更少的咖啡豆，更浓郁的风味：改变咖啡的物理技巧

宾夕法尼亚大学的研究人员利用流体动力学发现了如何用更少的咖啡豆制作出一杯更浓郁的滤泡咖啡。他们运用透明粒子、激光和高速摄像机进行富有创意的实验，揭示了特定的冲泡技巧（例如使用鹅颈壶和从合适的高度冲泡）如何最大限度地萃取咖啡的风味。他们的发现不仅改善了咖啡的冲泡工艺，还为诸如侵蚀和水过滤等更广泛的系统提供了新的见解。

在 Arnold Mathijssen 实验室，研究人员使用鹅颈壶、咖啡研磨机和手冲咖啡装置，结合精确测量和高速分析，研究咖啡冲泡的流体动力学和力学原理，以探索如何用更少的咖啡渣最大限度地提升咖啡风味。这些发现有助于研究人员理解流体动力学。图片来源：Ernest Park

近年来，由于连续四个季节的恶劣天气，阿拉比卡咖啡豆（大多数咖啡的主要原料）的价格飙升。气候变化更是雪上加霜，给阿拉比卡咖啡生长所需的微妙温度范围带来了压力。面对这种压力，宾夕法尼亚大学的物理学家提出了一个大胆的问题：我们能用更少的咖啡豆酿造出更美味的咖啡吗？

“流体力学方面有很多研究，对粒子的研究也有很多，”艺术与科学学院助理教授阿诺德·马蒂森(Arnold Mathijssen) 说。“也许这是我们开始将这些内容整合在一起的首批研究之一。”

他们的研究成果于 4 月 8 日发表在《流体物理学》杂志上，探索了如何利用流体动力学来促进咖啡萃取，从而用更少的咖啡渣制作出一杯美味的咖啡。

高速摄像机捕捉到水流渗入模拟咖啡床的瞬间。通过模拟水流与咖啡渣的相互作用，团队找到了最高效的水流模式，能够以更少的咖啡豆萃取出咖啡的风味。图片来源：Ernest Park

“我们尝试寻找使用更少或尽可能少咖啡的方法，并利用鹅颈壶倒水的流体动力学来增加从咖啡渣中获得的萃取率——同时使用更少的咖啡渣，”合著者、 Mathijssen 实验室的研究生研究员Ernest Park说。

但为了清楚地研究这一过程，他们必须将不可见的东西变为可见的东西，Mathijssen 实验室的研究生、合著者Margot Young解释道。

“咖啡的不透明度使得直接观察倒入的动态变得很困难，所以我们在玻璃锥中换成了透明的硅胶颗粒，”帕克解释道。

为了精确找出影响咖啡口感的滤泡变量，团队记录了每杯咖啡的温度、重量、研磨度和萃取时间，然后根据风味对结果进行评分。精密的称量和详细的实验室记录是将流体动力学转化为一杯更美味咖啡的关键。图片来源：Ernest Park

他们利用激光片和高速摄像机，观察到从上方倾泻而下的水在咖啡粉床内引发“微型雪崩”。这种翻滚运动有助于搅动咖啡粉，通过增加水与咖啡粉之间的接触来提高萃取率。

这一过程的关键因素是层流（顺畅且无湍流），鹅颈壶即使在手冲时也能实现这一点。“如果只是用普通的水壶，控制水流方向会有点困难，”Park说道。“而且，如果水流不够顺畅，就无法很好地挖掘咖啡床。”

研究小组发现，当水从高处倒下时，会产生更强的混合效果。

“当你冲泡一杯咖啡时，咖啡的风味和咖啡渣中所有精华的获得都源于咖啡渣和水的接触，”杨解释说，“所以，我们的想法是尽量在手冲过程中增加水和咖啡渣之间的接触。”

他们发现，如果从太高的地方倒水，水流就会分裂成水滴，并将空气带入咖啡锥体，这实际上会降低萃取效率。

高速摄像机捕捉到水流渗入模拟咖啡床的瞬间。通过模拟水流与咖啡渣的相互作用，团队找到了最高效的水流模式，能够以更少的咖啡豆萃取出咖啡的风味。图片来源：Ernest Park

研究人员使用真实咖啡渣进行了额外的实验，以测量总溶解固体的提取率。他们的研究结果证实，可以通过延长搅拌时间，利用雪崩动力学，以更慢但更有效的方式倒出咖啡来调整咖啡的提取率。

他们发现，当水流较粗时，注水量越高，咖啡就越浓，这证实了他们关于注水高度越高，搅拌效果越好的观察结果。当使用较细的水流时，萃取率在不同注水高度下都保持稳定，这可能是因为达到目标量所需的注水时间更长。

这项研究是一封写给咖啡的情书，也是了解团队更广泛研究的窗口。“我们做这件事不只是为了好玩，”马蒂森说。“我们借鉴了其他项目的工具，意识到咖啡可以成为一个简洁的模型系统，用于探索更深层次的物理原理。”

杨指出，这些原理远不止厨房。“这种流体行为有助于我们理解水是如何侵蚀瀑布下或水坝后的岩石的，”她说。马蒂森补充道，即使是废水处理和过滤系统也涉及类似的动力学。

该项目也反映了实验室正在进行的研究，Park 正在研究利用旋转磁场清洁医疗设备上的生物膜的微尺度活性表面。与此同时，杨正在研究超高速生物流，使用相同的高速成像装置研究肺纤毛产生的微小涡流如何帮助清除病原体。

“可以从小事做起，比如从咖啡开始，”马蒂森说，“最终会发现在环境或工业规模上重要的机制。”

编译自/scitechdaily