第三章 过滤和萃取的理论科学
笔者经过研究并写下本章，旨在让咖啡师了解Espresso过滤时的动力学。有些读者会觉得这一章既充实又迷人，也有些读者会看得头皮发麻。笔者认为阅读并且吸收本章内容是有会有正面回报的，其最重要的意义在于能够为判断大部分过滤和萃取中的问题提供理论基础。
过滤动力学
Espresso过滤的动力学非常复杂，而且尚未完全参透。不过针对现在了解到的过程，已经有一些可靠的模型可以对其进行描述。我们首先会讨论、观察冲煮滴滤式咖啡时，咖啡粉、气体、和滤器中的水之间的密切联系，在此之后，上面说到的这些模型就很容易被形象化了。我们可以使用手冲或者任意可以在冲煮时观察到咖啡粉的滴滤机来完成这一步骤。
滴滤式咖啡的过滤和萃取动力学
第一阶段：浸湿。水淋到粉床上，浸湿咖啡粉，令咖啡粉迅速释放二氧化碳。释出的二氧化碳会对水造成冲击，引发咖啡粉的扰动，可以同时延缓咖啡粉浸湿和水流穿过粉床的速度。通过冲煮完成之后覆盖在咖啡粉上的那一层泡沫，可以证明扰动的存在。
水总是会选择阻力最小的路径流过粉床，因此水流穿过粉床时是不太规律的。水在从咖啡粉中萃出物质的同时，也在被咖啡粉吸收，而未被咖啡粉吸收的液体在继续流过粉床时，浓度逐渐增加。同时，咖啡粉吸收了水分之后会膨胀隆起。
第二阶段：萃取。最先从滤器中流出的咖啡液最粘稠，浓度最高。随着萃取进程推进，液体的浓度会越来越淡，因为粉床中剩下的易萃出物质会越来越少。
萃取有两个阶段。在第一个阶段，固体物质是从咖啡粉的表面被冲刷出来。而第二个阶段，水会扩散到咖啡颗粒内部，把固体物质由内部提取出来，“扩散”总是从浓度较高的区域向浓度较低的区域转移。
扩散作用由一连串动作产生。首先，水和咖啡颗粒接触，放出气体。之后，水进入咖啡颗粒的毛细孔，使颗粒膨胀，颗粒内部的固体物质开始溶解。接下来，溶解出的固体物质会先扩散到颗粒表面，再溶入周围的溶液中。
在冲煮时，水会持续注入粉床顶部，稀释液体、咖啡粉、和气体的混合物。接近粉床顶部的这些稀释液体，由于浓度差（咖啡粉中固体物质的浓度、溶液中固体物质的浓度，两者之间的差值）的悬殊，会快速地对上层的咖啡粉产生扩散作用。到了粉床底部，萃取的速度会变得慢一些，原因是这里的液体中的固体物质浓度更高，降低了浓度差。最终的结果就是萃取不均匀，上层的咖啡粉会比下层的咖啡粉萃出更多固体物质（注1：使用锥形滤杯时，粉床由上而下的萃取率会比使用圆柱形滤杯时更均匀，详见本章后文关于滤杯形状的讨论）。
Espresso的过滤和萃取动力学
Espresso和滴滤咖啡的动力学是相似的，尽管Espresso的萃取更主要靠冲刷来完成，扩散作用的戏份很少。用来描述Espresso过滤的模型还不是很完善，但是通过实践，已经可以证明它对预测出品成功与否的有效性。下面的内容结合了已发表的研究报告和来自精品咖啡产业的前沿知识。
第一阶段：浸湿。在第一个阶段，水填满萃取腔的头部空间，浸湿咖啡粉，并排出气体。在咖啡粉吸收水的同时，水也会从咖啡粉中取出固体物质。吸收的水分使咖啡颗粒膨胀，减少粉床中的空隙。
水流过粉床时会从咖啡粉中侵蚀出固体物质，并让这些固体物质沉淀到粉床底部。这会使粉床底部的固体物质含量在浸湿阶段得到增加（注2：具体增加了多少沉淀的固体物质，又具体有多少固体物质是随着萃取液体流到粉床底部的，目前还无法通过中断萃取进程来测量记录）。
在浸湿阶段，咖啡粉床极易受到通道的侵害。诸如干咖啡粉的凝聚力不足、咖啡粉位移、膨胀造成的粉床重构、固体物质移动的速度太快、还有某些机器会有的意外的压力增加，都会在这一阶段内极大提高通道形成的可能性。
到了浸湿阶段的最后时刻，粉床已经被彻底变化：消除了空隙，膨胀了起来，吸收了冲煮用水的热量，气体被排出，固体物质从粉床的上层转移到了下层，优先的水流路径已经形成，通道也有可能已经形成。
第二阶段：增压。压力差使水从高压区域穿过粉床流向粉碗底部滤孔的低压区域。按照流体力学中的达西定律所述，随着外加压力的增加，穿过粉床的水量也会增加。然而，在学术出版物中的实验证据与达西定律有两个明显矛盾：
1. 随着萃取过程中的压力增加，最初水的流速会加快，到达最快速度后开始减速，逐渐趋近一个恒定的流速。
