純粹為了感官享受，很少有日常體驗能與一杯好咖啡相媲美。剛剛用新鮮烘焙的咖啡豆沖泡出來的熱咖啡，其誘人的香氣可以將沉睡者從床上拉起來，並將行人吸引到咖啡館中。世界上數百萬人都認為，如果沒有咖啡因帶來的精神清醒，他們將很難度過一天。但是，在這種看似普通的飲料背後，隱藏著深刻的化學複雜性。如果不深入瞭解咖啡豆生產、烘焙和製備過程中的各種變化如何細微地影響數百種決定咖啡風味、香氣和醇厚的化合物，那麼一杯優質咖啡將是一種罕見且隨機的事件。
鑑賞家們一致認為，咖啡的精髓在於意式濃縮咖啡：那隻小巧的、厚重的瓷杯，半杯盛滿了深色不透明的咖啡，頂部覆蓋著一層天鵝絨般濃稠的紅棕色泡沫，稱為咖啡脂。咖啡脂由包裹在薄膜中的微小氣泡組成，令人驚訝地持久，鎖住了咖啡獨特的風味和香氣，以及大部分熱量。意式濃縮咖啡——這個詞指的是專門為特定場合應要求製作的飲品——是透過快速將少量加壓的熱水滲透過壓縮的細磨烘焙咖啡粉餅來沖泡的。由此產生的濃縮液體不僅含有可溶性固體，還含有各種各樣的芳香物質，分散在微小的油滴乳液中，這些物質共同賦予了意式濃縮咖啡獨特的濃郁味道、氣味和“口感”。
愛好者們認為，完美沖泡的意式濃縮咖啡是咖啡的極致，因為其特殊的製備方法放大了並展現了咖啡豆固有的特性。意式濃縮咖啡對我們來說很有用，因為它實際上是對所有制作咖啡的眾多技術的提煉，包括土耳其式方法以及各種浸泡和過濾滴濾過程。瞭解意式濃縮咖啡就是了解咖啡的所有形式。
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高品質咖啡源於對田間、工廠和杯中眾多因素的嚴格控制。咖啡種植涉及必須監測和調節的無數變數。一旦咖啡豆被種植出來，就無法新增或去除任何東西：品質必須已經存在。一杯意式濃縮咖啡需要 50 到 55 顆烘焙咖啡豆；一顆不完美的咖啡豆就會汙染整體，以至於可以被注意到。這是因為人類的嗅覺和味覺起源於防禦機制，旨在保護我們的祖先免受腐爛的——因此也是不健康的——食物的侵害。只有透過現代技術，才能經濟有效地持續識別出 50 顆近乎完美的咖啡豆。
咖啡種植
生咖啡豆是茜草科植物的種子，該科至少包含 100 種咖啡屬植物。商業開發的兩個物種是阿拉比卡咖啡（Coffea arabica），佔世界產量的三分之二，以及卡內弗拉咖啡（Coffea canephora），通常稱為羅布斯塔咖啡，佔全球產量的三分之一。羅布斯塔咖啡植株和所有野生咖啡物種都有 22 條染色體，而阿拉比卡咖啡有 44 條。因此，阿拉比卡咖啡不能與其他咖啡物種雜交以產生雜交植物。
羅布斯塔咖啡是一種高產且抗病的樹木，高達 12 米，最適合在溫暖潮溼的氣候中生長。它生產的咖啡具有濃郁的醇厚度、相對粗糙的泥土香氣以及較高的咖啡因含量，重量百分比為 2.4% 至 2.8%。儘管許多供應商都出售羅布斯塔咖啡，但它不會產生最高品質的咖啡。
阿拉比卡咖啡起源於衣索比亞高地，是一種中低產、相當嬌嫩的樹木，高度為 5 至 6 米，需要溫和的氣候和大量的種植護理。商業種植的咖啡灌木被修剪到 1.5 至 2.0 米的高度。用阿拉比卡咖啡豆製成的咖啡具有濃郁而複雜的香氣，可以讓人聯想到鮮花、水果、蜂蜜、巧克力、焦糖或烤麵包。其咖啡因含量永遠不會超過重量的 1.5%。由於其卓越的品質和味道，阿拉比卡咖啡的售價高於其耐寒、粗糙的表親。
充足的降雨會促使阿拉比卡咖啡植株開花，大約 210 天后，會出現紅色或黃色的果實，稱為咖啡櫻桃。每個櫻桃都含有兩顆橢圓形的種子——咖啡豆。由於同一枝條上可以同時存在果實和花朵，因此採摘者的食指和拇指是收整合熟櫻桃的最佳工具。手工剝離整個枝條或使用自動化收割機無法區分成熟和未成熟的櫻桃。
