天文學家的咖啡物理學：以全新視角剖析研磨、攪動、滲濾、萃取， 如何影響咖啡沖煮表現，完美重現理想成果

咖啡教父史考特．拉奧（Scott Rao）唯一認證推薦： 「這是咖啡沖煮史上，最重要且實用的科學貢獻！」 【特別收錄】史考特．拉奧推薦專序 　　現役天文物理學家費時兩年、蒐集千次沖煮大數據， 　　以物理科學角度，精準剖析研磨、攪動、滲濾、萃取等變因，如何影響咖啡表現。 　　本書作者強納森．蓋聶（Jonathan Gagné）是加拿大天文物理學家； 　　現為蒙特婁力拓天文館（Planetarium Rio Tinto Alcan）的研究員， 　　也是蒙特婁大學的副教授，專門研究褐矮星、系外行星和太陽附近的年輕恆星。 　　他對咖啡研究懷抱無比熱情，至今仍持續在個人部落格上， 　　撰寫各種關於咖啡沖煮技術的文章，並提出多種全新詮釋。 　　★咖啡沖煮是複雜驚人的黑魔法？物理學都有答案！ 　　咖啡沖煮有多大學問？套句強納森．蓋聶自己說的： 　　「咖啡沖煮複雜得驚人，我的預料常常失準；在我眼中，這一切好似黑魔法。」 　　為此，強納森本著學者精神持續嘗試， 　　儘管經常目睹相同現象存在矛盾解釋，但其中仍有科學性的物理邏輯可循。 　　當他在咖啡沖煮方面習得更多知識後，便漸漸意識到： 　　各種最受歡迎的工具與方法，幾乎都是在隨機探索之下發現的。例如： 　　►萃取率明明落在19～20%，咖啡煮出來還是好難喝？其實，要看「平均萃取量」才準！ 　　►計算平均萃取量，先搞懂滯水率；你知道嗎？V60濾杯的滯水率往往被低估！ 　　►一般起皺和側面打褶濾紙哪個厲害？選棕色還是漂白過的好？為什麼？ 　　►滲濾時的滲透率、滴率等，達西定律都能解釋；它能告訴你，哪款濾紙最適合你。 　　►手沖注水壺攪動咖啡漿會造成多少擾動？有最理想數據嗎？答案得從水力發電大壩找？ 　　►咖啡粉粒徑分布竟有應用程式可測？個人化沖煮用水怎麼調配？獨家收錄免費連結！ 　　►獨家實測7款濾杯，優勢劣勢報你知！猜猜天文學家最滿意的是哪一款？ 　　►首度曝光！6款熱門咖啡豆、2種常見處理法，風味輪終極測試結果大公開！ 　　★咖啡教父史考特．拉奧：「連我都得向他討教！」 　　本書為「對於咖啡沖煮有著完美主義」的強納森．蓋聶，費時兩年研究的心血結晶。 　　旨在以天文物理學的角度，理解並得以掌握滲濾咖啡的各種奧祕。 　　他在書裡所分享的每個觀點，皆來自於各種與沖煮過程相關的科學論文、 　　無數場實作驗證，以及他嚴密精確地操作、蒐集整理後的上千次沖煮大數據。 　　對於同樣熱愛沖煮、懷抱理想的咖啡痴人而言，此書絕對是最適合的專業指南。 　　強納森對於咖啡沖煮的研究與成果，就連世界級咖啡教父史考特．拉奧都忍不住驚嘆： 　　「我倆在一場咖啡研討會上相遇。最初是他不斷向我提問，但相識一年後， 　　他不再向我問問題了，而是反過來，我突然有了許多問題想向他討教。」 　　史考特．拉奧更盛讚： 　　「《天文學家的咖啡物理學》是咖啡沖煮史上最重要且最為實用的科學貢獻。 　　對每一位認真的咖啡師而言，這絕對是一本必讀書籍。」 　　天文物理阿宅╳專業咖啡沖煮，最強科研新品種初誕生！ 　　徹底顛覆既有認知，專業萃取不再神祕！ 本書特色 　　◎咖啡教父史考特．拉奧唯一認證推薦：「這是咖啡沖煮史上，最重要且實用的科學貢獻！」 　　◎首度以物理學角度，精準剖析研磨、滲濾、器具、攪動等變因，如何影響咖啡表現。 　　◎物理零基礎、數學爛到爆也能讀懂！若看完滿頭問號沒關係，作者說絕對是他寫得不夠好！

