纯粹为了感官享受，很少有日常体验能与一杯好咖啡相媲美。刚刚用新鲜烘焙的咖啡豆冲泡出来的热咖啡，其诱人的香气可以将沉睡者从床上拉起来，并将行人吸引到咖啡馆中。世界上数百万人都认为，如果没有咖啡因带来的精神清醒，他们将很难度过一天。但是，在这种看似普通的饮料背后，隐藏着深刻的化学复杂性。如果不深入了解咖啡豆生产、烘焙和制备过程中的各种变化如何细微地影响数百种决定咖啡风味、香气和醇厚的化合物，那么一杯优质咖啡将是一种罕见且随机的事件。
鉴赏家们一致认为，咖啡的精髓在于意式浓缩咖啡：那只小巧的、厚重的瓷杯，半杯盛满了深色不透明的咖啡，顶部覆盖着一层天鹅绒般浓稠的红棕色泡沫，称为咖啡脂。咖啡脂由包裹在薄膜中的微小气泡组成，令人惊讶地持久，锁住了咖啡独特的风味和香气，以及大部分热量。意式浓缩咖啡——这个词指的是专门为特定场合应要求制作的饮品——是通过快速将少量加压的热水渗透过压缩的细磨烘焙咖啡粉饼来冲泡的。由此产生的浓缩液体不仅含有可溶性固体，还含有各种各样的芳香物质，分散在微小的油滴乳液中，这些物质共同赋予了意式浓缩咖啡独特的浓郁味道、气味和“口感”。
爱好者们认为，完美冲泡的意式浓缩咖啡是咖啡的极致，因为其特殊的制备方法放大了并展现了咖啡豆固有的特性。意式浓缩咖啡对我们来说很有用，因为它实际上是对所有制作咖啡的众多技术的提炼，包括土耳其式方法以及各种浸泡和过滤滴滤过程。了解意式浓缩咖啡就是了解咖啡的所有形式。
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高品质咖啡源于对田间、工厂和杯中众多因素的严格控制。咖啡种植涉及必须监测和调节的无数变量。一旦咖啡豆被种植出来，就无法添加或去除任何东西：品质必须已经存在。一杯意式浓缩咖啡需要 50 到 55 颗烘焙咖啡豆；一颗不完美的咖啡豆就会污染整体，以至于可以被注意到。这是因为人类的嗅觉和味觉起源于防御机制，旨在保护我们的祖先免受腐烂的——因此也是不健康的——食物的侵害。只有通过现代技术，才能经济有效地持续识别出 50 颗近乎完美的咖啡豆。
咖啡种植
生咖啡豆是茜草科植物的种子，该科至少包含 100 种咖啡属植物。商业开发的两个物种是阿拉比卡咖啡（Coffea arabica），占世界产量的三分之二，以及卡内弗拉咖啡（Coffea canephora），通常称为罗布斯塔咖啡，占全球产量的三分之一。罗布斯塔咖啡植株和所有野生咖啡物种都有 22 条染色体，而阿拉比卡咖啡有 44 条。因此，阿拉比卡咖啡不能与其他咖啡物种杂交以产生杂交植物。
罗布斯塔咖啡是一种高产且抗病的树木，高达 12 米，最适合在温暖潮湿的气候中生长。它生产的咖啡具有浓郁的醇厚度、相对粗糙的泥土香气以及较高的咖啡因含量，重量百分比为 2.4% 至 2.8%。尽管许多供应商都出售罗布斯塔咖啡，但它不会产生最高品质的咖啡。
阿拉比卡咖啡起源于埃塞俄比亚高地，是一种中低产、相当娇嫩的树木，高度为 5 至 6 米，需要温和的气候和大量的种植护理。商业种植的咖啡灌木被修剪到 1.5 至 2.0 米的高度。用阿拉比卡咖啡豆制成的咖啡具有浓郁而复杂的香气，可以让人联想到鲜花、水果、蜂蜜、巧克力、焦糖或烤面包。其咖啡因含量永远不会超过重量的 1.5%。由于其卓越的品质和味道，阿拉比卡咖啡的售价高于其耐寒、粗糙的表亲。
充足的降雨会促使阿拉比卡咖啡植株开花，大约 210 天后，会出现红色或黄色的果实，称为咖啡樱桃。每个樱桃都含有两颗椭圆形的种子——咖啡豆。由于同一枝条上可以同时存在果实和花朵，因此采摘者的食指和拇指是收集成熟樱桃的最佳工具。手工剥离整个枝条或使用自动化收割机无法区分成熟和未成熟的樱桃。