最終咖啡豆的品質取決於植物的遺傳基因、生長的土壤和微氣候，微氣候包括海拔、降雨量和日照量以及每日溫度波動等因素。連同應用的烘焙工藝，這些農業和地理因素是造成供應商將多種咖啡豆混合以生產各種獨特混合咖啡的原因，這些混合咖啡是人們可以購買到的。
從櫻桃到咖啡豆
咖啡櫻桃必須在收穫後立即加工，以防止腐敗。生產者要麼將櫻桃曬乾，要麼清洗櫻桃。曬乾包括將櫻桃攤鋪在露臺上，並經常攪拌乾燥的水果，使其均勻受熱和通風。將乾燥的櫻桃透過機器碾碎外殼，然後去除外殼和周圍的羊皮膜層，從而釋放咖啡豆以進行分類和裝袋。在另一種方法中，水果經過機械去皮、清洗，最後乾燥並從羊皮覆蓋物中釋放出來。無論採用哪種方法，目標都是相同的：咖啡櫻桃 65% 的含水量降低到優質生咖啡豆或綠咖啡豆的 10% 到 12% 的水分含量水平。
生產優質咖啡的最大挑戰之一是確保從優質綠咖啡豆開始。優質生產商，例如位於義大利的裡雅斯特的 illycaffè，我們公司，使用了許多先進的工藝控制技術來最大限度地減少次品咖啡豆的百分比，包括紫外熒光分析以發現發黴的咖啡豆，以及三色對映以生成每批咖啡豆的顏色指紋（黃綠色、紅色和紅外線）。在 illycaffè，與英國 Sortex 公司合作開發的雙色分揀系統被用作烘焙前的最後一道控制程式。當咖啡豆落入料倉時，光電 CCD 攝像頭會檢測到次品，併發出訊號，透過空氣噴嘴將它們單獨剔除。分揀操作的速度是人手無法比擬的（一臺 64 通道的機器每秒可分揀 22,000 顆咖啡豆），精度甚至超過了訓練有素的眼睛。
一顆完美的成熟綠咖啡豆由細胞組成，這些細胞具有異常厚的細胞壁：高達 7 微米，這在植物界是一個例外。在烘焙過程中，這些直徑為 30 至 40 微米的細胞充當微小的反應器，其中發生了所有關鍵的熱驅動化學反應，這些反應產生了咖啡誘人的味道和香味。未成熟咖啡豆的細胞壁較薄。未成熟的咖啡豆也缺乏在成熟過程的最後階段形成的重要芳香前體蛋白質。發酵咖啡豆由細胞組成，這些細胞中的關鍵成分已被黴菌或細菌清空。
烘焙的科學
烘焙是一個熱解（熱驅動）過程，大大增加了咖啡的化學複雜性。綠咖啡的香氣包含約 250 種不同的揮發性分子種類，而烘焙咖啡則產生 1,000 多種。
當經受烘焙機（基本上是一個巨大的、熱的、旋轉的圓筒）的分階段加熱時，每個細胞內的殘留水沸騰成蒸汽，從而促進了玉米糖、蛋白質、脂質和礦物質之間各種複雜的化學反應。在 185 至 240 攝氏度的高溫下，糖與氨基酸、肽和蛋白質結合，遵循眾所周知的過程，如焦糖化和美拉德反應。最終產物是棕色的、苦樂參半的糖基胺和類黑素——它們產生了咖啡的主要味道——以及二氧化碳。
與此同時，湧現出各種各樣的較輕的香氣化合物；這些揮發性分子賦予了咖啡熟悉的香味。隨著蒸汽和二氧化碳試圖逸出，但被厚厚的、幾乎不可滲透的細胞壁和一層薄薄的油膜密封，每個細胞內的壓力增加到 20 至 25 個大氣壓。一些細胞最終破裂，產生烘焙咖啡特有的爆裂聲。烘焙使咖啡豆的體積增加一半或更多，並使其質量減少五分之一。
根據應用的溫度和程式，烘焙過程可以持續 90 秒到 40 分鐘。傳統的持續時間為 12 分鐘。細胞內反應的熱力學根據烘焙時間而異，最終結果也隨之不同。較短的烘焙時間需要大量的熱能，最大限度地減少了重量損失，但由於多酚的存在，使咖啡具有金屬苦味，而多酚沒有足夠的時間進行適當的反應。較長的烘焙時間，通常用於較貧窮的國家，在這些國家，許多消費者只能負擔得起低價的次品咖啡豆，迫使所有異味和香味離開咖啡豆。可悲的是，理想的味道和香氣也隨之消失，產生一杯相當苦澀的咖啡。
最終烘焙溫度越高，香氣就越不理想，苦味也越濃。相反，較低的烘焙溫度無法充分釋放出令人愉悅的香氣，酸度往往會凸顯出來。
獨一無二的香氣
