壹、摘要
从磨咖啡豆到泡出一杯可口咖啡是一门学问,本次实验想藉著在自然课上学到的原理找 出泡咖啡所应用到的原理,并印证课堂所学,除了能泡出一杯好而不酸的咖啡外,也在咖啡 中找到自然科学的乐趣。一共包含了以下部份: 一、滤纸式咖啡、虹吸式咖啡的冲泡与二上自然与生活科技水溶液、温度与热的原理应用。 二、不同咖啡豆冲泡,越酸的豆子泡出来的咖啡摆放越久,咖啡越酸;虹吸又比滤纸式更酸。 三、滤纸式咖啡在水温越高、咖啡粉越细所得的咖啡越酸。 四、滤纸式咖啡刚泡好的咖啡摆的越久、越酸,但加了奶精后可减少酸度。
贰、研究动机
现在外面的咖啡店到处可见,而喝咖啡无论是为了提神或是享受浪漫的气氛,也早已是 我们日常生活中的一部份,于是我们从泡咖啡开始研究起,并与老师讨论咖啡里所包含的理 化相关原理(包括水溶液、温度与热的单元),在泡咖啡的过程中,好像也做了科学实验学到了 理化,此外我们也发现怎么自己泡出来的咖啡与店里卖的咖啡竟然差那么多,只有一个酸字 可以形容,所以我们也想知道如何找出适当的水温及咖啡粉的粗细来泡出香味四溢,却又不 酸的可口咖啡。
参、研究目的
(一)推论滤纸式咖啡、虹吸式咖啡的冲泡方式与国中理化的相关性。
(二)了解不同咖啡豆以虹吸式、滤纸法粹取咖啡液后,其酸碱度的差异,并置于常温下,
观察咖啡液一星期时间的酸度变化。 (三)滤纸式冲泡法测试不同水温、不同粗细咖啡粉对咖啡液酸碱度的影响。 (四)滤纸式的咖啡在短时间内,加糖及奶精时酸碱度的变化。(一般喝咖啡时的酸度变化)
肆、研究设备及器材 六种待测咖啡豆(曼特宁、巴西、哥伦比亚、摩卡、蓝山、台湾咖啡豆) 一些
pH仪 一个 不同杯子 六个 手动磨豆机 一座 滤纸 一盒
滤杯 一个 塞风壶 一座 酒精灯 一座 搅拌竹棒 一支 电子秤 一座 量筒 一支 温度计 一支
冲水壶 一个
伍、研究过程或方法
一、实验一:讨论滤纸式咖啡、虹吸式咖啡的冲泡与国中理化的相关性。 (一)滤纸滴落式
滤纸滴落式的冲泡方式,主要是让咖啡豆粉与热水充分混合后,溶析出咖啡中的味道,再透
过滤纸滴漏出来。
推论一:表面积与颗粒大小对咖啡萃取的影响
我们推测咖啡豆的研磨粗细度会影响水与咖啡粉接触的面积,而影响咖啡萃取的程度。
在课本反应速率与平衡曾提到,同样质量的物体,当分割越细小,反应速率快,但我们希望
能从这里观察到表面积与颗粒大小的影响,能更了解反应速率的碰撞理论,我们将在实验三
实际印证这件事。
推论二:温度与溶解度对咖啡萃取的影响
我们推测水温会影响水对咖啡成份的溶解度,而影响咖啡萃取的程度。
在课本水溶液里曾提到,温度是影响固态物质溶解度的主要因素,大部分固态物质在水中的
溶解度随水温升高而变大,我们将在实验三印证印证这件事。
(二)虹 吸 式
虹吸式咖啡冲泡方法又称为塞风壶,造型优美,冲煮过程充满戏剧性且散发浓郁咖啡香
步骤:
1. 将下壶放入一些的热水。
2. 加热至沸腾“推论一”。
3. 再将上壶插入 (生此时水开使上升) “推论二”。
4. 待水不在上升时,将火移开,且搅拌上壶,使咖啡粉均匀浸入水中。
5. 总计时达一分钟左右 (停止计时) 将火移开,以半湿的布擦下壶(此时水立刻下降,并
借由滤布将咖啡渣留于上壶)。“推论二、推论三、推论四”。
6. 将原本加有热水的杯子“推论五”,将水倒去,将咖啡注入至八分满。
推论一:沸腾时水温的变化
在课本热对物质的影响提到,纯水在 1 大气压下,其沸点为 100°C,我们可观察沸腾时水 温的变化,是否为一定值。
推论二:沸腾时下壶水冲到上壶时对理想气体方程式的印证