2. 对不同外加压力值下萃取的出品取样，发现压力较高时水的流速也较快。但是压力不能高于某一个特定的值，一旦超过这个值，流速就不会变化、甚至反而减慢了。简而言之，如果你把意式咖啡机的泵压从9个大气压调整到12个大气压的话，水流的速度可能反而会变慢。
在增压的过程中流速变慢这一现象，有几种可能的原因。其一，在增压阶段，残存的部分干咖啡粉也被浸湿并膨胀，让粉床中的孔隙更少了，从而增加了水流阻力。其二，压力的增加使粉床更加紧实，也增加了水流阻力。最后，增加的压力“帮助”了咖啡颗粒的移动（即极细粉位移），使得粉床逐渐变得更加紧实。
第三阶段：萃取。关于冲煮过程中的冲刷和扩散这两种不同的萃取形式的研究，目前还存在不同意见。其中一拨研究者整理数据后，推断萃出的物质主要是由冲刷咖啡细胞外壁完成的。而另一拨研究者研究了同样的数据，推断在头1分钟内85%~90%的萃出物是由细胞内扩散完成的（而且之后是100%）。假如真是后者所说的这样，那么扩散就才是Espresso萃取的主角。
然而根据使用大型滤器研究的结果，在咖啡颗粒满足如下条件时，扩散作用才会产生：
1. “束缚水适量”。咖啡颗粒能够容纳相当于自重15%的束缚水。
2. 被游离的萃取液体渗透。
3. 气体已全部排出。
标准的Espresso萃取时间并不长，几乎无法同时满足上面3个条件，让扩散发生。因此，就像油脂来自乳化作用（注3：油脂的乳化作用似乎是由Espresso冲煮过程中的高压引起。关于乳化液是否是Espresso最重要的一个评判条件还存在争议）一样，很有可能Espresso的整个萃取过程都是由冲刷来完成的。就算扩散有功劳的话，也只是杯水车薪。
↑ 咖啡粉（以堆砌的矩形表示）的颜色在第一张图里是深红色，代表固体咖啡物质的浓度很高。在后面几张图里，红色越浅代表固体物质的浓度越低。
T= -10秒：压力泵启动之前的干咖啡粉。饱含固体物质，极细粉分散在粉床各处。
T = -1秒：预浸泡接近尾声时的粉床。水已经渗透了几乎整个粉床，但萃取还未开始。咖啡粉吸收水分后，粉床膨胀。一条通道（以黄线表示）形成在粉床中间。粉床顶部已经开始有固体物质流失，粉床下层的固体物质得到增加。极细粉开始向粉床底部移动。
T = 0秒：第一滴萃取液体出现。在通道的出口出现第一滴萃取液体。极细粉和固体物质越发集中于粉床的下层。粉床随着压力的增加而收缩。
T = 5秒：萃取初期。固体物质和极细粉迅速离开粉床。泵压加满之后，粉床进一步被压缩。
T = 15秒：萃取中期。粉床因质量流失而收缩。粉床顶层的可萃取固体物质几乎已丧失殆尽。大部分极细粉和固体物质都集中在了粉床的最底层。
T = 25秒：萃取末期。粉床顶层的可萃取固体物已经被抽空。粉床丢失了干燥状态时约20%的重量。
液体的变化
在准备工作完成得很好的情况下，最开始萃出的液体应该很粘稠，而且颜色很深（注4：普遍认为在萃出液体中的焦糖化固体物的浓度越高、或二氧化碳的浓度越低时，颜色就会越深。不过可能还有其他的因素也会影响液体的颜色。）。再往后液体会变得越来越稀薄，而且颜色也会逐渐变淡，最终变成黄色。在液体变成黄色（或金色）时，就要切断水流，防止在对风味没有任何益处的情况下使浓度被稀释。这是因为到了萃取末期，萃出液体中的咖啡风味物质含量已经非常低了。
粉床顶层的固体物质在浸湿和萃取初期迅速被抽出，这是由于高温使得颗粒在浸湿阶段更容易位移，而且还得益于一个很悬殊的浓度差。
粉床下层的固体物含量从浸湿阶段开始增多，之后在萃取初期稳定下来，因为下层咖啡粉在流失少量易溶于水的固体物的同时，又增加了沉淀的极细粉。最后的结果就是在萃出的液体中，粉床上层贡献的固体物所占比例要远高于粉床下层。
极细粉
极细粉、或超细的细胞壁碎片的位移，是Espresso萃取中的“未知因素”。虽然我不知道有什么直接测量的方法能够量化极细粉位移，但在已发布的研究报告中却有很多的间接证据可以证明它的存在。在假定极细粉会位移、而且会在粉床底部形成一个致密层的前提下，还可以根据数学模型推测出它的存在（注5：有一些数学模型可用于模拟Espresso萃取，并允许输入不同的变量，诸如粉床在预浸泡时被浸湿的比例，萃取完成后粉床上下各层剩余的固体物数量，和萃取时的流速。实践已经证明了这些模型根据上述变量所推测的结果的准确性）。