　　2020年外媒評鑑臺灣最佳咖啡館mojocoffee創辦兼主理人、咖啡講師／陳俞嘉Scott Pasuya 　　專業審訂 　　Aura微光咖啡負責人、美國精品咖啡協會杯測師Q-Grader／余知奇 　　世界最佳咖啡館Simple Kaffa興波咖啡共同創辦人、2016世界咖啡師大賽冠軍／吳則霖 　　GABEE.創辦人、首屆世界咖啡大師比賽臺灣冠軍／林東源 　　9Bar Coffee主理人、咖啡師的咖啡師／陳秉超 　　維堤咖啡學苑執行長／楊明勳（Frank） 　　虎記商行／寧波東街小霸王 　　WCE世界咖啡杯測師大賽世界冠軍、WCE世界咖啡沖煮大賽臺灣冠軍＆世界第四／劉邦禹 　　《咖啡學》系列作者／韓懷宗 　　專業推薦

推薦序／咖啡沖煮史上最重要且實用的科學貢獻 審訂者的話／徹底顛覆，不再神祕 前言／物理阿宅出頭天 本書簡介 專有名詞 CHAPTER 1 萃取 1.1 平均萃取量 1.2 平流與擴散 1.3 粒徑 1.4 溫度 1.5 浸泡與滲濾 1.6 滯水率 1.7 計算萃取量 CHAPTER 2 水 2.1 水與溶解 2.2 總鹼度 2.3 總硬度 2.4 永久與暫時硬度 2.5 製作沖煮水的原料 2.6 如何取得純水 2.7 製作濃縮液 2.8 沖煮用水配方實例 2.9 創造新的沖煮水配方 2.10 測量沖煮水特性 CHAPTER 3 研磨 3.1 粒徑分布 3.2 斷裂力學 3.3 磨盤幾何 3.4 磨盤校準 3.5 轉速 3.6 磨損與過豆 3.7 咖啡豆性質 3.8 熱能管理 3.9 靜電與結塊 3.10 過篩 3.11 熟豆與磨盤 3.12 磨豆機殘粉 3.13 顆粒形狀 CHAPTER 4 滲濾 4.1 達西定律 4.2 總沖煮時間 4.3 預浸潤 4.4 細粉遷移 4.5 均勻水流 4.6 拍打與振動 CHAPTER 5 濾紙 5.1 咖啡粉層的自我過濾 5.2 流速 5.3 過濾作用 5.4 負荷容量與阻塞 5.5 濕強度 5.6 材質 CHAPTER 6手沖壺與攪動 6.1 茶壺效應 6.2 崩解長度 6.3 攪動 6.4 水流對咖啡漿的影響 6.5 絕熱 CHAPTER 7 濾杯 7.1 有效過濾表面 7.2 幾何 7.3 水流與水流繞道 7.4 隔熱 7.5 濾杯與下壺的密封狀態 7.6 各種濾杯實測 CHAPTER 8 新鮮度 8.1 二氧化碳 8.2 香氣 8.3 咖啡油脂 8.4 咖啡豆新鮮度的敵人 8.5 儲存方式 CHAPTER 9 烘焙、產地、品種與處理 9.1 研磨、水阻率與阻塞 9.2 有效可溶物質 9.3 風味呈現 CHAPTER 10 技術與實際應用 10.1 一致性 10.2 萃取均勻度 10.3 V60濾杯沖煮法之範例 10.4 Stagg X濾杯沖煮法之改良版 CHAPTER 11 器材與數據 11.1 粒徑應用程式 11.2 沖煮過程的重量紀錄 11.3 測量咖啡漿溫度 11.4 測量烘焙顏色 11.5 分析濾紙孔隙 附錄1 數學變數 附錄2 各式計算 參考資料

推薦序 咖啡沖煮史上最重要且實用的科學貢獻 　　我在2019年結識天文物理學家強納森．蓋聶，他來參加我的咖啡烘焙研討會。課堂結束後，強納森請我示範一下手沖咖啡的過程，我便現場實作了一杯給他，強納森看完後道了謝；此後我倆便透過 WhatsApp聯繫。 　　隔年，發生了一件令人印象深刻的事：強納森不僅完美地記得每一個我當下解釋過的細節，他還進一步發展出更精確的方法，把從我這裡學到的手沖技巧變得更科學。首先，他在家裡廚房手沖咖啡桌旁的牆邊放了一把尺，好讓手沖壺始終維持在相同高度。接著，他為沖煮過程添加了第二個電子秤，即時記錄手沖速率的數據，以保持水流穩定一致。強納森為他的磨豆機與手沖壺升級，並發明了一個可測量咖啡粉粒徑分布的應用程式，更不得了的是，在這一年之間，他還吸收了極多關於研磨與沖煮方面的知識。 　　然後，他不再向我問問題了，而是反過來，我突然有了許多問題想向他討教。