理想气体方程式 PV=nRT 1.当水沸腾时、一开始温度固定、当将上壶插入下壶时,下壶气体的体积固定,此时蒸气 压正比于水蒸气的分子数,越多的水蒸气产生越大的蒸汽压,将沸水经由玻璃管压入上层 煮咖啡,我们将观察到水开始上升。 2.待降温后使下壶水蒸气凝结回液体,越少的水蒸气让下壶蒸汽压越小,呈低压状态后, 则大气压力将已萃取好的咖啡液压回下壶。
推论三:中间的滤布过滤咖啡渣与混合物分离的观念 在课本认识物质里,提到利用物质间性质的差异,可将混合物纯化,在此当咖啡液下降时, 以中间之滤布过滤咖啡渣,让溶于水里的咖啡物质能通过滤布的孔隙,而咖啡粉则因不溶 于水且颗粒较大而留于滤布上,可观察到溶解过滤法的应用。
推论四:压力对液体沸点的影响 在课本热对物质的影响提到,纯水在1大气压下,其沸点为100°C,但当我们将液面上压力 降低时,则可观察到沸点下降,我们在冷凝下壶,蒸气压降低时,可观察到下壶在冷凝的 过程中,因为沸点降低,即使不到100°C,仍可看见不断冒泡的沸腾现象。
推论五:温度对热能传播方式的影响 在课本热的传播方式提到,热能经高温处传向低温处。咖啡店在盛咖啡前会先将杯子温 热,目的即是避免热咖啡将热能传给较低温的杯子使咖啡变冷,我们可在此观察到咖啡液 在热杯子和冷杯子其温度变化的差异。
二、实验二:了解曼特宁、巴西、哥伦比亚、摩卡、蓝山、台湾咖啡豆以不同方法粹取咖啡
液时,其酸碱度的差异。
1.目的:了解虹吸式与滤纸式对不同咖啡酸碱度差异 2.器材:六种待测咖啡豆(曼特宁、巴西、哥伦比亚、摩卡、蓝山、台湾咖啡豆)、pH仪一
个、不同杯子六个、手动磨豆机、滤纸六张、滤杯一个、塞风壶一座、酒精灯一座、
搅拌竹棒一支、电子秤一座、量筒一个、温度计一支。 3.步骤:
(1)将待测咖啡豆研磨成细粉,接著将电子秤归零,把研磨好的咖啡以15克秤一份放置于 滤纸内。
(2)把滤纸放于滤杯内以180毫升90°C热水冲泡并贴上标签。 (3)另以相同咖啡粉与水量,以塞风壶冲泡,但水量增至185毫升,将一半的塞风壶咖啡液
置于冰箱(8°C下)。 (4)使用pH仪测量所有上述咖啡液的pH値,每测量完一杯,将pH 仪放入清水中清洗再
以卫生纸擦拭,以免影响测量结果。 (5)换不同的咖啡豆(曼特宁、巴西、哥伦比亚、摩卡、蓝山、台湾咖啡豆)重覆步骤1——4 (6)连续七日,每日重复步骤4并记下数据。
4.结果分析: (1)除了曼特宁咖啡外,第一日刚泡好时虹吸式的泡法比滤纸式的泡法更酸。 (2)若以一星期的数据显示,咖啡之酸碱值随著天数的增加也有降低的趋势。 (3)我们也将虹吸式萃取的咖啡液放入冰箱中,发现一星期后,保存在温度较低的环境下,
其酸度增加量较少。
(4)以一星期的平均酸度来看,
虹吸式的酸度排行依序为:(pH值由小而大) 台湾>巴西>哥伦比亚>蓝山>曼特宁>摩卡 滤纸式的酸度排行依序为:(pH值由小而大) 台湾>巴西>蓝山>哥伦比亚>曼特宁>摩卡
三、实验三:滤纸式冲泡法测试不同水温、不同粗细咖啡粉对咖啡液酸碱度的影响。 1.目的:了解滤纸式冲泡法其水温的高低、咖啡粉的粗细对酸碱度的影响。 2.器材:四种待测咖啡豆(哥伦比亚、巴西、蓝山、台湾)、pH仪一个、不同杯子三个、手
动磨豆机一座、滤纸数张、滤杯一个、冲水壶一个、电子秤一座、量筒一个、温度
计一支。 3.步骤:
(1)将待测咖啡豆每15克秤一份放置于滤纸内,并分别研磨成粗、中、细三种粗细的粉末。 (2)把滤纸放于滤杯内以180毫升90°C热水冲泡并贴上标签。 (3)泡好后立即测量其pH值,每测量完一杯,将pH 仪放入清水中清洗再以卫生纸擦拭,
以免影响测量。
(4)换不同咖啡豆重覆步骤1——3,并记下数据。 (5)接著将待测咖啡豆以同样粗细的研磨之后,以不同的水温从89°C开始,大约以每减少
10°C冲泡一次,重复步骤2——3,并记下数据。
4.结果分析: (1)由实验数据(一),可见研磨的越细的咖啡豆其酸度越高,pH值越低,表示研磨越细,
