2023商用净水白皮书-水及其对咖啡和意式浓缩中酸度的影响

想象一下：您的连锁酒店早餐团队为用餐客人提供美味咖啡，风味既完美又平衡；其漂亮的 水果酸质令咖啡风味欢欣愉悦、余韵微妙悠长。然而，酒店的其他门店却常常因为欠佳的咖啡质量而收到客诉⸺尽管他们所用的咖啡豆和制作方式完全相同。当中是水果酸质发生了什么变化吗？又是什么因素导致咖啡体现出苦涩和强烈的烘焙味？ 一杯优质美味的咖啡在各种感官因素方面都能达到良好的平衡，如酸度、苦味、甜感、香气和余韵。其中任意一个因素的改变都可能会影响到我们对于其他的感知。例如，缺少酸度可能会导致咖啡的苦味和烘焙味更为突出，甚至会掩盖其他风味。大多数人不太喜欢这种风味。 想要降低水中碳酸氢根的含量、增加咖啡酸度更简便的方法，就是使用含有质子（H+）的离子交换树脂 净 水 系 统（脱 碳 滤 芯）。（此 外，使 用 合 适 的 净 水系统能减少水垢生成、避免损坏咖啡设备和故障停机造成的昂贵维修费用。） 本文对此进行了探讨并得出了非常相符的答案。 很多未经专业感官训练的行外人士形容一杯咖啡的味道为“闷、淡、涩、浓重、有土味”，原因很可能是这杯咖啡缺少酸度【1】。 碧然德自1966年以来一直致力于改善饮用水品质。我们根据公司内部丰富的研究经验提出我们的产品建议方案⸺基于当地的自来水情况为客户量身定制，使客户能享受到更好的咖啡用水。 水中的碳酸氢根成分（有时也称为缓冲或碱度）会影响咖啡中能被感知的酸度。碳酸氢根与咖啡的酸会发生反应，将其转化为无酸味的物质⸺也就是说，水中的碳酸氢根越多，咖啡的酸度就越低。 打开课本，我们会发现水是被这样定义的：由两个氢原子和一个氧原子组成的分子化合物（H2O）。然而纯水在自然界中基本不存在 。这是因为被称为万能溶剂的水可以溶解很多种物质 。当降雨渗入地面后，会吸收其他的原子和分子。因此，我们见到的水（例如，海洋、湖泊、河流、地下水、自来水）含有各种类型的物质；而水的具体成分则因地而异。 我们在水中发现的物质包括离子，即带有正电荷或负电荷的原子，通俗的说法就是矿物质。水的成分中常见的带正电荷的离子（阳离子）有钙、镁、钠和钾。常见的带负电荷的离子（阴离子）有碳酸氢根、硫酸根、硝酸根和氯离子（见图表1）。 水的成分中某些特定离子的浓度被称为硬度，包括多种类型：钙离子和镁离子与水中碳酸氢根反应形成了碳酸盐硬度。钙离子和镁离子与水中硫酸根、硝酸根或氯离子反应形成了永久硬度。总硬度是水中钙和镁的总含量，也就是碳酸盐硬度和永久硬度的总和。 小知识 加热时（启动化学反应所需能量）碳酸盐硬度会产生水垢，而永久硬度会造成石灰质沉积。 一般来说，缓冲是阻止或减缓各种影响的能力。化学中的缓冲剂本质上是一种能够抵抗pH变化的水性溶液。缓冲剂是关键：这些物质呈弱酸性或弱碱性，当我们往溶液里额外添加酸性或碱性，缓冲剂都能减少过程中的影响，从而保持相对稳定的pH值。我们会在第三部分的两种情况下，看到碳酸氢根如何作为缓冲剂发挥其作用，及其对咖啡的酸度会产生什么样的影响。 现在我们已经理解水成分的多样性，以及这些成分能够改变水的特性。想要理解咖啡的酸度（酸度形成的原因，以及增强或减弱酸度所需的反应）我们先要看一下这几个术语。 pH值是标明水溶液酸碱性的指标。pH值小于7的溶液称为酸性溶液 。pH值等于7 的为中性溶液。pH值大于7的为碱性溶液。p H 值 反 映 出带 正 电 荷（+）的 氢 离 子（H）【也 被 称为质子（H+）】数量。质子越多，pH值越低，因此溶液的酸性越强。质子越少，pH值越高，则溶液的碱性就越强。 注|水中的各种物质均会影响到pH值。然而，仅测量pH值并不能显示水的组成成分。因此，pH值不能用于推断咖啡的口味。 小知识 pH值的定义为：质子浓度十进制数的负对数 。也就是说：10-1mol/L H+=0.1 mol/L H+=pH110-14 mol/L H+=0.00000000000001mol/L H+=pH14这就能解释为什么H+含量越高的溶液pH值越低 。 