最终咖啡豆的品质取决于植物的遗传基因、生长的土壤和微气候，微气候包括海拔、降雨量和日照量以及每日温度波动等因素。连同应用的烘焙工艺，这些农业和地理因素是造成供应商将多种咖啡豆混合以生产各种独特混合咖啡的原因，这些混合咖啡是人们可以购买到的。
从樱桃到咖啡豆
咖啡樱桃必须在收获后立即加工，以防止腐败。生产者要么将樱桃晒干，要么清洗樱桃。晒干包括将樱桃摊铺在露台上，并经常搅拌干燥的水果，使其均匀受热和通风。将干燥的樱桃通过机器碾碎外壳，然后去除外壳和周围的羊皮膜层，从而释放咖啡豆以进行分类和装袋。在另一种方法中，水果经过机械去皮、清洗，最后干燥并从羊皮覆盖物中释放出来。无论采用哪种方法，目标都是相同的：咖啡樱桃 65% 的含水量降低到优质生咖啡豆或绿咖啡豆的 10% 到 12% 的水分含量水平。
生产优质咖啡的最大挑战之一是确保从优质绿咖啡豆开始。优质生产商，例如位于意大利的里雅斯特的 illycaffè，我们公司，使用了许多先进的工艺控制技术来最大限度地减少次品咖啡豆的百分比，包括紫外荧光分析以发现发霉的咖啡豆，以及三色映射以生成每批咖啡豆的颜色指纹（黄绿色、红色和红外线）。在 illycaffè，与英国 Sortex 公司合作开发的双色分拣系统被用作烘焙前的最后一道控制程序。当咖啡豆落入料仓时，光电 CCD 摄像头会检测到次品，并发出信号，通过空气喷嘴将它们单独剔除。分拣操作的速度是人手无法比拟的（一台 64 通道的机器每秒可分拣 22,000 颗咖啡豆），精度甚至超过了训练有素的眼睛。
一颗完美的成熟绿咖啡豆由细胞组成，这些细胞具有异常厚的细胞壁：高达 7 微米，这在植物界是一个例外。在烘焙过程中，这些直径为 30 至 40 微米的细胞充当微小的反应器，其中发生了所有关键的热驱动化学反应，这些反应产生了咖啡诱人的味道和香味。未成熟咖啡豆的细胞壁较薄。未成熟的咖啡豆也缺乏在成熟过程的最后阶段形成的重要芳香前体蛋白质。发酵咖啡豆由细胞组成，这些细胞中的关键成分已被霉菌或细菌清空。
烘焙的科学
烘焙是一个热解（热驱动）过程，大大增加了咖啡的化学复杂性。绿咖啡的香气包含约 250 种不同的挥发性分子种类，而烘焙咖啡则产生 1,000 多种。
当经受烘焙机（基本上是一个巨大的、热的、旋转的圆筒）的分阶段加热时，每个细胞内的残留水沸腾成蒸汽，从而促进了玉米糖、蛋白质、脂质和矿物质之间各种复杂的化学反应。在 185 至 240 摄氏度的高温下，糖与氨基酸、肽和蛋白质结合，遵循众所周知的过程，如焦糖化和美拉德反应。最终产物是棕色的、苦乐参半的糖基胺和类黑素——它们产生了咖啡的主要味道——以及二氧化碳。
与此同时，涌现出各种各样的较轻的香气化合物；这些挥发性分子赋予了咖啡熟悉的香味。随着蒸汽和二氧化碳试图逸出，但被厚厚的、几乎不可渗透的细胞壁和一层薄薄的油膜密封，每个细胞内的压力增加到 20 至 25 个大气压。一些细胞最终破裂，产生烘焙咖啡特有的爆裂声。烘焙使咖啡豆的体积增加一半或更多，并使其质量减少五分之一。
根据应用的温度和程序，烘焙过程可以持续 90 秒到 40 分钟。传统的持续时间为 12 分钟。细胞内反应的热力学根据烘焙时间而异，最终结果也随之不同。较短的烘焙时间需要大量的热能，最大限度地减少了重量损失，但由于多酚的存在，使咖啡具有金属苦味，而多酚没有足够的时间进行适当的反应。较长的烘焙时间，通常用于较贫穷的国家，在这些国家，许多消费者只能负担得起低价的次品咖啡豆，迫使所有异味和香味离开咖啡豆。可悲的是，理想的味道和香气也随之消失，产生一杯相当苦涩的咖啡。
最终烘焙温度越高，香气就越不理想，苦味也越浓。相反，较低的烘焙温度无法充分释放出令人愉悦的香气，酸度往往会凸显出来。
独一无二的香气
