用液氮浸漬過(guò)的咖啡豆研磨后的粒度分布更均一？【從粉體工程學(xué)的角度談咖啡研磨】

來(lái)自貴陽(yáng)的鄒旸獲得了今年的CBrC的冠軍（決賽回顧），其中鄒旸在咖啡沖煮的過(guò)程中使用液氮浸漬過(guò)的咖啡豆進(jìn)行研磨，其粒度分布會(huì)更加地均一。原本在常溫下研磨粒徑≥1700微米的粉粒在經(jīng)過(guò)液氮處理之后就幾乎為零，那到底為什么用液氮浸漬過(guò)后研磨的粒徑會(huì)更加均一呢？而之前介紹過(guò)《Water for Coffee》的作者Hendon的一篇關(guān)于咖啡研磨的文獻(xiàn)《The effect of bean origin and temperature on grinding roasted coffee》，我把文獻(xiàn)原文放在了公眾號(hào)，大家感興趣的話(huà)，可以關(guān)注公眾號(hào)后輸入“液氮咖啡”獲取原文。本文分為三個(gè)部分：我們先簡(jiǎn)單地解讀文獻(xiàn)，再?gòu)姆垠w工程學(xué)的角度談咖啡研磨，然后解釋低溫粉碎技術(shù)基本原理。文獻(xiàn)解讀這篇文獻(xiàn)主要分兩個(gè)部分探討咖啡研磨的影響因素，一個(gè)是咖啡的產(chǎn)地、一個(gè)是溫度，我們主要講溫度這一塊。為了探究溫度對(duì)于咖啡研磨的影響，Erol Uman等人采用Mahlk?nig EK43咖啡磨豆機(jī)分別在液氮（-196℃）、干冰（-79℃）、冰箱（-19℃）以及常溫（20℃）這四種不同的溫度下對(duì)咖啡進(jìn)行研磨。然后通過(guò)激光衍射對(duì)粒徑進(jìn)行分析，于是得到了以下a、b、c、d這幾個(gè)圖。我們來(lái)分析上面這幾個(gè)圖。首先是a圖實(shí)線(xiàn)部分表示的是不同溫度下咖啡粉粒度分布?？梢钥吹皆?196℃、-79℃、-19℃下咖啡粉粒度分布相較于20℃更接近高斯分布（Gaussian distribution）。從a圖的粒度分布曲線(xiàn)形狀以及c圖各個(gè)溫度下的偏倚程度，可以看出來(lái)-196℃的咖啡粉粒度分布對(duì)比-79℃、-19℃的更窄一些，粉徑的均一性更好；隨著溫度的升高，可以看到曲線(xiàn)的μ值（平均值）都有不同程度的右移。而a圖的虛線(xiàn)部分表示的是不同溫度下咖啡粉不同的粉徑的相對(duì)表面積的貢獻(xiàn)分布。從b圖看出隨著溫度的升高其曲線(xiàn)模型向非線(xiàn)性變化的趨勢(shì)，也就是說(shuō)在一定范圍內(nèi)，溫度的升高，會(huì)讓粒度分布更分散。從文獻(xiàn)的結(jié)果可以看出，溫度確實(shí)是影響研磨均一性的影響因素，且低溫有助于提高研磨的均一程度。從粉體工程學(xué)的角度談咖啡研磨首先，我們先搞明白什么是粉體工程學(xué)（Powder Engineering）。粉體工程學(xué)是一門(mén)以工業(yè)生產(chǎn)中的粉體（Powder）為研究對(duì)象，研究其在生產(chǎn)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、性質(zhì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)性綜合學(xué)科。其學(xué)科內(nèi)容主要涉及到材料學(xué)（Materials science）、機(jī)械力化學(xué)（Mechanochemistry）、表面化學(xué)（Surface chemistry）、物理化學(xué)（Physical Chemistry）等等基礎(chǔ)學(xué)科。為了幫助大家更好地理解，我會(huì)對(duì)專(zhuān)有名詞做出盡可能簡(jiǎn)單直白的解釋。學(xué)習(xí)就是要不斷革新自己，希望大家能夠耐心閱讀?！?粉體的特性粉體是以顆粒為基本單位組成的顆粒群，從廣義上講粉體顆粒并不局限于固體顆粒，還有液體顆粒以及氣體顆粒。按照粉體顆粒的尺寸大小可以分為：一般顆粒（particle）、微米顆粒（microparticle）、亞微米顆粒（sub-microparticle）、超微米顆粒（ultramicroparticle）以及納米顆粒（nano-particle）。 上下滾動(dòng)查看更多絕大多數(shù)粉體不可能是由同一粒徑的粒子所組成的單分散系統(tǒng)，而是由不同粒度的顆粒組成的多分散系統(tǒng)，因此對(duì)于粉體最重要的粒度特征是平均粒度和粒度的分布。粉體顆粒越小，其相對(duì)表面積越大，其表面自由能也越大，同時(shí)具有了較大的擴(kuò)散系數(shù)。以上就是粉體的基本概念以及其幾何和物理性質(zhì)?！?機(jī)械粉碎法制備咖啡粉體從粉體工程學(xué)的角度看咖啡研磨其實(shí)是機(jī)械粉碎法制備咖啡粉體的過(guò)程?？Х妊心テ鋵?shí)是機(jī)械粉碎法的其中一種方式，機(jī)械粉碎法的方式有擠壓粉碎、沖擊粉碎、摩擦剪切粉碎和劈裂粉碎等。