所萃取的酸性溶质量越多,符合推测 (2)由实验数据(二),可见冲泡的水温越高其酸度越高,pH值越低,表示水温越高,萃取
的酸性溶质越多,符合推测
四、实验四:滤纸式的咖啡在短时间内,加糖及奶精时酸碱度的变化 1.目的:了解在短时间内用滤纸式泡法的咖啡其酸碱度如何变化 2.器材:六种待测的咖啡豆(哥伦比亚、巴西、蓝山、曼特宁、台湾、摩卡)、pH仪一个、
杯子一个、手动磨豆机、滤纸六张、滤杯一个、奶油球六个、冲水壶、电子秤、量
筒、温度计。 3.步骤:
(1)将待测咖啡豆研磨成细粉,接著将电子秤归零,把研磨好的咖啡以15克秤一份放置于 滤纸内。
(2)把滤纸放于滤杯内以180毫升90°C热水冲泡并贴上标签。 (3)随时间的变化,每降3°C使用pH仪测量一次pH值,并于pH值不变时,加入奶精及糖
观察其pH值变化
(4)每测量完一杯,纪录数据后,将pH 仪放入清水中清洗再擦拭干净,以免影响测量结果。 (5)换不同咖啡豆(巴西、蓝山、哥伦比亚、曼特宁、台湾、摩卡),重复步骤1——4。
4.结果分析: (1)本次实验的咖啡豆在短时间内随著温度的降低,咖啡的酸度会提高
且原本酸度越高的咖啡豆其温度下降时所增加的酸度最多
增加酸度(由多而少):台湾>哥伦比亚>巴西>蓝山>曼特宁>摩卡 (2)酸度增加到一定程度时,加入奶精,发现pH值上升,因此喝咖啡加入奶油球的确会减
少酸度。
(3)加入糖,发现并未影响酸度。
陆、研究结果
实验一、推论咖啡的冲泡与理化原理的相关性。
已于前面讨论过。
实验二、不同咖啡豆所粹取咖啡液哪一个较酸,并置于常温下,观察一星期时间的酸度变化。 一、虹吸式的泡法比滤纸式的泡法更酸 二、泡好的咖啡若放置越久,pH值下降越多,越偏酸性 三、若保存在温度较低的环境下,其pH值下降较少,酸度增加较少。 四、虹吸式的泡法酸度排行依序为:(pH值由小而大)
台湾>巴西>哥伦比亚>蓝山>曼特宁>摩卡 滤纸式的泡法酸度排行依序为:(pH值由小而大) 台湾>巴西>蓝山>哥伦比亚>曼特宁>摩卡
实验三、滤纸式冲泡法测试水温、咖啡粉粗细对咖啡液pH值的影响。 一、研磨的越细的咖啡豆其酸度越高,pH值越低 二、冲泡的水温越高其酸度越高,pH值越低
实验四、滤纸式的咖啡在短时间内,加糖及奶精时pH值的变化。 一、随著温度的降低,咖啡的酸度会提高,越酸的豆子,酸度有越增加的情形 二、pH值下降的量(增加酸度):台湾>哥伦比亚>巴西>蓝山>曼特宁>摩卡 三、加入奶精,发现pH值上升、酸度降低,而加入糖pH值并无变化
柒、讨论
实验一、推论滤纸式咖啡、虹吸式咖啡的冲泡与国中理化的相关性。
一、从滤纸式咖啡观察表面积与水温对咖啡萃取程度的影响
(一)我们观察到越细的颗粒,因为总表面积越大,所以萃取程度越大。 但也可能是因为越细的咖啡粉其粉之间的孔隙较小,水流较不易通过,因此造成萃 取时间较长,萃取程度也较完全,但不一定是最好喝的程度。
(二)大部分固态物质在水中的溶解度随水温升高而变大。 (三)而根据我们所查的资料,滤纸式的咖啡冲泡时所用的水温应在89°C最佳,而颗粒大
小为中研磨的程度,然而咖啡的味道包含苦、酸、涩等,水温越高时会冲出较多酸 味的物质,但同时也冲出较多苦味的溶质,因此实际喝起来在高温反而喝不出酸 味,反而是温度低的咖啡其味道较酸,因此综合味道后并不一定完全会跟pH计所
测量的pH值有相关。
二、从虹吸式咖啡观察:沸腾、理想气体方程式、混合物分离、压力与沸点、热能传播
(一) 经由实际操作,发现此时水温在加热一段时间时维持在一定值,107°C。但并不是在 一大气压下正常的 100°C,我们讨论可能是我们用的水并不是纯水,含有溶质而造成
沸点上升的现象。
