咖啡萃取是科学的。
所以学习手冲的我们，对于萃取科学的基本原理，可先了然于心。
这样日后面对各类萃取案例找破解思路时，便能有所本不至于无定向。
本文，介绍与酸甜苦分子溶解能力有关的相似相溶化学定律。
所谓「萃取」，是指将化合物从固体(或液体)转移到不同的溶剂中。
在萃取咖啡时，水是溶剂，被萃取的风味物质就是溶质。
液态的水，如何溶解固态风味物质?
相似相溶（like
dissolves
like）这个原理，可以帮助我们明白水在咖啡萃取中的作用方式。
所谓“相似”，是指溶质与溶剂在结构上相似。
而所谓“相溶”，是指溶质与溶剂彼此互溶。
因此，当思索咖啡中各种风味物质的溶解力，可以说，凡与水在结构上相似的，就能被水溶解。
相反的，不与水结构相似的，就不容易被溶解。
完全不相似的，就不能被溶解。(尽管我们还是可能萃取出来，但这个萃取不是透过相似相溶的方式)
所以，水的结构是什么?
水分子是由两个氢原子与一个氧原子组成。作为溶剂，水分子具有极性排列。
两个氢原子在一侧带正电荷，另一个氧原子则在另一侧带负电荷。
由于水分子内的几个原子电荷分布不均，电负性差异大，使得水分子成为电荷分布不均的极性分子。
由于水的极性，它可以与其他极性分子和离子形成静电相互作用(基于电荷的吸引力)。
咖啡溶质中的极性分子和离子(不论带有正电荷或是负电荷)，当与水接触时，可以与水的正电荷氢原子，或与水的负电荷氧原子相互作用。
这时，正电荷会吸引负电荷(就像磁体的+ 端和- 端)。
当水分子相对于溶质分子的数量较多时，这些相互作用会导致水分子在在溶质周围，形成一个三维球体的水合壳(或叫水合球)，英文是Solvation Shell。
下图就是水分子排列在带有正电荷或负电荷的离子周围，形成水合壳。
水合壳层的形成，是导致溶质溶解于水的原因。
因为，水分子中的正电子(氢端)，还有负电子(氧端)，会各自去包围溶质中的正电与负电的极性分子或离子，直到溶质中所有的离子都被水合壳层包围，并分散在溶液中。
由于极性分子比非极性分子更易溶于水，因此在咖啡萃取过程，咖啡粉中极性较大的分子，会比非极性分子或较低极性的分子，萃取更高比例。
水这种极性溶剂，能够溶解咖啡中的离子化合物或解离其共价化合物，如无机盐，糖，蛋白质等。
而极性较小（通常是更油腻）的分子，在咖啡中透过水进行萃取的比例就会更少。
咖啡中有些分子属于非极性分子。
咖啡中，影响味觉的酸甜苦物质，都属于极性分子。
但因为这些分子结构不同，以至于它们溶解的快慢有别。上图显示酸甜苦不同物质的溶解速度，依序为:酸→甜→苦。
从咖啡中提取的第一个化合物是酸。
这是因为酸是最简单的化合物，因此水能够轻松地将它们溶解。
浅烘焙咖啡中，最常见的有机酸是柠檬酸，当水温60度时，柠檬酸的溶解度已经超过75%。
水温愈高，柠檬酸溶解愈快。
生咖啡中有蔗糖(sucrose)，蔗糖是一种双糖，由葡萄糖(glucose)与果糖(fructose)组合而成。
烘焙咖啡时，较低温时时就先启动的美拉德反应(Maillard reaction)会先消耗掉生豆中的葡萄糖。
尔后较高温度时发生的焦糖化反应(Caremelizaion)，则将生豆中较复杂的碳水化合物，分解为可溶于水的更小分子，例如蔗糖会分解为葡萄糖与果糖。
当我们冲煮咖啡时，烘焙咖啡中的糖物质，就包含蔗糖，葡萄糖与果糖。
不论哪一种糖分子，其中的氧原子和氢原子之间的键（O-H键），使氧带轻微的负电荷，氢带轻微的正电荷。
因此糖分子是一种极性分子，下图就是蔗糖分子与水分子(红色部份)的作用方式。
水分子中的氧原子与氢原子，会受到糖分子上负电区和正电区的吸引，因此糖分子可溶于水。
然而不论哪一类糖，其分子结构都比酸复杂。因此糖分子溶解于水，要比酸花上更多时间。
上图橘色线，显示糖在不同温度中的溶解力。
当水分子对糖分子的吸引力，超过糖分分子与其相邻糖分子间的吸引力时，水可以将糖分子拉出晶体。
造成苦味来源的咖啡因，是一种生物碱或含氮物质，化学式为C 8 H 10 N 4 O 2。它属于甲基黄嘌呤类化学物质，
由于碳氧单极性共价键和碳氮单极性共价键之间的电负性差异，导致咖啡因中的碳具有部分正电荷，氧或氮具有部分负电荷，因此咖啡因是极性分子。
咖啡因可溶于水，因为水可以在六个不同的位置与咖啡因形成氢键。
水分子的氢，被咖啡因高负电性的氮和氧原子吸引。
尽管咖啡因有很多极性键，但它们或多或少相互抵消，因此咖啡因并不是一个高极性分子。
这使得咖啡因在水中的溶解度较差，不过随着温度与酸的添加，可以增加咖啡因的萃取力。
研究指出，在水温80度后咖啡因的溶解度增加，每100毫升的水在80 °C时可溶解20克咖啡因，但温度上升至100度时，其溶解增加为66.5克。
综合以上所述，咖啡中酸甜苦等极性分子，其溶解特性不同。
有些在一定温度中的溶解力明显增快，这种特性可帮助我们更好理解，冲煮咖啡时，在不同萃取阶段调高或调低水温的意义。
因为这些影响味道的分子，除了溶解上因结构导致的快慢差异，也同时受到温度的影响，而增加或降低其溶解力。
这是我们冲煮时，规划酸甜苦萃取比例多寡可仰赖的科学性思路。
作者:林宁
添加小红书号
咖啡公社由美、加、中、德各国专家设立，我们在云南提供:
- P86+精品咖啡后制加工标准化品管教育
- P86+微批次精品咖啡干处理服务
- P86+云南咖啡小农直接贸易服务我们于上海设立咖啡馆，提供咖啡冲煮教育与云南精品咖啡品鉴。
- P86+精品咖啡豆在2023年澳洲金豆杯咖啡烘焙大赛获得1银12铜。