那次見面的一年之後，強納森對我說，自己正在為撰寫一本關於咖啡沖煮物理學的書進行各種研究；他開始著手記錄上千次手沖的相關數據（他每次沖煮時所展現的嚴密與精確，我敢說沒有一間咖啡館能夠複製）；同一時間，他也閱讀了各式各樣，與沖煮過程主題相關的無數篇科學論文。 　　例如，我們曾一起討論過手沖過程理想的手沖壺高度，以及手沖所掀起的理想擾動量。為了理解手沖壺的一道注水如何攪動咖啡漿（slurry），強納森甚至一頭鑽進那些討論核子反應爐內擾動狀況的文章，顯然該領域可能有最多相關資訊。我懷疑這個世上可能找不出第二個人能像他這樣，想出兩者之間可能存在這樣的連結了。 　　強納森對咖啡沖煮的著迷與種種研究的成果，就是各位手中的這本《天文學家的咖啡物理學》（The Physics of Filter Coffee）。強納森在這本書裡，為咖啡沖煮這門學問注入各種經傑出研究的「真實科學」，並讓我們看見許多關於沖煮的新知與創新。強納森更在書中清晰地解釋了研磨過程的破裂機制、粒徑分布、擾動、滲濾機制、濾杯形狀與濾紙設計等。 　　我相信，《天文學家的咖啡物理學》是咖啡沖煮史上最重要且最為實用的科學貢獻。對每位認真的咖啡師而言，這絕對是一本必讀書籍。 史考特．拉奧（Scott Rao） 2022年4月2日 寫於美國麻州北安普敦（Northampton） 　　（本文作者史考特．拉奧為全球三大咖啡權威之一，擁有且經營數家咖啡館，並自1994年起進行咖啡烘焙。拉奧除了撰寫眾多咖啡書籍，也擔任咖啡烘焙與咖啡館開業的專業顧問。他私底下其實喜歡茶多過於咖啡。已在臺出版：《義式咖啡的萃取科學》、《咖啡教父史考特烘豆實作聖經》、《咖啡沖煮的科學》、《咖啡烘豆的科學》、《咖啡生豆的採購科學》［合著］。） 審訂者的話 徹底顛覆，不再神祕 　　方言文化已持續在咖啡科普的選題上推出了眾多著作，其中咖啡教父史考特．拉奧系列共有四本（我也有幸受邀替其中三本撰寫推薦文），對中文閱讀世界的咖啡產業，有著極為強大的影響力。而現在各位手上的這本，則為史考特．拉奧唯一認證推薦的咖啡專書：由強納森．蓋聶撰寫的《天文學家的咖啡物理學》。 　　此書的英文原版甫上市時，我便在第一時間於網路上購入，同時也為書中超大量的資訊內容感到興奮。當方言文化找我替本書審訂時，我更是開心能為臺灣的咖啡專業知識類型書籍盡一份力。我迄今已在專業咖啡教育市場教學多年，也是臺灣早期相當活躍的 SCAA Gold Techician 發證講師。因此我比誰都清楚，這本書裡所寫的每一個字，都足以顛覆在以往被視為神祕學的咖啡萃取；也能確切讓咖啡從業人員與愛好者，更理性地理解咖啡萃取的過程。 　　以往我只是負責推薦，這回身分轉換為審訂者，心情自然戒慎恐懼。坦白說，當初手邊只有英文版本時，確實是滿令人抗拒的，畢竟每隔幾頁就出現一大串方程式推導，很難不產生壓力。同時我也不只一次地自忖：並非物理系出身的我，究竟何德何能審定一本天文學家撰寫的咖啡物理學？但實際閱讀下來，尤其比對了中文譯稿之後，那些複雜難解的方程式，似乎不再那麼面目可憎了。在此向讀者透露一個小祕訣：如果你真的對那些物理公式沒興趣，直接跳過也無妨，直接讀作者的結論與觀點，便足以讓你有效率地重建咖啡沖煮的科學架構。 　　咖啡產業看似蓬勃，但不論是實體出版或網路文章，關乎咖啡萃取的讀物與資訊，幾乎都是以英文書寫為主流。因應精品咖啡的沖煮與手法的創新，為了精準描述，寫作者創造了大量的術語。這些術語，光看字面或許容易理解，但要翻譯成俐落的中文，其實相當需要巧思。 　　以史考特．拉奧的四本專書為例，從咖啡烘焙、咖啡沖煮、烘豆實作到義式萃取，系列譯者魏嘉儀小姐及審訂者余知奇先生，都已克服了專業術語的挑戰，為其找到（或創造）生動的中譯對應詞彙。若要問這本《天文學家的咖啡物理學》何以能順利且流暢地被翻譯出來，拉奧四本著作所累積的翻譯能量，絕對功不可沒。 　　