香气科学非常复杂。研究人员通常通过气相色谱法结合嗅觉测定法来分析咖啡豆烘焙过程中释放的香味，其中熟练的测试人员嗅探并定义每种可识别元素的味道。然后经常应用质谱法来鉴定每种气味的化学成分。嗅闻通过气相色谱法分离出的烘焙咖啡香气是一种令人大开眼界的体验：人们可能会识别出玫瑰、大吉岭茶、巧克力、香草和紫罗兰的香气，以及松露、汤、奶酪、汗液，甚至被称为猫尿味的香气，如果稀释，闻起来像长相思白葡萄酒，但在浓缩样品中则令人作呕。
在 illycaffè，技术人员专注于最强烈的气味物质。想象一下，听一段 800 人合唱团的录音，其中包括杰西·诺曼、卢西亚诺·帕瓦罗蒂和其他几位倾向于主导合唱团的独唱大师的强劲独唱。如果降低回放音量，即使合唱团的声音逐渐消失，仍然可以识别出较强的声音。稀释咖啡的香气是类似的；超过一定程度，只能感知到最强的化合物。不幸的是，咖啡样品气味中最强大的分子是那些来自次品咖啡豆的分子。
诸如丁酸乙酯和乙醇酸乙酯之类的分子，它们是未成熟咖啡豆难闻气味的罪魁祸首，它们的存在会毁掉一杯咖啡。同样，甲基异冰片醇和三氯苯甲醚 (TCA) 分子会产生罗布斯塔咖啡特有的泥土味和化学气味。TCA 也被称为里约热内卢味道，因为它最初是在里约热内卢周围种植的咖啡中发现的，在瓶塞污染的葡萄酒中也可以找到。人类嗅觉系统对其的感知阈值低得令人震惊——每毫升六百万分之一的十亿分之一克。
萃取咖啡液
将烘焙咖啡豆转化为一杯意式浓缩咖啡的下一个主要步骤是用热水萃取烘焙和研磨咖啡中的活性成分。然而，在制作普通滴滤咖啡时，热水和咖啡粉的相互作用与制作意式浓缩咖啡时略有不同。
当制备过滤滴滤咖啡时，热水会通过松散聚集的中等大小的咖啡粉。在与沸水接触的四到六分钟内，烘焙咖啡中存在的大多数可溶性物质会溶解到溶液中。因此，大量的易溶性酸和咖啡因会溶解到杯中。相比之下，意式浓缩咖啡的渗透时间要短得多，因此溶解到咖啡液中的酸较少，咖啡因也只有 60% 到 70%。
冲泡意式浓缩咖啡需要专门的设备，可以将水加热到 92 至 94 摄氏度的温度，并加压至 9 个大气压。将研磨成细至中等粗细的咖啡粉放入带孔的滤碗中并用力压实，以形成压实的颗粒床。压缩的咖啡粉由于薄薄的一层油的涂层而相互粘附，油的粘度与蜂蜜相当。油将颗粒粘合在一起，形成一个由微小气道组成的凝结迷宫。实验表明，这种咖啡粉床的水力阻力必须略小于蒸汽热水萃取的压力，使其以每秒约一毫升的速度流过。
一位熟练的咖啡师（咖啡吧技师）使用推荐的 30 秒渗透时间，可以制作出约 30 毫升浓稠的咖啡液，上面覆盖着最重要的咖啡脂。如果泡沫顶部的颜色浅，则表示意式浓缩咖啡萃取不足，可能是因为咖啡粉磨得太粗、水温太低或时间太短。如果咖啡脂的色调非常暗，并且中间有一个“孔”，则很可能是咖啡粉的粗细度太细或咖啡粉的量太大。过度萃取的意式浓缩咖啡要么呈现白色泡沫，如果水温过高则泡沫中含有大气泡，要么如果冲泡时间过长则杯子中心只有一个白点。
渗透过程还会冲洗掉咖啡粉表面存在的成分，包括充满香气的油和细胞结构碎片。意式浓缩咖啡机产生的高压乳化了少量油，大约一杯 0.1 克。咖啡粉中的完整细胞产生精细的起泡，这种起泡来源于通过细胞壁中微小孔隙的气体（尤其是二氧化碳）。一些非常细的咖啡粉也可能进入饮料中，以及细胞壁碎片，这些碎片赋予泡沫状咖啡脂所谓的虎皮外观。
最终结果是一个多相胶体系统，其中水分子与分散的气泡、油滴和固体碎片结合，所有这些的尺寸都小于 5 微米。分散体的胶体特性使饮料具有高醇厚度、高粘度和低表面张力。因此，意式浓缩咖啡明显地覆盖了我们的舌头，并继续释放溶解在乳化油中的芳香挥发物，只要它仍然存在于那里。这些油性风味/香味载体意味着，一杯好意式浓缩咖啡的美味和香气可以在饮用后长达 20 分钟内细细品味。幸运的是，饮用者无需了解咖啡的复杂化学成分即可享受它。
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