香氣科學非常複雜。研究人員通常透過氣相色譜法結合嗅覺測定法來分析咖啡豆烘焙過程中釋放的香味，其中熟練的測試人員嗅探並定義每種可識別元素的味道。然後經常應用質譜法來鑑定每種氣味的化學成分。嗅聞透過氣相色譜法分離出的烘焙咖啡香氣是一種令人大開眼界的體驗：人們可能會識別出玫瑰、大吉嶺茶、巧克力、香草和紫羅蘭的香氣，以及松露、湯、乳酪、汗液，甚至被稱為貓尿味的香氣，如果稀釋，聞起來像長相思白葡萄酒，但在濃縮樣品中則令人作嘔。
在 illycaffè，技術人員專注於最強烈的氣味物質。想象一下，聽一段 800 人合唱團的錄音，其中包括傑西·諾曼、盧西亞諾·帕瓦羅蒂和其他幾位傾向於主導合唱團的獨唱大師的強勁獨唱。如果降低迴放音量，即使合唱團的聲音逐漸消失，仍然可以識別出較強的聲音。稀釋咖啡的香氣是類似的；超過一定程度，只能感知到最強的化合物。不幸的是，咖啡樣品氣味中最強大的分子是那些來自次品咖啡豆的分子。
諸如丁酸乙酯和乙醇酸乙酯之類的分子，它們是未成熟咖啡豆難聞氣味的罪魁禍首，它們的存在會毀掉一杯咖啡。同樣，甲基異冰片醇和三氯苯甲醚 (TCA) 分子會產生羅布斯塔咖啡特有的泥土味和化學氣味。TCA 也被稱為里約熱內盧味道，因為它最初是在里約熱內盧周圍種植的咖啡中發現的，在瓶塞汙染的葡萄酒中也可以找到。人類嗅覺系統對其的感知閾值低得令人震驚——每毫升六百萬分之一的十億分之一克。
萃取咖啡液
將烘焙咖啡豆轉化為一杯意式濃縮咖啡的下一個主要步驟是用熱水萃取烘焙和研磨咖啡中的活性成分。然而，在製作普通滴濾咖啡時，熱水和咖啡粉的相互作用與製作意式濃縮咖啡時略有不同。
當製備過濾滴濾咖啡時，熱水會通過鬆散聚集的中等大小的咖啡粉。在與沸水接觸的四到六分鐘內，烘焙咖啡中存在的大多數可溶性物質會溶解到溶液中。因此，大量的易溶性酸和咖啡因會溶解到杯中。相比之下，意式濃縮咖啡的滲透時間要短得多，因此溶解到咖啡液中的酸較少，咖啡因也只有 60% 到 70%。
沖泡意式濃縮咖啡需要專門的裝置，可以將水加熱到 92 至 94 攝氏度的溫度，並加壓至 9 個大氣壓。將研磨成細至中等粗細的咖啡粉放入帶孔的濾碗中並用力壓實，以形成壓實的顆粒床。壓縮的咖啡粉由於薄薄的一層油的塗層而相互粘附，油的粘度與蜂蜜相當。油將顆粒粘合在一起，形成一個由微小氣道組成的凝結迷宮。實驗表明，這種咖啡粉床的水力阻力必須略小於蒸汽熱水萃取的壓力，使其以每秒約一毫升的速度流過。
一位熟練的咖啡師（咖啡吧技師）使用推薦的 30 秒滲透時間，可以製作出約 30 毫升濃稠的咖啡液，上面覆蓋著最重要的咖啡脂。如果泡沫頂部的顏色淺，則表示意式濃縮咖啡萃取不足，可能是因為咖啡粉磨得太粗、水溫太低或時間太短。如果咖啡脂的色調非常暗，並且中間有一個“孔”，則很可能是咖啡粉的粗細度太細或咖啡粉的量太大。過度萃取的意式濃縮咖啡要麼呈現白色泡沫，如果水溫過高則泡沫中含有大氣泡，要麼如果沖泡時間過長則杯子中心只有一個白點。
滲透過程還會沖洗掉咖啡粉表面存在的成分，包括充滿香氣的油和細胞結構碎片。意式濃縮咖啡機產生的高壓乳化了少量油，大約一杯 0.1 克。咖啡粉中的完整細胞產生精細的起泡，這種起泡來源於透過細胞壁中微小孔隙的氣體（尤其是二氧化碳）。一些非常細的咖啡粉也可能進入飲料中，以及細胞壁碎片，這些碎片賦予泡沫狀咖啡脂所謂的虎皮外觀。
最終結果是一個多相膠體系統，其中水分子與分散的氣泡、油滴和固體碎片結合，所有這些的尺寸都小於 5 微米。分散體的膠體特性使飲料具有高醇厚度、高粘度和低表面張力。因此，意式濃縮咖啡明顯地覆蓋了我們的舌頭，並繼續釋放溶解在乳化油中的芳香揮發物，只要它仍然存在於那裡。這些油性風味/香味載體意味著，一杯好意式濃縮咖啡的美味和香氣可以在飲用後長達 20 分鐘內細細品味。幸運的是，飲用者無需瞭解咖啡的複雜化學成分即可享受它。
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