看文献，喝咖啡，磨咖啡粉也能发Matter

如果你是一位咖啡爱好者，无论是沉醉于意式咖啡的浓郁，还是亲自动手享受手冲咖啡的闲适，研磨咖啡豆都是充满着仪式感的第一步。深褐色的豆子们在研磨机器中跳跃旋转，释放出细腻的颗粒，之后就是一场热情洋溢的相遇，热水包裹着每一分咖啡豆精华，在流动中悠扬咖啡香气弥漫而出。

咖啡常见萃取方法。图片来源：Trends Food Sci. Tech.^[1]

然而，磨咖啡时经常有一件事情令人懊恼，就是咖啡粉会粘在磨豆机上，或是到处乱飞。咖啡粉的聚集甚至还可能影响到热水与它们的接触，导致萃取不均匀，影响一杯咖啡的口感。为什么会出现这种情况呢？咖啡研磨过程中的破碎和摩擦，会使得咖啡颗粒因摩擦起电和破碎起电产生大量的静电荷，积累到一定程度就会引起颗粒聚集，“粘”在研磨机上。

咖啡粉“粘”在研磨机出口。图片来源：啡香之旅 ^[2]

近日，美国俄勒冈大学Christopher H. Hendon和Joshua Méndez Harper等研究者在Matter 杂志上发表论文，发现咖啡豆烘焙的颜色和研磨的粗糙程度会影响颗粒带电状态，并提出湿度可以调节咖啡粉所带的电荷大小和极性，在研磨时，简单的添加少量水分，不仅可以防止咖啡粉表面产生电荷，还能改善一杯咖啡的口感。

意式咖啡萃取。图片来源于网络 ^[3]

实验表明，咖啡豆与不同介质接触时，其界面呈现出不同的电荷效果，如与聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯等塑料接触时呈正电荷，而与玻璃和尼龙接触时则表现为负电荷（有没有想起初中物理课？……）。随后，研究者采用迈赫迪（Mahlkönig）EK43型号的磨豆机作为实验仪器，它不仅多次登上世界咖啡冲煮大赛的舞台，也是众多咖啡店首选的磨豆机。该机采用平刀盘（什么是平刀盘，点击阅读相关），通过调整刀盘间距来改变咖啡粉粗细，粒径分布范围很小。将磨好的细粉直接接入法拉第杯，可测量样品的净电荷，或是接入两个平行电极构成的静电分离器，可分析颗粒大小和带电极性之间的关系。

咖啡豆及研磨后咖啡粉的极化带电。图片来源：Matter

研究者首先测试了三种墨西哥咖啡豆，研磨后咖啡粉既可能表现为净正电荷，又可能表现为净负电荷，换句话说，仅凭产地无法确定电荷的极性。美国咖啡协会（SCAA）定义了Agtron值，将咖啡豆按照颜色由浅至深，平分为八个标准色块来表示不同烘焙度。然而，烘焙度和表面电荷之间的关系也非常微弱，结果似乎是不可预测的，只能说深烘焙咖啡比浅烘焙更容易带负电荷。

Agtron值表示不同烘焙度。图片来源：SCAA ^[4]

不过，咖啡豆的含水量与其带电状态呈现出显著的相关性。当水含量超过总质量的约2%时，咖啡豆的电荷由负转变为正。此外，经研磨后的咖啡粉，整体上带正电的颗粒平均直径通常小于带负电的颗粒。

咖啡带电状态的决定因素。图片来源：Matter

既然已经确认了咖啡的带电性与含水量之间存在关联，研究者随后再次选择耶加雪菲生豆（烘焙前含水量为12%）进行实验，并利用Ikawa Pro100烘豆机设置不同的烘焙条件。果然，短时间烘焙（浅烘）的咖啡豆呈现正电性，随着烘焙时间的增加，咖啡经历了由正电向负电的转变。进一步的分析表明，电荷与含水量之间呈现出指数关系，说明咖啡的内部含水量成为影响其带电状态的主要因素。

烘焙条件设置对带电状态的影响。图片来源：Matter

随后，研究者对研磨后咖啡粉的电荷影响因素进行了分析。不论之前咖啡豆带正电还是负电，总体趋势是，咖啡粉磨得越细，单位质量的咖啡粉所带电荷量越多。这一趋势并不难解释，因为磨得越细，咖啡豆需要摩擦的次数也就越多。此外，在相同的研磨设置下，深烘咖啡的颗粒比浅烘咖啡更细。

研磨度对电荷的影响。图片来源：Matter

既然增加内部水分可以导致咖啡豆所带电荷逐渐趋于零，甚至转变为正电荷，那么在研磨咖啡时，额外滴加少量水分是否也能减少咖啡粉所带电荷量呢？果然，随着水分的添加，单位质量的正负电荷量都明显减少。当水含量接近20 μL g⁻¹时，电荷量趋近于0 nC g⁻¹。

湿度控制减少咖啡粉表面电荷。图片来源：Matter

更重要的是，添加少量水后，不仅减少了咖啡豆摩擦起电和破碎起电，导致正负电荷都减少，还能显著消除细粉的静电聚集现象。相较于干磨的咖啡粉，湿磨后的咖啡粉平均颗粒尺寸减小，多孔通道变得更致密，从而增加了水在萃取过程中与咖啡粉的接触路径。这使得第一滴萃取液的出现时间延迟，萃取液中的总溶解固体含量更多，即最终得到的意式咖啡醇厚度更高。

加水和不加水的比较。图片来源：Matter

“水分，无论是咖啡内部的残留水分还是在研磨过程中添加的水分，都决定了咖啡粉的电荷量”，Christopher Hendon说，“水不仅可以减少静电，还对咖啡的浓度产生影响，有利于提升咖啡的风味。现在我们知道使用什么研磨方式来制作更浓郁的浓缩咖啡了，我们会继续尝试了解哪些因素会导致咖啡口味的差异”。^[3]

干磨和湿磨的区别。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Moisture-controlled triboelectrification during coffee grinding

Joshua Méndez Harper, Connor S. McDonald, Elias J. Rheingold, Lena C. When, Robin E. Bumbaugh, Elana J. Cope, Leif E. Lindberg, Justin Pham, Yong-Hyun Kim, Josef Dufek, Christopher H. Hendon

Matter, 2023, 7, 266-283, DOI: 10.1016/j.matt.2023.11.005

参考文献：

[1] N. Cordoba, et al., Coffee extraction: A review of parameters and their influence on the physicochemical characteristics and flavour of coffee brews. Trends Food Sci. Tech. 2020, 96, 45-60.

[2] 啡香之旅 | 咖啡研磨过程中“无处不在”的静电 

https://www.sohu.com/a/432575131_100007851 

[3] Grinding coffee with a splash of water reduces static electricity and makes more consistent and intense espresso: Study

https://phys.org/news/2023-12-coffee-splash-static-electricity-intense.html 

[4] Color measurement and ingredient quality - consistency control in coffee products – Measure Agtron Number and do more with Sensegood spectrophotometer

https://sensegoodinstruments.com/color-measurement-coffee-agtron-number.php 

（本文由小希供稿）