【沖煮用水】鈣鎂離子對(duì)手沖咖啡萃取速率的影響

前言很多咖啡從業(yè)者和重度的咖啡玩家，會(huì)注意咖啡沖煮用水的總?cè)芙庑怨腆w總量（Total dissolved solids，TDS）。從TDS的概念可以得知，TDS值越高表示水中含有的溶解物越多，可是TDS值并不能反映水中溶解物的離子狀態(tài)，包括濃度以及離子類型。意思就是TDS值的高低只能反映水中溶解了物質(zhì)的多少，并不能反映水中到底溶解了什么。所以從咖啡萃取的角度上看，水的TDS值的高低實(shí)際上并不能完全真實(shí)反映到底是什么影響了咖啡的萃取?！?不同角度下的咖啡萃取首先我們先來理解什么是咖啡的萃取，咖啡的萃取不同于化學(xué)意義上的萃取，化學(xué)意義上萃取的定義是利用物質(zhì)在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使溶質(zhì)從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中的方法。從化學(xué)的角度上看，手沖咖啡的萃取本質(zhì)上是指：咖啡中的可溶于水的風(fēng)味物質(zhì)(包括親水性有機(jī)物和可溶于水的無機(jī)物)溶解于水，難溶于水的風(fēng)味物質(zhì)脫離咖啡擴(kuò)散到水的過程。為了方便起見，本文所提及的“萃取”均為咖啡的萃取，除特殊說明外。如果各位同學(xué)對(duì)萃取概念已經(jīng)有了跟我一樣共識(shí)后，那么我們就可以接著討論沖煮用水中的離子到底是如何影響萃取。讓我們先來理解幾個(gè)概念，首先是溶解度（Solubility，S）和溶解速率（Dissolving Rate）?！?溶解度與溶解速率溶解度是指在一定溫度下，固態(tài)物質(zhì)在100g溶劑中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所溶解的溶質(zhì)的質(zhì)量，叫做這種物質(zhì)在這種溶劑中的溶解度。物質(zhì)的溶解性是物質(zhì)本身的屬性，用來描述物質(zhì)溶解能力的大小，而溶解度是描述物質(zhì)在溶劑中的溶解性的定量表示。溶解度的影響因素一般有溶質(zhì)與溶劑的本身、壓強(qiáng)、溫度。那么我們就很容易理解什么是溶解速率，溶解速率是用來描述物質(zhì)溶解的快慢的程度。溶解速率的大小跟分子的熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)，所以通過攪拌、振蕩和加熱的方式可以提高溶解速率。世界上不存在絕對(duì)不溶的物質(zhì)，因此難溶的物質(zhì)也會(huì)微量溶解于水，形成沉淀——溶解平衡，我們用溶度積（Solubility product，Ksp）表示。溶度積只與溫度有關(guān)，一般情況下溫度越高，物質(zhì)的溶度積越大。理解了溶解度和溶解速率的概念及其影響因素之后，我們對(duì)于手沖咖啡參數(shù)就有了更深一層的了解了。比如在研磨度一定、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（STP）單位時(shí)間內(nèi)，提高水溫可以增加萃取率就是因?yàn)榭Х入y溶于水的風(fēng)味物質(zhì)的溶度積隨著溫度的升高而升高，另一方面提高水溫可以加快咖啡風(fēng)味物質(zhì)溶解速率。更深層的原因是熱能增加了水分子間的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，使得水分子更容易進(jìn)入咖啡中，擁有能量的水分子傳遞能量給咖啡中的風(fēng)味物質(zhì)讓風(fēng)味物質(zhì)分子獲得能量，增加了風(fēng)味物質(zhì)分子間的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度，使得風(fēng)味物質(zhì)分子更容易擴(kuò)散到水中。克里斯托弗·亨登（Christopher Hendon）在 <Water for Coffee> 中提到水中電離的陽離子與咖啡中的風(fēng)味物質(zhì)之間的結(jié)合能與離子電荷成正比，與離子半徑成反比。那為什么會(huì)有這樣的結(jié)論呢？一般而言，咖啡中含有的咖啡因、葫蘆巴堿、黑腐酸、蛋白質(zhì)類黑素、檸檬酸、蘋果酸、綠原酸、纖維素、阿拉伯半乳聚糖等上千種有機(jī)物。而它們?cè)谒娜芙庑云鋵?shí)各異，含有極性基團(tuán)（羥基、羧基、酚類、醛基等）分子量較小的有機(jī)物更容易溶解于水中，這是因?yàn)闃O性基團(tuán)容易與水分子中的氧原子的孤對(duì)電子形成氫鍵。水中的鈣鎂離子與咖啡中的風(fēng)味物質(zhì)的結(jié)合其實(shí)是在水中形成非共價(jià)鍵，咖啡中含有的酯類和羧酸類物質(zhì)中在水中會(huì)一定程度的水解形成有機(jī)陰離子，而水中增加鈣鎂陽離子可以與有機(jī)陰離子形成靜電引力（Electrostatic attraction），其作用力大小正比于它們帶電量的乘積，反比于它們之間距離的平方。因此水中鈣鎂離子的濃度增大可以增加萃取的速率，其本質(zhì)就是在水中增加有機(jī)物與水中鈣鎂離子的離子鍵形成的概率，從而影響萃取速率。這也是為什么美國精品咖啡協(xié)會(huì)（Specialty Coffee Association，SCA）在Coffee Standard中推薦咖啡用水目標(biāo)50-175 ppm CaCO3的原因之一。▼-歡迎掃二維碼關(guān)注原作者 -版權(quán)信息：以上文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載自【The Coffee Chemistry】，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系：weixin@coffeesalon.com投稿合作：tips@coffeesalon.com