一个氢原子（H）、一个碳原子（C）和三个氧原子（3O）能组成带负电荷（-）的化合物碳酸氢根3（HCO3）。这种原子组合物也被称为缓冲能力或碱度。- 然而在极少数情况下，一些未经过滤的自来水中，碳酸氢根含量超出能与之结合的钙和镁离子含量⸺换言之，碳酸氢根的含量可能会超过碳酸盐硬度（见图表3）。 99%未经过滤的自来水中，碳酸氢根的含量决定水中碳酸盐硬度的最大值4。 因此，当我们讨论某种特定的水对咖啡酸度产生潜在影响时，我们应当参考缓冲能力、碱度或碳酸氢根的含量，而非碳酸盐硬度。 阳离子 阳离子 钙（Ca）镁（Mg）钠（Na），钾（K）2+2+++ 从 广 义 上 来 说，酸 是 一 种 可 以 提 供（即 为 反 应提 供）质 子（H+）的 化 合 物 。当 我 们 在 含 有 碳 酸氢 根（H CO3）的 弱 碱 性 水 溶 液【如 碳 酸 氢 钠（N a H CO3）】中，添 加 强 酸（如 盐 酸、H C l），则 碳酸氢根会作为碱与（强）酸发生反应：接受它们所提供的质子（H+）并形成碳酸5。- 咖啡粉含有大量能影响到其风味的物质。其中 包括弱酸，例如，柠檬酸能激发出咖啡特有的酸度[2]。咖啡豆的类型、咖啡的制备方法以及所用到的水都是影响因素。说到水，最关键的是：碳酸氢根的比例会影响到咖啡的酸度[1,2]。碳酸氢根会与咖啡酸质发生反应，将其转化为无酸味的物质。咖啡酸质的中和效果对于咖啡整体酸度的影响，取决于水中碳酸氢根的比例以及能与其发生反应的咖啡酸质的比例。 尽管添加的是强酸（盐酸，HCl），弱碱性（碳酸氢根，HCO3）水溶液的pH值仅会产生轻微的变化，变为弱酸性（碳酸6，H2CO3）。这就是碳酸氢根的缓冲能力产生的作用。- 在深入研究咖啡中所发生的各种反应之前，我们先来细看两个示例情况，这两个情况能相对通俗地解释碳酸氢根的缓冲过程。 总体来说，水中碳酸氢根越多，就越会发生该类反应。这能降低原本酸溶液中游离（非结合）质子的比例，从而提高pH值使强酸性混合物变为弱酸性。 从广义上讲，碱是一种能接受质子（H+）的化合物。当我们在含有碳酸氢根（HCO3）的弱碱性水溶液（例如小苏打/碳酸氢钠，NaHCO3）中添加强碱（如烧碱/氢氧化钠，NaOH）时，碳酸氢根作为酸与（强）碱发生反应（即提供质子；这与情况一的不同之处在于，情况一中的碳酸氢根作为碱，接受质子与强酸发生反应）。- 尽管添加的是强碱（氢氧化钠，NaOH），但水溶液的pH值仅会轻微地发生改变：从弱碱性（碳酸氢钠，NaHCO3）变为中等碱性（碳酸钠，Na2CO3）。这也就是我们说的碳酸氢根的缓冲作用。 总体来说，水中含酸氢根的比例越大，这些反应就越多。这会降低强碱性溶液中游离（非结合）氢氧根（OH-）的总含量，最终让pH值只会略有增高，使 溶 液 最 终 只 是 变 为 中 等 碱 性（ 碳 酸 钠 、Na2CO3）。 更准确的说法应该是弱碱碳酸氢钠（或者说其中的碳酸氢根HCO3）作为酸，提供质子（H+）给到强碱（氢氧化钠、NaOH）中带负电荷的氢氧根（OH）来发生反应，形成碳酸钠（Na2CO3）和水（H2O）。-- 从本质上讲，碳酸氢根是一种合成物⸺能接受额外的质子（情况一），也能提供质子（情况二）。在反应过程中，强酸（或强碱）占主导地位时，迫使碳酸氢根发挥其单独作为碱（或酸）的作用。对总酸性或碱性的“中和”效果取决于水中碳酸氢根与原有酸性或碱性的比例。 上述两种情况下的化学过程都被称为缓冲过程，因为碳酸氢根可以作为碱来降低酸的酸性，也可以作为酸来降低碱的碱性⸺两种情况下均能稳定pH值[3]。 小知识 “酸”这个术语用于描述两种不同的现象。化学中，酸描述为酸性物质能释放的质子数量。而感官角度中的酸度或酸味是当酸与我们舌头上的味蕾接触时，我们所感知到的味道。通常来说，食物里的酸质会让我们品尝到酸味。然而，如果酸的含量低于人类的味觉阈值，我们就无法尝到酸味。 