豆类产地和温度对烘焙咖啡研磨的影响

咖啡是通过从烘焙的豆子中提取一系列复杂的有机分子制成的，这些分子已经被研磨成细小的颗粒。提取取决于温度、水的化学成分以及咖啡的可及表面积。在这里，我们调查单一来源咖啡豆生产过程中的变化是否会影响研磨时的粒度分布。我们发现粒度分布与豆类的来源和加工方法无关。此外，我们还阐述了豆类温度对粒度分布的影响，得出冷研磨会导致粒度分布变窄，平均粒度变小的结论。我们预计这些结果将对咖啡的工业生产产生影响，并对我们每天储存和使用咖啡的方式做出贡献。

咖啡是仅次于石油的最有价值的合法交易商品。供消费的咖啡有两个生物学上不同的品种：加拿大咖啡(Robusta)和阿拉伯咖啡(Arabica)1。虽然robusta的化学成分比阿拉比卡少，味道也不像阿拉比卡，但它得益于在低海拔地区种植可行，而且是抗虫害的。然而，全球咖啡消费量的60%以上来自阿拉比卡。2014年，巴西和哥伦比亚合计生产了超过350万吨绿色阿拉比卡2，埃塞俄比亚和其他非洲和中美洲生产国也做出了重大贡献。包括越南这样几乎只生产罗布斯塔的国家，全球咖啡年产量达到850万吨。

除了不同寻常的绿咖啡药用和饮食制剂外，咖啡通常不是作为固体食用，而是从烘焙的种子3、4、5、6、7、8、9中提取出来的。咖啡豆是进口的，经过烘焙、研磨，然后在咖啡店和家里冲泡(包括速溶咖啡)。在这样一个有价值的行业里，产品的质量和产量是最重要的。然而，有许多变量影响这种大量消费的饮料的风味、产量和整体享受10。与确保咖啡质量相关的挑战可以分为两类：i)与原产国相关的变量；ii)与消费相关的变量。

除了气候和海拔等典型的植物学影响外，影响原产地咖啡的一般因素有两个：咖啡的品种(如Typica、Pacamara、Geisha)11和加工方法(如洗咖啡、制浆咖啡和天然咖啡)。该品种定义了豆子的化学特性，以及它可以生长的条件。理想情况下，咖啡豆的果实成熟速度不应快于卵子的发育，否则种子缺乏化学复杂性。相反，果实应该能够在不同的气候条件下成熟，从而允许种子的形成。遗传品种杂交种现在无处不在，通常以亲本品种12、13中最好的品种为特色。

不管是什么品种，所有的咖啡都是用三种一般方法中的一种来加工的。洗涤(或湿洗)过程是最常见的，用水去掉樱桃的皮和果实，只留下种子在阳光下晒干。制浆(天然制浆)加工方法将樱桃的皮去掉，但不能完全去掉粘液。然后在羊皮纸(种子的薄保护层)周围形成一层阳光硬化的富含糖分的外壳。自然过程只是将咖啡樱桃晒干，种子和水果都完好无损。

虽然所使用的加工方法对风味有深远的影响，但决定这些差异的化学机制还没有被很好地理解。不管樱桃的加工方法是什么，干燥后的豆子都会去壳，这会通过去掉所有干燥的羊皮纸、粘液或皮来暴露豆子。然后，青咖啡豆被运到烘焙店，在那里烘焙者建立一个烘焙轮廓，目的是制作出最美味的杯子来满足他们的口味。烘焙轮廓是温度和时间的双变量问题，但是由于烘焙设备的限制和到生咖啡14的热传递的不均匀性，烘焙轮廓的开发更具艺术性而不是科学性，尽管在这一领域肯定有改进的空间。

图1中的烘焙曲线显示了表1中列出的坦桑尼亚咖啡在烘焙过程中测得的烘焙温度。烘焙咖啡的化学成分取决于生咖啡分子分解的温度。这些化合物的生成和浓度控制是通过微调烘焙轮廓15、16、17来实现的。虽然烘焙咖啡中的大多数化合物很可能是美拉德产品(图1中没有显示一个例子)18，但我们提出了允许形成的各种途径

毫无疑问，提取的程度和质量取决于烘焙咖啡中所含有机分子的可及性。影响不同有机分子提取总量和相对比例的因素很多，包括冲泡温度、水化学和水与咖啡的比例21、22、23、24。然而，在这里，我们特别关注增加可接近表面积的物理方法，即研磨机的效果。

虽然这是制药行业的例行公事，但在咖啡厅设计和执行粒度均匀的研磨是一件具有挑战性的事情。然而，这在咖啡冲泡中是至关重要的，因为可变的可接近表面积导致小颗粒比大颗粒提取得更快。因此，冲泡咖啡在粒度可变的情况下是具有挑战性的，特别是在浓缩咖啡风格的加压酿造中，包装效果变得重要。考虑到粒度的重要性，我们评估了咖啡豆来源、樱桃加工方法和烘焙轮廓是否对磨碎咖啡的粒度分布有显著影响。