假如四本史考特．拉奧的作品你都有追，那麼你不難發現，蓋聶與拉奧兩位作者使用的專有名詞，都有一致性的中文譯法，閱讀起來既親切又熟悉，無需在不同的翻譯名詞中轉換、猜測。例如，大家熟知的泡發（bloom）、水流繞道（bypass）、流降（drawdown）、咖啡漿（slurry）、旋轉濾杯（swirl）等，在本書中皆亦被沿用。更值得一提的是，假如你覺得史考特．拉奧的書已經夠「科研」（科學研究）了，那這本《天文學家的咖啡物理學》，絕對會讓你大呼：「喔我錯了，這才叫科研！」然而，與其說「更科研」，不如說這是一本「更理性」的科學工具書。蓋聶將人們在咖啡萃取過程中會碰上的大小事，以最為理科的方式一次說清楚、講明白。 　　承繼了前四本史考特．拉奧作品的翻譯福澤，我擔任審訂者的「除錯」任務確實輕鬆了不少。蓋聶用了非常深入淺出的方式，以最平易近人的口吻解釋了物理公式的意義，以及咖啡沖煮過程中的種種物理現象。我突然發現，一些以前在教學時曾說明過的現象， 現在我能以更精確的語言講解給學員聽了。 　　以下和大家分享幾個我印象深刻的段落。過去，在說明「理想萃取」的教學課程裡，都必須提到「時間、溫度、與擾流」。這時講師們會用各自獨到的眼光結合自身經驗，教導學員挑選水壺與正確控水。不過這部分往往牽涉到太多個人感受，教學時難免有終隔一層的感覺。但當你讀到本書第六章〈手沖壺與攪動〉時，身為天文學家的蓋聶從壺嘴的噴塗材質與造型規格破題，藉此分析如何避免「茶壺效應」的產生；後續更從浪漫如木星表面絢麗的雲紋，探討「瑞利—泰勒不穩定性」（Rayleigh-Taylor instability）的生成原因，最終延伸至手沖壺水柱所製造出來的擾流現象。 　　書中第五章則特別著墨於濾紙。大部分科普類書籍，對濾紙角色的說明基本上非常粗淺，頂多告訴你濾紙在咖啡萃取過程裡，扮演著將咖啡粉渣與咖啡液分離的工作，好讓我們獲得一杯乾淨的濾沖咖啡（filter-coffee）。但事實上，濾紙在沖煮過程可能會被細粉阻塞；當濾紙逐漸被細粉阻塞後，又是如何左右沖煮水的滲透率、影響萃取品質的？以上情形或許我們可以自己腦補出來，但蓋聶在書中用了著名的達西定律（Darcy’s Law）說明，並將此定律逐步發展、變形，慢慢推導出屬於濾紙過濾的簡化方程式，最後再告訴你：哪款濾紙最適合你！ 　　我十分享受審訂這本書的過程，雖然壓力頗大，但有機會搶先閱讀這本書的中文版，也是一種幸運。希望大家也能在閱讀的過程中，和我一樣徹底顛覆既有認知、再次點燃對咖啡萃取的熱情、從此不再神祕！ 　　（本文作者陳俞嘉，人稱Scott Pasuya。逢甲大學工業工程學系畢業，於2003年創立mojocoffee，開始對精品咖啡的探索。店內大小咖啡事樣樣經手，但也因此更堅持貫徹以科學邏輯的方式，來讓咖啡沖煮與烘焙知識具傳遞性。持續擔任生豆公司採購顧問，以及臺灣各級生豆評鑑裁判，致力推廣國內外好咖啡。）

▍平均萃取量 咖啡沖煮最實用的概念之一，就是平均萃取量，代表萃取與溶解進入咖啡中的乾燥咖啡粉重量比例。咖啡豆中有很大比例的物質並不溶於水，例如微觀等級中組成咖啡細胞壁的纖維素（cellulose）就無法在水中溶解。因此，一般而言，在標準沖煮法（de Maria et al. 1994; Ellero and Navarini 2019）中，只有咖啡豆總量30～32%的物質能夠被真正萃取出來；也正是因為如此，咖啡平均萃取量有了最高值的上限。 為何稱之為「平均萃取量」，而非「萃取量／萃取率」（萃取量與萃取率同義，以下統稱萃取量）？因為每個咖啡細胞的萃取程度通常都不相同。杯中的咖啡很可能同時包含一些萃取不足及一些高度萃取的細胞可溶物，再加上萃取程度介於中間的可溶物；各種萃取程度的平均值即平均萃取量。