泡咖啡，又泡出一篇文章！|可溶性|咖啡粉|咖啡豆|烘焙

冲泡咖啡中咖啡因的浓度因其潜在的健康影响而受到公众关注。之前的研究已经调查了咖啡/咖啡因摄入与几种健康益处之间的可能联系，包括降低患肝病、心脏病、帕金森病、阿尔茨海默病、2型糖尿病、抑郁症和一些形式癌症的风险。在过去几十年进行的20多项研究中，已经广泛研究了烘焙程度对杯中咖啡因含量的影响。在这些研究中，已发表的结果往往分歧很大。尽管文献中最常见的结果是咖啡因含量不受烘焙程度影响，但也有多项研究表明咖啡因含量依赖于烘焙程度，即浅烘焙、中烘焙和深烘焙的咖啡因浓度更高。造成这些相互冲突结果的一个可能原因是，在最小化其他实验参数影响的同时，很难孤立烘焙程度的影响。目前还没有一个普遍接受的标准方法来精确量化烘焙程度。实际上，有许多物理量可以部分描述烘焙程度，包括（但不限于）颜色、密度、重量/质量损失、总烘焙时间、第一次开裂后的烘焙时间以及烘焙批次的初始和终段烘焙温度。先前研究中对烘焙程度的确定差异是导致结果之间巨大差异的另一个因素。

近期，罗马贝里学院Zachary R. Lindsey团队研究了30种独特的绿咖啡品种、烘焙程度和冲泡时间的组合，对于提取率和咖啡因含量的影响。作者分别使用折射率和高效液相色谱法（HPLC）测量冲泡样本的提取率和咖啡因含量。作者通过扫描电子显微镜测量烘焙咖啡豆的孔隙度，研究结果显示随着烘焙程度的增加孔隙度也在增加。作者研究了随着烘焙程度的变化孔隙度的演变，并将孔隙度数据与咖啡因浓度和提取率测量进行了比较。研究发现，在相同的冲泡条件下，深烘焙的冲泡样本中的咖啡因浓度通常低于浅烘焙和中烘焙。然而，在相同的提取率下，深烘焙通常比浅烘焙咖啡具有更高的咖啡因浓度。这可能是由于烘焙过程中可溶性化合物的挥发或分解以及孔隙度的增加，这些作为竞争机制决定了最终冲泡中化合物的浓度。这项研究首次对咖啡因含量、提取率和孔隙度作为烘焙程度的函数进行了定量比较的研究。该工作以题为“Caffeine content in filter coffee brews as a function of degree of roast and extraction yield”的论文发表在最新一期《Scientific Reports》上。

咖啡、烘焙和冲泡方法的选择

作者选择了埃塞俄比亚咖啡进行研究。埃塞俄比亚有着几个世纪生产咖啡的悠久传统，因为咖啡阿拉比卡（即咖啡植物）就起源于这个国家。作者研究了自然处理和洗涤处理的咖啡。在自然方法中，咖啡豆被晒干时保留了种子。晒干后分离种子，这使得咖啡豆具有果味和复杂的口感。另一方面，在洗涤方法中，种子从咖啡豆中分离出来后再进行干燥，这使得咖啡具有更干净、更明亮的口感。不同处理方法得到的咖啡的烘焙曲线如图1所示。自然和洗涤方法处理的咖啡的所有烘焙批次都是在各自的装料温度下开始的，分别为330℃和340℃。首次爆裂（first crack，FC）事件是通过记录在3秒内观察到3个或更多可听到的破裂噪音的时间来确定的。

由于与烘焙程度相关的咖啡因浓度变化相对较小，因此对所有其他实验阶段的严格控制对于避免混淆变量的影响至关重要。在本研究中，实验过程的每一步都被细致地记录和量化，包括绿咖啡采购、烘焙、排气、研磨、筛分、冲泡和特性描述。

作者对绿咖啡豆使用了五种不同的烘焙程度，并选择了1分钟、2分钟和10分钟的冲泡时间。作者选择了AeroPress冲泡方法，水与咖啡的比例为15:1。AeroPress是一种基于压力的冲泡方法，类似于浓缩咖啡机，但规模较小。AeroPress浸泡咖啡并使用压力通过纸滤器提取咖啡。AeroPress在所有烘焙批次中的变化最小，是实现理想结果的最佳方式。图2为AeroPress冲泡方法中所使用的压缩装置。

图1. 自然（a，b）和洗涤（c，d）处理的咖啡烘焙批次的咖啡豆探针温度与烘焙时间和上升率与烘烤时间的关系图。

图2. AeroPress冲泡方法中所使用的压缩装置

咖啡因含量和提取率的分析

提取率是衡量咖啡粉中可溶性物质在冲泡咖啡中溶解的量的指标。它本质上反映了冲泡过程从咖啡粉中提取化合物的效率。作者使用了三种分析技术来分析咖啡因含量和提取率。为了测量咖啡中咖啡因、绿原酸和其他可溶性化合物的含量，使用了高效液相色谱法（HPLC）。这种方法根据咖啡中不同化合物与标准材料的相互作用来分离它们，量化单个浓度。接下来，作者使用了折射率测量法。这种方法测量光线通过冲泡咖啡时的弯曲程度来表征提取率，即从咖啡粉中溶解的可溶性物质的量。最后，作者使用扫描电子显微镜（SEM）观察咖啡豆和咖啡粉的表面，检查了粒度和孔隙度。对于每张SEM图像，通过将长轴和短轴长度分配给孔尺寸，将椭圆映射到每个单独的孔上，如图3所示。

图3. 烘焙咖啡豆的SEM图像（左）和映射到孔隙的叠加椭圆（右），用于确定孔隙率分数。

孔隙度、咖啡因和提取率

研究发现，冲泡咖啡中的咖啡因含量取决于烘焙过程和提取率。在烘焙过程中，随着烘焙的进行，咖啡豆的体积和孔隙度增加，这使得化合物更容易进出系统。更大的孔隙度意味着咖啡粉的内部表面积更多地暴露出来，这使得水更容易渗透并溶解咖啡因和风味物质。这对冲泡过程中发生的整个提取过程都有影响。尽管不同的研磨尺寸分布通过改变粒子表面积与体积比和扩散路径长度来影响提取率和提取量，但烘焙咖啡豆的微结构在提取动力学中也起着重要作用。在烘焙过程中，咖啡豆内部的压强增大，其体积和孔隙度增加。当内部压强达到临界点时，咖啡豆基质的结构崩溃，主要是释放被困的水蒸气和二氧化碳。如图4所示，烘焙程度显著影响了冲泡咖啡样品中的CGA（绿原酸）浓度，而对咖啡因含量的影响不大。这说明烘焙程度对咖啡因含量存在一定影响，但是影响并不大。

对于咖啡因含量，在使用相同的冲泡设置时，浅烘焙和中烘焙的咖啡因含量高于深烘焙。这是因为在烘焙过程中咖啡因的损失，导致深烘焙的提取率通常较低。相反，作者发现在保持所有烘焙程度提取率一致的情况下，深烘焙的咖啡因含量更高。