐模擬結果所建議的方法,僅美國的咖啡市場每年的節省額就將高達11億美元。

  這對咖啡愛好者來說無疑也是一個好消息。近年來有研究表明,由於氣候變化,60%的野生咖啡物種正面臨滅絕的威脅,因此這一發現具有尤為重要的意義。所以最終,減少咖啡的用量不僅能製造出更好更美味的濃縮咖啡,而且也有益於我們的環境。

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