震撼咖啡界的水质研究

水是萃取咖啡的重要元素，一杯冲煮好的咖啡（除espresso外），其中有百分之98以上的成分是水，所占的比例相当可观。而我们日常冲煮咖啡所使用的水有许多种类，举凡如RO水、自来水、矿泉水、硬水、软水...... 等等，琳琅满目。 

水不就是水吗，为何会有这么多种类？

不同种类的水会对咖啡萃取造成怎样的影响呢？ 

用纯水煮咖啡不好吗？

 水中有矿物质好吗？ 

这其中有何科学上的理论呢？ 

近年来在咖啡界越来越多的人开始注重「水」这个问题。 在此之前，唯一对咖啡用水有最完整论述的就是由美国精品咖啡协会SCAA所出版的《Water Quality》一书，它是咖啡界的经典，但是其中在讨论有关于水中矿物质与冲煮的影响这部分，其参考文献多来自上一世纪60至70年代Coffee BrewingCenter的出版品，尔后却鲜少在文献上有创新性的看法。 直到这两年，有一个双人组合经由科学研究对水质提出了新的发现，为咖啡界带来震撼，在这次的专栏里就由小弟给各位介绍。

在2014年，由英国Bath大学Centre for Sustainable Chemical Technologies的一位博班研究生Christopher Hendon和当地的一家咖啡馆老板Maxwell Colonna－Dashwood 在Journal of Agriculturaland Food Chemistry发表了一篇研究阳离子与咖啡萃取的文章，题目是《TheRole of Dissolved Cations in Coffee Extraction》，揭开了探讨理想冲煮咖啡用水的序幕。

（Maxwell与Christopher／图片来源网络）

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水中离子对风味物质萃取的影响

在论文中，作者选定了三种水中常见的阳离子：钠离子、钙离子以及镁离子，并且着手分析这些离子对于咖啡风味物质的萃取有何影响。 首先作者挑了七种化学物质，包括有乳酸、苹果酸、柠檬酸、奎宁酸、绿原酸、咖啡因以及丁香酚，用来代表咖啡的风味。 其中乳酸以及苹果酸代表酸感﹙sour﹚，柠檬酸代表甜感﹙sweet﹚，奎宁酸以及绿原酸则用来代表咖啡的刺激性﹙pungent﹚和不好的﹙unpalatable﹚的风味，而丁香酚﹙eugenol，亦常见于咖啡威士忌和红酒中﹚则代表令人愉悦的木质风味。 再以热力学的方式去计算钠、钙、镁离子还有水对于上述七种咖啡成分的相对结合能量﹙Relative Binding Energy﹚，藉以当作萃取时的指针。

文中他们发现钠离子与挑选的咖啡成分其相对结合能量和水相当，这意味着钠离子的存在并不会影响水与这些物质的结合，甚至他们发现钠离子对于咖啡因和丁香酸的结合似乎比水还弱些。 因此，作者认为目前市面上常见的以钠离子交换钙离子的树脂，其功能顶多是降低水垢的产生，对风味的萃取取并没有多大的帮助，甚至离子交换后带有丰富钠离子的水会影响某些风味的萃取﹙如咖啡因和丁香酚﹚。 至于二价的金属离子﹙即钙离子和镁离子﹚与挑选的咖啡风味成分的结合能力就比钠离子要好，也比水来的佳。 这表示当水中有此二种矿物质存在时，咖啡风味成分会倾向与它们结合，进而增加萃取。

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离子特性优缺分析

若再进一步比较，则镁离子的结合力又比钙离子来的好一些。 值得注意的是，这些二价阳离子可以增加咖啡萃取是全面性的，其中也包括了不讨喜的风味﹙如文中选定的绿原酸和奎宁酸﹚，和有浅在药性的物质﹙如绿原酸有抗氧化的效应和咖啡因有刺激神经和肠胃系统的作用﹚，所以在选用上也有着健康方面的考虑，可能需要稍微注意。

虽说钙和镁都有着不错的萃取能力，但是水中存在过量的钙离子往往会与水中碳酸氢根结合而造成水垢﹙Scale﹚的问题，对热水设备造成影响，因此若能使用镁离子似乎是一个比较好的选择。 文中也谈到，像是在冲煮速溶咖啡上，为了要达到最高的溶解以及萃取，使用含有镁离子的水是比较理想的选择；若是冲煮浅烘焙的咖啡，则钙离子和镁离子的能力相当。 此论文发表后，随即引发大家对镁离子的好奇，并且开始追求在水中增加镁离子的方法，进而有业者开始引进镁离子滤心或是交换树脂，提供玩家尝试。

与其改变水质，不如以烘焙手法的调整来修正萃取

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深度解析咖啡与水

继2014年的论文发表后，他俩又乘胜追击，在2015年底出版了一本专门探讨咖啡与水的专书，书名是《Water for Coffee》。 此书以之前的发表为基础，并把论文中没有进讨论的缓冲系统也一并做详细的说明，内容相当充实完整，为咖啡界提供了一本很好的参考指针。 以下为大家简述内容纲要。

本书可以分成三大部分，第一部分属于科普知识，作者从盘古开天辟地的宇宙的诞生以及物质的元素周期表开始讲起，并介绍一些常用的化学名词以及其科学单位，以供后续讨论用。 之后便开始讨论水的液、汽、固态三相与温度压力之间的关系、热力学的四大定律等有关水的物理特性；以及谈到水的化学组成以及其结构，何谓极性和非极性，氢键的产生以及水与极性分子、非极性分子之间的关系；还有以热力学的角度去看待物质的溶解，告诉读着物质溶于水的科学理论根据。 再来便谈到了水的解离常数与pH值，酸与碱的定义、共轭碱与缓冲溶液以及水的碳酸盐硬度﹙Carbonate Hardness，KH﹚的介绍、还有总硬度﹙General Hardness，GH﹚概念。