(二) 其余皆已讨论过。
实验二、了解不同咖啡豆,在不同的泡法,其酸碱度的差异,并置于常温下,观察咖啡液一
星期时间的酸度变化。
一、虹吸式的泡法比滤纸式的泡法更酸推测是因为滤纸式的咖啡粉与水接触的时间较短。
二、咖啡液放置越久,越偏酸性,但若保存在温度较低的环境下,其酸度增加量较少。可能
是咖啡里有物质氧化的关系。
三、我们讨论影响咖啡酸度的因素:
(一)产地:不同的咖啡豆其原本的酸度源于产地气候、土壤、品种等 烘焙:各家烘焙的程度也会影响酸度的大小 冲泡:滤纸式的水流的力道、虹吸式的搅拌的方式
(二)我们实际冲泡的结果: 哥伦比亚:属较酸的咖啡豆,但酸、苦味道均匀所以味道不会太酸
巴 西:其酸度适中,但其他味道较弱,只是香气较高,但此次的实验结果酸度亦高可
能与存放的时间有关
蓝 山:属弱酸性豆,与此次实验的结果相符 曼特宁:属较不酸的咖啡豆,不喜欢酸性但不怕苦的人可选则此种豆子
台 湾:属酸性豆,但此次实验的结果最酸可能跟咖啡豆放置过久有关
摩 卡:属酸性豆,但此次实验结果却发现不酸,可能跟台湾人不喜欢酸性的咖啡,因
此厂商已经以其他方法,如不同的烘焙程度处理过的原因
所以基本上不同的咖啡豆仍有其不同的酸味,但影响酸度的变因很多,仍要实际冲泡
后才能知道个人喜欢的酸度口味。
实验三、滤纸式冲泡法测试不同水温、不同粗细咖啡粉对咖啡液酸碱度的影响。
我们已经在实验一里一起讨论过
实验四、滤纸式的咖啡在短时间内,加糖及奶精时酸碱度的变化。(一般喝咖啡时的酸度变化) 一、咖啡液与空气接触的时间越长、变得越酸,主要变酸的原因可能是空气氧化咖啡造成的,
且酸性豆里含酸性的物质量比较多,所以酸度越高的咖啡豆也变得越酸。
二、喝咖啡加入奶油球的确会减少酸度。我们去找奶精的成份,查到奶精并非奶,主要为油
脂,其正式名称应为“植物性奶油”,其配方主要是玉米糖浆和部份氢化的植物油,所
以不宜过量食用。
三、糖为中性物质,也不与咖啡液发生反应,不影响酸碱性。
捌、结论
一、从滤纸式咖啡和虹吸式咖啡的泡法,我们发现很多与二上理化相关的原理应用,例如反
应速率提到的表面积与颗粒大小的关系、水溶液里提到的温度与溶解度的关系、混合物
分离的观念、温度与热里提到的沸腾时水温的变化、压力对液体沸点的影响、热量从高
温处传到低温处、理想气体方程式的印证。让我们在享受咖啡时,也能实际观察到自然
科学原来就存在于日常生活中。
二、虹吸式的泡法比滤纸式的泡法更酸,因虹吸式的泡法萃取时间较久;又滤纸式的泡法味
道较清淡,适合品尝咖啡豆原始的味道。
三、咖啡液放置越久,越偏酸性,但若保存在温度较低的环境下,其酸度增加量较少。可能
是咖啡里有物质氧化的关系,所以泡制好的咖啡立即饮用最好,不宜久放。
四、以不同的咖啡豆来泡后,发现:(pH值由小而大) 虹吸式的酸度排行依序为:台湾>巴西>哥伦比亚>蓝山>曼特宁>摩卡 滤纸式的酸度排行依序为:台湾>巴西>蓝山>哥伦比亚>曼特宁>摩卡 咖啡豆本身就有酸味轻重的差别,但仍可由冲泡的方式来调整酸度,因此不喜欢酸味的 人除了可选曼特宁等豆子外,最好也能以实际冲泡的酸度为准。
五、从滤纸式咖啡里可以发现水温越高、咖啡粉越细,所冲泡出来的咖啡越浓,测出的pH值 也越小,但其酸度却不一定相符,因为咖啡会同时冲泡出酸味和苦味,因此可能酸度大 却因为苦度也大而喝不出酸味,原则是低温的水会冲出pH值小,但味道较酸的咖啡,一 般滤纸式咖啡以89°C的热水及中细研磨的咖啡粉较佳。
六、喝刚泡好的咖啡其pH值会随著温度降低到一定程度,最好不要将咖啡摆放太久甚至放冷, 会影响原本的味道,不过我们也发现原本较不酸的咖啡豆,其降低的pH值也较少。另外 加了奶精的咖啡,的确较不酸,不过奶精的主要成份为植物油,并非牛奶,不可摄取过 量。