我們常用的無(wú)論是手搖磨豆機(jī)還是電動(dòng)磨豆機(jī)在粉碎機(jī)械中都屬于粉磨機(jī)械（Comminution Machine），排料中粒度小于3mm的含量占總排料量50%以上的機(jī)械稱(chēng)為粉磨機(jī)械。當(dāng)咖啡豆承受外力的作用時(shí)，首先會(huì)發(fā)生彈性變形，這個(gè)時(shí)候其實(shí)咖啡豆還沒(méi)被破壞，當(dāng)變形達(dá)到一定的值之后其應(yīng)力會(huì)增加，因此變形還可以繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到了彈性的極限時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)永久不可逆變形，這時(shí)候咖啡豆進(jìn)入塑性變形的狀態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為屈服（Yield），我們把應(yīng)力達(dá)到彈性的極限時(shí)候的應(yīng)力值稱(chēng)為屈服點(diǎn)（Yield point）。只有當(dāng)突破了塑性變形的極限，咖啡豆才會(huì)被破壞。這就是咖啡研磨粉碎的機(jī)理，也是粉碎的基本機(jī)理。我們對(duì)咖啡研磨更關(guān)注的是，如何使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，均一性更好，并且讓咖啡中揮發(fā)性的風(fēng)味物質(zhì)在研磨過(guò)程中盡可能地被保留在咖啡粉體當(dāng)中。鄒旸給出的答案是低溫粉碎技術(shù)（Cryogenic crushing technology）。低溫粉碎技術(shù)其實(shí)低溫粉碎技術(shù)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域很早就已經(jīng)開(kāi)始了廣泛的應(yīng)用，例如在中藥藥材工業(yè)制備、電子廢品回收、橡膠材料粉碎等等。低溫粉碎技術(shù)的基本原理主要是基于熱力學(xué)原理，物質(zhì)在低溫狀態(tài)下，分子間的運(yùn)動(dòng)程度會(huì)大大降低，導(dǎo)致分子間的內(nèi)聚力（Cohesive forces，可以是范德華力，也可以是靜電引力等等）降低，從而導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度降低，也就是“脆化”。不同的物質(zhì)的脆化溫度都不大一樣。物質(zhì)在脆化的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械粉碎就可以使排料粒度分布變窄，其本質(zhì)是提高了屈服點(diǎn)，由塑性變形直接轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈宰冃?。并且在低溫的條件下，在常溫下具有揮發(fā)性的物質(zhì)其飽和蒸氣壓會(huì)大大地下降，因此在低溫條件下進(jìn)行粉碎操作可以有利于保留在常溫下具有揮發(fā)性的物質(zhì)。鄒旸使用液氮作為冷卻劑可以讓咖啡豆迅速冷卻到極低溫，讓咖啡研磨轉(zhuǎn)為脆性變形，使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，提高均相性。并且通過(guò)控制咖啡豆研磨暴露在大氣的時(shí)間，也可以盡可能地保留更多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)?！?拓展那么除了低溫粉碎技術(shù)以外還有其他粉碎方法具備這樣的特點(diǎn)嗎？答案是，有的。那就是利用過(guò)熱蒸汽（300-400℃）或者高速氣流（300-500m/s）的能量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行粉碎操作，這屬于氣流粉碎法。區(qū)別于機(jī)械粉碎法，氣流粉碎是一種無(wú)介質(zhì)磨。氣流粉碎具有產(chǎn)生的顆粒粒度分布窄，不存在物料的損耗，顆粒表面光滑，形狀規(guī)則等等優(yōu)點(diǎn)，而且在整個(gè)粉碎過(guò)程中溫度不高。（寫(xiě)到這兒，莫名有種預(yù)言家的感覺(jué)）注意：液氮屬于化學(xué)危險(xiǎn)物質(zhì)，請(qǐng)?jiān)谙嚓P(guān)專(zhuān)業(yè)操作人員指導(dǎo)下使用。▼-歡迎掃二維碼關(guān)注原作者 -版權(quán)信息：以上文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載自【The Coffee Chemistry】，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系：weixin@coffeesalon.com投稿合作：tips@coffeesalon.com