此外，咖啡通常是用热水制备的。热能提供了启动化学反应的能量，将初始反应中形成的碳酸（H2CO3）分解为水（ H2O）和能挥发[↑]的二氧化碳（CO2）气 体 。碳 酸 氢 根（H CO3）会 转 化 为 二氧化碳，最终味觉能感受到的带酸味的柠檬酸（ H3C6H5O7）就降低了。- 现在，我们能将所了解到的碳酸氢根及其作为缓冲剂的效果应用到咖啡及咖啡的酸度上。用于制备咖啡的含有碳酸氢根的水，作为碱与咖啡豆中的酸发生反应 ⸺ 过程跟碳酸氢根与其他酸性水溶液中的反应方式类似（见情况一）。因此，咖啡中的酸（例如，柠檬酸H3C6H5O7）分解成H+和其余阴离子（带负电荷的离子，如柠檬酸根，（C6H5O7））。由阴离子协助而最终形成的物质（例如柠檬酸钠Na3C6H5O7）在味觉上是感受不到酸度的[1，2，3]。-3 H+=产生酸性pH值的酸性质子 小知识 简而言之:水中的碳酸氢根比例越高，就越能“中和”咖啡酸质；理论上你品尝到的咖啡酸度就越低，反之亦然。“理论上是这样”⸺是因为你对这种效果的味觉感知强度，也取决于咖啡豆的类型或者你味蕾的敏感程度。 现在您已经知道了为什么其他连锁门店的咖啡会缺少精致的水果酸质：他们的水中含有大量碳酸氢根（HCO3），缓冲了咖啡的酸度。换而言之：酒店的水很可能会制作出口味不平衡的咖啡，因为那些水中含有很高的碳酸盐硬度⸺即能与碳酸氢根产生反应的钙和镁离子 。尽管如此，我们是有办法降低水中硬度的。- 碳酸氢根比例对一杯咖啡的影响力是否不仅限于酸度？非常有可能⸺完美的咖啡具备各种感官因素的平衡组合，如酸度、苦味、甜感、各种香气和余韵。其中任意一个因素的改变都可能会影响到我们对于其他因素的感知。例如，当你在酒店的早餐餐厅中喝咖啡时，除了令人愉悦的水果酸质外，你可能还会品尝到一丝苦味。在不同酒店使用相同的咖啡豆时，高比例的碳酸氢根（“硬水”）会缓冲掉大部分的酸，从而让出了更多空间，使得咖啡风味呈现出更为突出和主导的苦味和烘焙味⸺这种味道没多少人喜欢[1，3]。 更简单的方法是使用含有质子的离子交换型净水系统（脱碳过滤器）。它能将质子（H+）与自来水中的钙（Ca2+）和镁（Mg2+）离子进行交换，从而减少其中碳 酸 氢 根（H CO3）的 含 量 ：如情况一所示，自来水中的碳酸氢根会作为碱与净水系统9释放的质子（H+）产生反应。消耗碳酸氢根（HCO3）的反应越多，水缓冲咖啡酸质（我们需要的）的能力就越小。-- 图6：平衡的风味：“恰当”含量的碳酸氢根（HCO3）能使咖啡的酸度、香气、余韵和苦味达到平衡。想要获得“恰当”的碳酸氢根含量，咖啡协会建议使用碳酸盐硬度为2-6°dH（德国硬度）的水进行咖啡制备。虽然碳酸盐硬度在美味咖啡中扮演着重要的角色，但其并不是唯一的影响因素。不平衡的风味：过多或过少的碳酸氢根都会对咖啡的酸度产生负面影响，从而以未知的形式影响到其他风味表现。- [1] M. Colonna-Dashwood and C. H. Hendon, Water for Coffee, 1 ed., Bath: Colonna and Small’s,2015.[2]neruasmaneruäSrenleznielietnAIIX,seeffaKsedneruäS“,reiaM.G.HdnatdrahlegnE.H.UGeschmack,”Zeitschrift für Lebensmittel Untersuchung und Forschung, 第181期, 第206-209页, 1985.[3] M. Dr. Wellinger, S. Dr. Smrke and C. Prof. Dr. Yeretzian, The SCA Water Quality Handbook, 咖啡行业协会, 2018.[4] K. Glandorf and P. Kuhnert, in Handbuch Lebensmittelzusatzstoffe, Behr’s V