如果形成了明显的致密层，将堵塞粉碗底部的滤孔，破坏萃取的均匀度。致密层的形成会从以下几个方面破坏Espresso的品质。
1. 使流速意外减慢。每一个目睹过萃取过程中流速变慢的咖啡师，应该都是致密层形成后使水流阻力增加的见证者。
2. 不均匀的萃取和通道。
3. 减少Body，假如过多的细粉取代有用的固体物（包括可溶解的和不可溶解的）进入杯中的话。
极细粉对Espresso品质的影响
抛开致密层不谈的话，极细粉对Espresso的品质既有好的影响，又有坏的影响。为了深入了解极细粉的影响，笔者在填粉之前使用一只90微米粉筛来排除大量的极细粉（注6：笔者并没有对去除的细粉记重，仅摇晃了一分钟左右的粉筛，直到没有极细粉继续穿过粉筛）。去除极细粉后最显着的影响就是流速的加快，这表明极细粉会增加水流的阻力。将研磨度调细到恢复正常流速后，继续用筛过的粉出品几杯。与“正常”的出品相比，筛掉极细粉的出品的Body更少，苦味也更少。
由于极细粉对Espresso既有好处（更多的Body）又有坏处（更多的苦味），那么只有为给定的填粉量找到最佳的极细粉占比，才能做出最优秀的Espresso。但这个占比要能够限制极细粉位移，预防致密层的形成。我们没有什么切实可行的方法来测量极细粉的产生和位移，但至少有很多方法可以减少极细粉的产生和位移。
限制极细粉的产生
由于咖啡熟豆的硬度不高，在研磨时不可避免的会产生极细粉。针对一个给定的研磨设定，有四种方法可以减少极细粉的产生：使用更锋利的刀盘；使用更浅的烘焙度；使用转速更慢的磨豆机；使用含水量更高的咖啡豆。
限制极细粉的位移
咖啡师可以通过两种方法来间接监测极细粉位移：使用无底粉碗观察萃出液体的流速和颜色是否均匀（不同区域之间的颜色差异不能太大）；或者敲掉已使用的粉饼后，检查粉碗的滤孔（滤孔不能有堵塞）。通过上述观察，咖啡师能够得知极细粉位移是否存在。
要减少极细粉位移，最简单高效的方法就是使用低压预浸泡。使用较细的研磨度也可以减少极细粉位移，较细的研磨缩小了咖啡粉之间的空间，从而压缩了可供位移的路径，也让粉床更加紧实。当然，仅仅只调细研磨度会使流速变慢，但在调细研磨度的同时减少填粉量，或使用大一点的粉碗，就能保持原来的流速了。
粉碗的形状与萃取
标准单份粉碗的形状就像一个截掉了顶部的圆锥；标准双份粉碗则是（或接近）一个圆柱。粉碗的形状是否会影响萃取的质量呢？答案是不完全肯定。
本章前文已提到，在萃取过程中，粉床上层萃出的固体物质比粉床下层要多。这种不均匀的萃取对出品的风味和浓度都有损害：上层会萃取过度，萃出苦味和涩味；而下层会萃取不足，使甜度降低，浓度降低，还有可能出现发展不完全的风味。
使用圆柱形的粉碗会使这种不均匀的萃取加剧，而使用截锥形（即梯形）的粉碗则能对不均匀萃取做出一些弥补。为了帮助理解，我们假设萃取的前期工作都做得很完善，然后分别使用一个圆柱形的粉碗和一个截锥形的粉碗，完成了萃取。再假设在这两次萃取过程中，细粉没有位移，而且也没有明显的通道形成。现在想象你能够在萃取时观察到粉床内部的样子，在你的脑海里把粉床横切成一块一块的薄片，即横切面（可以想象成叠成一堆的光盘）。
在圆柱形的双份粉碗中，液体流经每一层的量都是相等的（让我们暂时忽略咖啡粉的吸水作用）（注7：现实中咖啡粉会吸收水分，这会使计算流经每一层的液体量变得复杂，但并不影响截锥形粉碗底层的单位面积液体流量和萃取率高于圆柱形粉碗这一事实）。而且每一层的面积也是完全相同的。因此，流过任意一层的单位面积的液体量都是相等的。
在截锥形的粉碗中，液体流经每一层的量也是相等的。不过越靠上的层面积越大，液体往下流经的层的面积会越来越小。因此，至上而下，流过每一层的单位面积的液体量是呈增加趋势的（就像两条车道并道变成一条，并道前后经过的车流量是一样的。但是并道之后，论单条车道的车流量是加倍的）。
截锥形粉碗中越靠下的层，单位面积流量越大，使得下层萃出的物质更多。所以，在这次假设的萃取实验中，截锥形的粉碗提供了更为均匀的萃取。