平均萃取量的概念與濃度不同。一杯咖啡的濃度不僅僅取決於你從乾燥咖啡粉萃取出的物質量（也就是平均萃取量），也與稀釋時使用了多少水有關。 透過多次實驗與大眾感官數據的蒐集，咖啡沖煮研究中心與隨後的挪威咖啡協會（Norwegian Coffee Association），在咖啡沖煮控制表上劃分出一致的理想風味區間，似乎就是絕大多數咖啡飲者偏好的風味（Lingle 1996）。平均萃取量低於18%被視為萃取不足，並產生較不討喜的風味，例如青草與花生；而超過22%則是過度萃取，則會出現苦味與澀味（astringency）。自這些早期的研究發展之後，我們已更清楚知道理想平均萃取量會強烈地受到以下各種因素影響，例如烘焙（Rao 2014）、磨豆機的表現（Rao 2018）、沖煮方式、生豆品質以及個人主觀偏好等。各位請先記得，由於近期烘焙、種植與磨豆機等方面的品質都有所提升，典型的理想平均萃取量已經稍稍調升了一些。 雖然並未經過具統計意義的普查分析，但低於19%的平均萃取量如今已較不常被視為「理想偏好」，部分咖啡界具影響力的人士甚至表示，他們比較偏好平均萃取量高於22%的咖啡。只有在極少數的情況下，我個人會偏好沖煮出平均萃取量高於23.5%的咖啡；即使選用高品質的磨豆機，生豆與烘焙狀態依舊扮演影響平均萃取量理想區間相當重要的角色。有趣的是，平均萃取量的偏好往往並非線性，例如拉奧（2016）曾表示，平均萃取量在15%附近似乎有一塊理想偏好區間；接下來是大多數人不太喜歡的15～18%，然後還有另一群人偏好18%以上。 平均萃取量之所以如此實用，主要是因為它對於咖啡風味特徵的影響很大。為何會如此？大家首先要知道，咖啡細胞內含有大量獨特的化合物，這些性質各異的物質共同構建了咖啡風味的感官體驗。然而，它們並不會以相同的速率被萃取出來。有的化合物很快就被萃取；有的則相當緩慢，因此，一杯平均萃取量超過28%的咖啡，裡頭將含有幾乎所有咖啡豆中的可溶物質。不過，一般來說，什麼物質都有並不是好事，因為某些較慢萃取出的物質嘗起來會硬澀、苦與／或帶金屬味，並使舌頭出現一種澀感。相對於此當咖啡的平均萃取量落在大約15%，則會摒除許多有趣的化合物，甜感與複雜度也較低。 ▍滯水率 要計算一杯咖啡的平均萃取量，就必須先了解究竟何謂滯水率（liquid retained ratio, LRR），這點相當重要。就直覺而言，人們會覺得沖煮結束之後，咖啡粉層的重量應該會稍稍減輕，因為會有一部分物質已被萃取進入咖啡中。不過，沖煮後的咖啡粉層重量，會受到另一個更重要的因素影響：咖啡粉會留著頗為可觀的水量—通常會是乾燥咖啡粉重的兩倍。一部分源自完整咖啡細胞吸收的一些水分，另外還有許多水分因為表面張力（surface tension）而困在咖啡粉顆粒之間。 表面張力的現象，源自於水會傾向於讓暴露於空氣的表面積最小化；表面張力也是水滴形成的原因。大家應該都看過水滴困在細管或滴管的小空間，除非壓力差大到足以提供逃脫的力道。咖啡粉顆粒間的狹小空間就類似滴管：若缺乏迫使水分被擠出來的力量，就會有部分水分始終困於其中。 滯水率的定義通常是：殘餘在咖啡粉層的水分總重量，除以沖煮前乾燥咖啡粉的重量。一般以V60濾杯製作的咖啡（水粉比例1：17的咖啡之滯水率約為2.2），若以第一道計算滯水率近似值的方程式來看，被低估的滯水率幅度可能高達10%。 ▍水流對咖啡漿的影響 研究水流如何影響「一池」（a pool）靜態水（即咖啡漿），對於了解該如何控制攪動相當重要。該對咖啡漿投注多少擾流的關鍵，就是水流在碰觸到咖啡漿表面時的形狀——尤其是它的不規則形狀。一道手沖壺注入的平順水流會幾乎不受干擾地直接穿入咖啡漿，並創造一道僅產生小小擾流並能直探深處的強力水流。