此外，人们怀疑豆子的温度也会影响豆子的破裂动力学，从而影响最终的尺寸分布。虽然理想情况下豆类和毛刺都能达到所需的温度，但毛刺的受控主动加热或冷却目前是不可行的。为了研究温度效应，我们对咖啡本身进行了控制冷却。考虑到许多人将咖啡储存在冰箱或冰柜中(如果没有水蒸气，这是一种化学上合理的储存方法)，我们检查不同的豆子温度是否会导致研磨分布的可观察到的调制。

在这项研究中，假设磨碎的咖啡在研磨过程中可以改变的最重要的特性是粒度分布。虽然颗粒形状可能会对最终提取的酿造产生影响，但很难看出如何在微米尺度上可靠地控制这一点，而且很可能大多数磨碎的咖啡都有类似的颗粒形状分布。

第一组实验探索在相同条件下研磨时，豆子的来源、类型或加工方法是否对粒度分布有任何影响。第二组测量探索研磨时的豆子温度是否对产生的粒度分布有任何影响。

为了探讨这些影响，我们采用了激光衍射粒度分析方法，对在Mahlkönig EK43咖啡研磨机上研磨的烘焙咖啡进行了粒度分析。

对多波长Beckman Coulter LS13320 mW进行了激光衍射粒度分析。该仪器有一个内置的暗视场标尺，用来确保正确的光学对准。每次运行前都会进行对准检查，以确保粒度分布的最佳准确性。要特别注意确保正确的光学对准，因为磨碎的咖啡含有跨越3个数量级的颗粒尺寸，包括大于100 μm的成分，这对于使用基于衍射的技术进行测量可能是具有挑战性的，因为它们依赖于倒数空间中的距离测量。

之所以选择如图2所示的Mahlkönig EK 43研磨机进行这项研究，是因为它的设计目的是在将咖啡放入料斗和随后的研磨之间具有最短的停留时间。与所有磨床一样，EK 43毛刺是可更换的，很容易不对准(两个磨盘不是完全平行的)。我们在测试当天接触到了三个独立的EK 43 ；其中两个安装了所谓的咖啡毛刺，一个安装了土耳其毛刺(图2)。毛刺对齐最初可以通过关闭毛刺孔径并打开磨床来进行声音评估，从而使它们发出“啁啾”声。啁啾的音调提供了对准的洞察力，更深的啁啾表明毛刺之间的接触更多，因此对准效果更好。评估磨粒分布的平滑度和铺展程度也可以给出毛刺对齐的信息，尽管根据这些信息可靠地调整对齐是困难和缓慢的。我们在图S1中提供了一个由毛刺未对准引起的颗粒大小分布的例子。最终，我们选择了那天生产主观上适销对路的浓缩咖啡的研磨机，这是由当地一名合格的Q级评价员和店主(Maxwell Colonna-Dashwood)27决定的。这里的实验是在Mahlkönig EK43磨床上进行的，转速为1480rpm，并使用土耳其毛刺进行磨削。

EK43型磨床(A)由两个毛刺组成，一个是固定式的，另一个是移动式的。料斗到新梢的路径是线性的，因此磨碎的咖啡在毛刺和新梢中的滞留量最小。毛刺有两种：土耳其毛刺(B)和咖啡毛刺(C)。这两个毛刺之间的主要区别在(b，c)中分别用蓝色强调。扁平的三角形末端是用来抛光颗粒的。在这项研究中，我们使用了土耳其毛刺集合。斯宾塞·韦伯拍摄的照片。

为了确定豆类产地是否对研磨后的粒度分布有影响，对来自四个国家的豆类进行了测试：危地马拉、萨尔瓦多、坦桑尼亚和埃塞俄比亚。这些豆子在研磨试验前7至16天由表1中列出的烘焙店烘焙过，因此有足够的时间进行二氧化碳脱气，但仍被认为是“新鲜烘焙的”。表1列出了本研究中考虑的四种咖啡的更多细节。所有咖啡豆都被允许平衡到室温(当时是20 °C和79%的相对湿度)，没有测量烘焙咖啡豆的密度。在整个实验过程中，所有咖啡的研磨机毛刺孔径都保持恒定，固定在原料EK43刻度盘上的2.7(任意单位)。对于每一次测量，研磨20克咖啡，并在每次研磨后允许研磨机冷却10 分钟(返回室温)。

对于温度研究，我们选择了危地马拉咖啡，因为这种特殊的危地马拉咖啡代表了当代特色级咖啡(即它在酸度、花香复杂性和整体口感之间取得了良好的平衡)。这四个温度是使用以下方法实现的：将20 g的完整烘焙咖啡豆放入纸杯中，盖上盖子，然后放入液氮、一桶干冰、冰箱和台面上。在冷却到0 °C以下的任何样品上都没有观察到明显的大气水凝结。在研磨前，豆子在每个温度下保持2 小时的平衡。