这个原理同样适用于滴滤式咖啡，使用锥形的滤器也能够提升粉床的萃取均匀度。使用锥形滤器来制作滴滤式咖啡并不难，但据我所知没有一台商用滴滤机是原装就配备锥形滤篮的。商用机器通常都提供了各式各样的兼容滤篮，最好选用形状最接近锥形的那种。
Espresso冲煮比例和标准
什么是Ristretto？什么是Normale？什么是Lungo？
尽管有一个所谓的意大利标准，但世界上其他各国还是会用五花八门的填粉量和出杯量制作Espresso。因此，小标题的这三个名称对于不同的咖啡师而言，意义也不尽相同。
当然，在同一间咖啡馆里，Normale肯定指的是标准的出品；Ristretto使用同样的填粉量，但是出杯量较少；Lungo则是用同样的填粉量，但是出杯量更多。所以这三个名称也代表了Espresso冲煮比例的大小（注8：“冲煮比例”一词原本用于滴滤式咖啡，指的是干咖啡粉与冲煮用掉的水的比值。在制作Espresso时，由于咖啡粉的吸水率变化无常，很难测量出冲煮时具体用掉了多少的水。因此，我们从实用的角度出发稍稍曲解原意，将Espresso的冲煮比例定义为干咖啡粉重量与出品的咖啡液重量的比值）。
根据传统，咖啡师是使用容量来测量出品的大小的，比如1 oz或30 ml就是标准的意大利Normale。这样会带来一个麻烦： 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体量差别也很大。任何一个咖啡师在将几份出品同时放置几分钟后再看，都会发现Crema消散后剩下的液体量是很不一致的。
使用新鲜的咖啡豆、现磨现煮、添加罗布斯塔豆、使用无底手柄、和其他的一些手段，都可以增加Cerma的量。
要对比Espresso冲煮比例和出品“大小”的正确方法是对干咖啡粉和出品的咖啡液称重。在咖啡馆营业过程中对出品进行称重是不太现实的，笔者也不建议咖啡师对所有的出品都去称重，但我认为咖啡师应该间歇性地抽取部分出品进行称重，有助于提升出品的一致性。对出品称重同时还可以让咖啡师们在讨论填粉量、出杯量、Espresso冲煮比例时描述得更生动。
将出品容量替换成出品的重量来计算Espresso冲煮比例这个理念，来自笔者的朋友Andy Schecter ，一位来自纽约罗契斯特的天才业余咖啡科学家（注9：关于Andy这个理念的具体讨论内容，以及下文展示表格的原始版本，详见此网页：http://www.home-barista.com/forums/brewing-ratios-for-espresso-beverages-t2402.html）。
↑ 在这张表格中，AndySchecter通过Espresso冲煮比例来定义了Ristretto、Normale和Lungo。不是所有咖啡师都能够认同Andy这种定义法，但他提出的标准其实就是意大利的通用做法，而且解释起来简单又便于记忆。我们来看一下，Andy将标准Ristretto定义为咖啡液和干咖啡粉重量相等；标准Normale，即标准Espresso的重量是干咖啡粉重量的两倍；标准Lungo的重量是干咖啡粉重量的三倍。Cafe Crema就只是将Espresso的萃取时间拉得很长而已。
有个很有趣的事情，就是咖啡师使用咖啡机程序设定的定量按钮制作的出品，冲煮比例的一致性远高于咖啡师凭观察手动结束的出品。使用程序按钮的出品Crema量会有差异，但是重量能保证基本一致。
咖啡师要如何利用关于出品重量和Espresso冲煮比例的这些信息呢？其一，笔者认为咖啡师应该每天对部分出品进行称重，有助于维持出品的一致性。其二，讨论萃取率时，烘焙师和咖啡师在考虑填粉量和水温之余，同样也要考虑咖啡液的重量。其三，咖啡师应该尝试使用程序设定的定量按钮，但同时不能放松对流速和通道的警惕。
（第三章 完）
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2017-11-03 15:40:06
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