从架构来看，作者应是以现行SCAA 建议的《water for brewing standard》中所标示的其中四种指针：TDS﹙Total Dissolved Solids﹚、pH值、Calcium Hardness﹙钙离子硬度﹚、以及总碱度﹙total alkalinity﹚为出发点，很有野心的打算对水做个完整的介绍。 并他们也提出自己的版本﹙诸如将Calcium Hardness修正成General Hardness，以及Total alkalinity一词改成Karbonate Hardness﹚，也为之后的内容作了学理上的妥善铺陈。

我有些朋友在翻到第一部份时就因为感到内容实在是太化学了就纷纷打退堂而鼓弃械投降，其实这些化学我们在求学时都曾接触过，也许是时间间隔太久了，但请大家不要那么早放弃，因为好酒沉瓮底喔！

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水质滤净及硬度与酸碱的探索

第二个部分开始介绍目前测量水中的矿物质的几种方法，如常用的「滴定法」，TDS测量以及实验室等级的原子吸收光谱﹙AA﹚和感应藕合电浆质谱仪﹙ICPMS﹚。 再来便谈到了目前常见的滤水方式：从简易地去除水中如农药等有机分子的活性碳滤心，到阳离子交换树脂的原理以及其对水质的影响，还有逆渗透的原理介绍。 值得一提的是，在国外即便是使用逆渗透，但似乎比较少直接饮用制造出来的纯水，他们通常会将高浓度的离子废水部分回填至纯水中以稍微补充矿物质，而在台湾则多是将纯水过麦饭石滤心以增加矿物质的含量，两者略有不同。

接下来的第三部分便开始有趣了。 首先是实作的部分，作者以镁离子和钙离子为例，开始教导大家如何调制出不同总硬度（General Hardness, GH），碳酸盐硬度（CarbonateHardness，KH）以及调整pH值，甚至告诉大家该如何上网去选购所需的药品以及价格，如果有兴趣的朋友想要亲自尝试水中不同的离子种类以及浓度在冲煮咖啡的风味上有何特色， 建议可以参考SCAA的《water for brewing standard》中的建议浓度加以调制作为探索的起点。

接下来就是开始讨论作者认为水中影响萃取的三个因子：钙离子、镁离子以及碳酸盐缓冲系统（bicarbonate buffer system）彼此之间的关系，有趣的是小弟发现了他们好像察觉到发表镁离子有比较好的结合能力这件事可能会给读者产生的误导，毕竟钙离子也有相当的程度。 于是作者加以补述说明他们比较想要强调的是水的组成成分对于萃取的影响，而非只单独强调单一种离子。 他们回归到总硬度GH﹙镁和钙离子一起看待﹚的观念，毕竟在自然界中要找到只有存在丰富镁离子的水源就好比要在自然界中找到去离子水一样困难。 再者，他们找了14个人对以钙离子或镁离子水冲煮的咖啡做盲测，差异是微乎其微的。

此外，在碳酸盐缓冲系统上，目前有着许多的同义词，诸如Alkalinity（总碱度）、Karbonate（carbonate）、Hardness （碳酸盐硬度）、temporary Hardness（暂时硬度）等。 作者强烈建议不要使用alkalinity，因为碳酸盐是有缓冲能力的，而alkalinity这个字会和它会和alkaline（碱）产生误解。 碳酸盐系统是作者强调的另一个主轴，因为碳酸盐（KH）具有缓冲能力，它不但可以稳定水的pH值，并且在冲煮咖啡时可以部份中和并缓冲咖啡带来的酸，因此KH的含量多寡也左右了杯测的表现。

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什么是最适合冲煮咖啡的水？

第三部分的最高潮，也是本人认为最精采的部分，就是开始讨论所谓的「最佳」水的规格。作者重申，不应以单一离子做讨论，而应将三个因子的比率做动态的考虑，于是推出了检视不同KH（碳酸盐硬度）与GH（总硬度，钙离子和镁离子的总和）浓度下的冲煮咖啡，作出冲煮风味图。

Maxwell与Christopher所提出的风味图概念

其中KH扮演的角色就是可以缓冲咖啡的酸质，若含量过少则可能带来锐利的酸感，若过多则会中和咖啡的酸，造成平淡的酸感，有时甚而会引发沉淀，而有颗粒感（Chalky）。 GH则是萃取指针，是将咖啡物质溶解出来的能力，GH越高则口感越厚重，反之则越空洞。 如图所示，在不同GH、KH高低浓度所产生的四个极端风味之间就会出现一个可以接受的区间，甚至在可接受区间里就会产生一个理想的区域。 

最后，作者提出了一个「Roasting to water」的概念，其理论就是世界上没有一种水其所含的矿物质组成是可以适合所有的咖啡冲煮，因为水中的离子成分会影响咖啡的风味，而不同的地区其水质条件都不同，煮出来的味道也就会不一样。那么为了达到理想的风味，因此提倡了反向思考的概念，与其改变水质，不如以烘焙手法的调整来修正萃取，这可是一个全新的概念喔！ 然而小弟心中的理想境界则是有朝一日，我们对水质的掌控可以能随心所欲，便可以调整出不同GH与KH比率的水来冲煮不同产区的咖啡，甚至是不同烘焙度的咖啡。 到那时，进咖啡店的客人除了传统的选择之外，还多了水质的选项，如此搭配组合，品咖啡就将会变得更有趣了。