研磨机在研磨前5 秒打开，豆子直接从它们的气候中取出，送入料斗。EK43的额定研磨速度为1,200-1,500 g/分钟，这表明每20 g剂量的咖啡在环境条件下暴露的时间不超过1 秒。为了防止大气中的水凝结到磨碎的咖啡表面，研磨的颗粒立即被放入样品瓶中进行激光衍射粒度分析。大气水分的吸收被证明不是问题，因为重复的样品在室温下平衡时暴露在大气湿度中，与那些研磨后立即密封的样品没有什么不同。

每个数据集一式三份，每个温度一式两份，从而每个温度产生6个数据集。采用方差分析方法，综合考虑豆类来源、加工方法、焙烧和焙烧等因素，确定颗粒数分布的相似性。此统计分析的输出包含在支持信息中。

烘焙咖啡豆的物理结构是一种复杂的材料复合材料，含有高分子量的纤维分子，夹杂着大量较小有机物的无定形和部分结晶的区域。烘豆和研磨设备的极其复杂的结构使得精确的第一原理建模成为一个令人望而生畏的前景，因此最好通过实验来研究破裂(与之前研磨其他非晶态材料的研究一致)28、29、30、31、32。也就是说，可以很好地预期，赋予不同咖啡独特风味的特定化学物质组合可能会改变咖啡豆的破碎方式。

为了调查这一点，我们选择了四种特级咖啡作为样本。选择跨越了原产地、品种、加工方法和烘焙轮廓等变量，是当代特产咖啡的代表性横截面。表1中描述的四种咖啡是在环境条件下使用规定的方法研磨的。

在这里，我们关注的是研磨轮廓作为咖啡原产地的函数的偏差，尽管在开始这些实验之前，研磨轮廓看起来是什么样子并不清楚。EK43产生的颗粒范围从0.1 μm到1,000 μm，虽然我们选择用对数标尺表示大部分数据，但坦桑尼亚咖啡的线性标尺显示在图3的上部面板中。所有研磨轮廓都显示为倾斜高斯形状。在这种情况下，我们给出了蓝色阴影区域的粒子数分布，并以灰色表示积分。我们可以任意定义细颗粒截止，用图形表示为紫色虚线 = n，其中：

精细的特殊分界线被描绘成一条紫色的虚线。中下板：这里检查的四种咖啡的研磨轮廓。累积数和表面积贡献分别以实线和虚线表示。坦桑尼亚人、埃塞俄比亚人、萨尔瓦多人和危地马拉人的个人资料分别以黑色、紫色、红色和蓝色显示。包括用于视觉辅助的数据模式i-vi：i-14.3、ii-27.4、iii-282.1、iv-13.0、v-27.4和vi-256.9 μm。

这里，n是以μm为单位的直径。从图3的上面板中，坦桑尼亚的n = 70 μm(模式 = 13.0 μm，其中模式是最频繁出现的尺寸)。考虑到分布的不对称性质，该模式有助于分配分布的关键特征。然而，对咖啡提取有贡献的不仅仅是颗粒的数量，还有从这些颗粒获得的可用表面积。

这里检测的四种咖啡的研磨轮廓如图3的中下图所示。它们以对数标度表示，以适应大颗粒对表面积的贡献。使用粒子33的球面近似来估计表面积，并由虚线表示。在这里，数据看起来明显是双峰的，因为细颗粒构成了可接近表面积的大部分(模式II和模式V)，但也存在大颗粒(直径大一个/两个数量级的粒子，直径大一个/两个数量级，三个数量级和六个数量级)。即使在低浓度的情况下，这些物质也会产生影响。

研磨轮廓有一些细微的差异：黑色和紫色的轮廓具有相似的颗粒数模式(I)，细颗粒截止值为76.4 ± 3.5 μm。红色和蓝色的轮廓产生的颗粒分布略细，数字模式(Iv)1.3 ± 0.7 μm)比黑色/紫色咖啡更细，细颗粒截止值为69.6 ± 3.1 μm。总而言之，咖啡产生的研磨分布似乎非常相似。表S1提供了方差分析的全部细节。应该注意的是，与典型的消费级咖啡相比，这里考虑的所有咖啡豆的烘焙都相对“清淡”(尽管在“Agtron Gourmet Scale”上，这些咖啡都被归类为轻至中等烘焙)。我们只能推测严重腐烂的豆类(例如“深色”或法式烘焙)可能会在多大程度上偏离这些结果；需要进一步的实验来阐明这种影响。

对于浓缩咖啡，咖啡研磨可以被认为是一种颗粒状物质，在捣固过程中增加的压力会堵塞材料34、35、36。颗粒大小的可变性在可接近的表面积中起着重要作用，也在水可能流经的真空空间中起着重要作用。从Herman 37的研究中可以明显看出，大颗粒安装了大量有序的相邻小颗粒，这会增加局部密度，因此会导致不均匀的水流通过浓缩咖啡机。然而，考虑到咖啡口味的主观性和业内从业者的偏好，目前还不清楚是否存在理想的粒度分布：我们只希望阐明咖啡之间令人惊讶的一致性。

烤豆子研磨温度的不同会影响最后的研磨吗？非晶态材料的温度变化可以导致定义明确的玻璃化转变，其中材料从橡胶和柔性转变为坚硬和脆性38。一些固体也可以进行破碎运输。

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