新品应用 | 从豆子到饮品，咖啡的流变之旅

实验

我们比较了咖啡粉的可压缩性、壁面摩擦力、封闭流能、内聚力和流动功能，以了解咖啡粉在料斗、配料、捣碎和成球等各种工艺中的行为。

研磨游戏：

比较中度烘焙咖啡的粗磨和细磨

我们在扫描电子显微镜(SEM)下观察了中度烘焙咖啡粉的细磨粉和粗磨粉。细磨咖啡粉的颗粒更小、更均匀，表面更光滑，孔隙更少；粗磨咖啡粉的表面更粗糙、更不规则，孔隙也更明显(见图1)。

图1：a)细磨和

b)粗磨中度烘焙咖啡粉的SEM图像

壁面摩擦力的作用

壁面摩擦力测量的是粉末开始在表面上滑动的角度。图2显示，与粗磨咖啡相比，细磨咖啡与不锈钢的壁面摩擦角更大。

图2：中度烘焙咖啡粉细磨和粗磨的壁面摩擦角

可压缩性和定量/填充

我们观察到，细磨咖啡的可压缩性显著高于粗磨咖啡(见图3)。这种可压缩性的增加会影响定量和灌装过程，因为细磨咖啡粉会压实得更紧密，需要精确控制以确保定量一致。较高的可压缩性意味着细磨粉更易沉降，这可能导致咖啡配量出现偏差。

图3：中度烘焙咖啡粉细磨和粗磨的可压缩性

如果细磨咖啡粉的可压缩性明显高于粗磨咖啡粉，这会对咖啡的填压和冲泡过程均产生影响。细磨粉的可压缩性更强，在压力作用下会紧密堆积，形成密度更大的粉饼。此外，细磨粉的可压缩性较高，会减缓水流速度，增加接触时间，并可能导致过度萃取，从而使咖啡尝起来带有苦味。相反，粗咖啡粉的可压缩性较低，水流速度较快，接触时间较短，通常能冲泡出更清淡、口感更均衡的咖啡。

填压：受限流动能和压缩

填压或粉饼成型过程中的粉体运动会受到受限流动能的影响。受限流动能的结果揭示了一个有趣的规律：对于粗磨咖啡，受限流动能随着转子尖端速度的增加而增加，而对于细磨咖啡，受限流动能则随着尖端速度的增加而减少(见图4)。

图4：中度烘焙咖啡粉细磨和粗磨的受限流动能

冲泡：流动方程和内聚力

随后，我们比较了细磨咖啡和粗磨咖啡的流动方程和内聚力(见图5)。正如所预期的那样，细磨咖啡的流动性较低，内聚力较高。细磨咖啡粉的流动方程处于内聚区(流函数数值在0到4之间)，而粗磨咖啡粉则处于易流动区(流函数值在4到10之间)。流函数较低表明细磨粉的流动阻力更大，而内聚力较高则表明颗粒之间的粘连越强。这些特性会影响冲泡过程，进而导致萃取效率和咖啡风味的差异。

图5：中度烘焙咖啡细粉和粗粉的剪切试验结果

(固结应力9000Pa)

剪切流动试验通过对粉床施加一系列固结应力，并测量流动起点的剪切应力，来测量内聚力和流动方程。内聚力反映了粉末的内部强度，而流动方程则描述了固结应力和内聚强度之间的关系。图6显示，随着固结应力的增加，细粉的流动方程会上升。这种上升可能是由于颗粒间的相互作用和致密化增强，导致其从内聚流动状态转变为易流动状态。

图6：在固结应力不断增加的情况下，

中度烘焙咖啡粉细磨的剪切单元结果

烘焙试验：

探索中度和深度烘焙咖啡的粗研磨

图7中的扫描电镜(SEM)图像显示，由于咖啡豆在烘焙过程中发生膨胀，深度烘焙咖啡粉的孔隙率通常更高。这种孔隙率的增加在SEM图像中表现为孔隙更大、更多(图7b)。相比之下，中度烘焙的咖啡粉孔隙更少、更小(图7a)。

图7：a)中度烘焙咖啡粉和

b)深度烘焙咖啡粉粗磨的扫描电镜图像

在比较中度烘焙咖啡和深度烘焙咖啡的可压缩性时，深度烘焙咖啡豆由于烘焙时间较长，孔隙较多，脆性较大，因此表现出较高的可压缩性，使咖啡粉更容易压实。中度烘焙咖啡豆保留了更多的结构和水分，脆性和可压缩性较低(见图8)。

图8：中度和深度烘焙咖啡粗粉的可压缩性

在图9中，我们观察到深度烘焙咖啡的受限流动能稍高，这可能是由于其形状更不规则(如SEM图像所示)以及表面含油量增加所致。

图9：中度和深度烘焙粗磨咖啡的非受限流动能

结语

从咖啡豆到冲泡的过程，是一次对咖啡粉流变学的奇妙探索。无论是精磨还是粗磨、中度烘焙还是深度烘焙，它们的独特特性都会使咖啡风味和口感有所不同。从细磨咖啡粉的光滑表面到深烘焙咖啡粉的多孔性质，每一个细节都至关重要。所以，下次品尝咖啡时，不妨回想一下咖啡冲泡背后的科学原理。尽情享受咖啡冲泡的乐趣吧！

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致谢

本文由TA仪器的Behbood Abedi撰写，陈婷婷校对。