熱血科學家的長話短說:用更少咖啡豆泡出香醇咖啡
各位觀眾朋友大家好,歡迎再次來到我們的節目。在萬物皆漲的時代,喜歡喝咖啡的你是否想過,如何用更少的咖啡豆泡出同樣香濃的咖啡呢?
咖啡:科學家的必需品
對物理學家而言,咖啡是研究進行中絕對的必需品,能讓研究效率倍增 200%,堪比宇宙戰艦的波動砲。因此,國科會應該讓科學家可以報帳買咖啡。
咖啡豆價格暴漲
近年全球氣候變遷,極端天氣頻繁發生,導致最受歡迎但對溫度敏感的阿拉比卡咖啡產量銳減,咖啡豆價格暴漲。這使得咖啡因成癮的研究人員面臨咖啡資金短缺的嚴重問題。
研究如何少用咖啡豆
為解決問題,物理學家開始研究用更少量的咖啡豆泡出一樣香醇的咖啡。美國賓州大學物理系的科學家在 2025 年 4 月 8 日發表論文,探討手沖咖啡時水柱撞擊咖啡粉所造成的雪崩現象,即“咖啡粉土石流”的流體力學問題。
實驗模擬手沖咖啡
研究人員用透明漏斗、杯子和粒徑 0.2 到 1 mm 的透明矽膠顆粒代替咖啡粉,用層光雷射照射,加上高速攝影機記錄整個過程。實驗示意圖中,小 h 是咖啡粉床高度,大 H 是水面高度,D 是水壺注水口高度,R 是水柱半徑,v 是水流速。
觀察混合程度
當水流從上往下沖,會撞擊咖啡床表面,鑽出凹洞,噴出部分咖啡粉,在水層中產生流動與混合,一些咖啡粉顆粒會浮在水層表面。通過計算畫格紅色框框裡面的畫素亮度,可知道瞬間水跟矽膠顆粒混合的程度。水中沒有矽膠時呈黑色,混合越充分顏色越白,由此得到混合程度,稱為 Degree of Mixing,其極大值稱為 Mixing Index。
不同注水條件的影響
使用 1/4 英寸管子注水,流速固定在每秒 20 公克左右,改變注水口高度,Mixing Index 隨高度增加而增加。改用更細的 1/8 英寸管子注水,高度拉高到 22.5 公分時,水柱變成不連續水滴,水滴碰到水面被撞碎,產生氣泡,影響混合效果,此現象稱為 Plateau-Rayleigh Instability。
氣泡漂浮層的影響
咖啡沖泡過程中,表面有一層氣泡跟咖啡粉混合的漂浮層。研究團隊在矽膠裡加入輕的保麗龍小球模擬漂浮層,結果顯示混合程度依然隨注水高度上升而增加,表明氣泡漂浮層對整個過程影響不大。
咖啡粉土石流的雪崩動力學
包括三個階段:侵蝕,水柱衝擊粉床中心,帶動部分顆粒懸浮於水層內,底部逐漸被挖空;混合與堆積,懸浮顆粒攪動,慢慢推到旁邊沉積在漏斗邊緣,顆粒從中心向外移動,中間空穴變大;雪崩,邊緣顆粒越堆越多,表面越來越陡峭,失去支撐向內崩落,內部顆粒劇烈下滑,重新填滿中心區域,循環進行。
真正的咖啡實驗
研究人員採用宏都拉斯產的 Simply Nature 有機咖啡豆,用義大利製造的 Eureka Mignone Silenzio 磨豆機研磨,放入 HARIO V60 透明濾杯和 HARIO VCF-02-100W 濾紙中,用 KitchenAid KEK 1032 細口壺倒入 95℃熱水 150 公克。咖啡沖泡完畢後,取出 20 公克咖啡液在 100℃底下烘乾 14 到 16 個小時,量出咖啡的總溶解固體含量,比較不同倒水方式的萃取效果。
實驗結果
粗水柱(直徑 3 到 5 mm,流速每秒大約 15 公克)實驗中,隨注水高度增加,總溶解固體含量增加;細水柱(直徑 1 到 2 mm,流速大約每秒 5 公克)實驗中,因流速低,沖泡時間長,增加注水高度無明顯效果。
結論
手沖咖啡時,盡量讓水柱越細越好,但要避免 Plateau Rayleigh Instability。若技術無法控制水柱那麼細,用粗水柱舉高水壺增加注水高度也可。掌握此技術,在咖啡大通膨時代可用更少咖啡豆泡出一樣香醇的咖啡。
研究的其他應用價值
該研究不僅能幫助咖啡因中毒又貧窮的物理學家泡好咖啡、節省咖啡豆,還可應用在水壩管理、瀑布侵蝕岩石、工業污水處理設備的攪動跟混合問題,甚至預警和防範土石流。
節目尾聲
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