賓州大學的研究人員利用流體力學發現如何用更少的咖啡豆製作出一杯更濃鬱的濾泡咖啡。他們運用透明粒子、雷射和高速攝影機進行富有創意的實驗，揭示了特定的沖泡技巧（例如使用鵝頸壺和從合適的高度沖泡）如何最大限度地萃取咖啡的風味。他們的發現不僅改善了咖啡的沖泡工藝，還為諸如侵蝕和水過濾等更廣泛的系統提供了新的見解。

在Arnold Mathijssen 實驗室，研究人員使用鵝頸壺、咖啡研磨機和手沖咖啡裝置，結合精確測量和高速分析，研究咖啡沖泡的流體動力學和力學原理，以探索如何用更少的咖啡渣最大限度地提升咖啡風味。這些發現有助於研究人員理解流體動力學。圖片來源：Ernest Park

近年來，由於連續四個季節的惡劣天氣，阿拉比卡咖啡豆（大多數咖啡的主要原料）的價格飆升。氣候變遷更是雪上加霜，這給阿拉比卡咖啡生長所需的微妙溫度範圍帶來了壓力。面對這種壓力，賓州大學的物理學家提出了一個大膽的問題：我們能用更少的咖啡豆釀造出更美味的咖啡嗎？

「流體力學方面有很多研究，對粒子的研究也有很多，」藝術與科學學院助理教授阿諾德·馬蒂森(Arnold Mathijssen) 說。 “也許這是我們開始將這些內容整合在一起的首批研究之一。”

他們的研究成果於4 月8 日發表在《流體物理學》雜誌上，探索如何利用流體動力學來促進咖啡萃取，從而用更少的咖啡渣製作出一杯美味的咖啡。

高速攝影機捕捉到水流滲入模擬咖啡床的瞬間。透過模擬水流與咖啡渣的相互作用，團隊找到了最高效的水流模式，能夠以更少的咖啡豆萃取出咖啡的風味。圖片來源：Ernest Park

「我們嘗試尋找使用更少或盡可能少咖啡的方法，並利用鵝頸壺倒水的流體動力學來增加從咖啡渣中獲得的萃取率——同時使用更少的咖啡渣，」合著者、 Mathijssen 實驗室的研究生研究員Ernest Park說。

但為了清楚地研究這個過程，他們必須將不可見的東西變成可見的東西，Mathijssen 實驗室的研究生、合著者Margot Young解釋道。

「咖啡的不透明度使得直接觀察倒入的動態變得很困難，所以我們在玻璃錐中換成了透明的矽膠顆粒，」帕克解釋道。

為了精確找出影響咖啡口感的濾泡變量，團隊記錄了每杯咖啡的溫度、重量、研磨度和萃取時間，然後根據風味對結果進行評分。精密的稱量和詳細的實驗室記錄是將流體動力學轉化為一杯更美味咖啡的關鍵。圖片來源：Ernest Park

他們利用雷射片和高速攝影機，觀察到從上方傾瀉而下的水在咖啡粉床內引發「微型雪崩」。這種翻滾運動有助於攪動咖啡粉，透過增加水與咖啡粉之間的接觸來提高萃取率。

這個過程的關鍵因素是層流（順暢且無湍流），鵝頸壺即使在手沖時也能實現這一點。 「如果只是用普通的水壺，控制水流方向會有點困難，」Park說。 “而且，如果水流不夠順暢，就無法很好地挖掘咖啡床。”

研究團隊發現，當水從高處倒下時，會產生更強的混合效果。

“當你沖泡一杯咖啡時，咖啡的風味和咖啡渣中所有精華的獲得都源於咖啡渣和水的接觸，”楊解釋說，“所以，我們的想法是盡量在手沖過程中增加水和咖啡渣之間的接觸。”

他們發現，如果從太高的地方倒水，水流就會分裂成水滴，並將空氣帶入咖啡錐體，這實際上會降低萃取效率。

高速攝影機捕捉到水流滲入模擬咖啡床的瞬間。透過模擬水流與咖啡渣的相互作用，團隊找到了最高效的水流模式，能夠以更少的咖啡豆萃取出咖啡的風味。圖片來源：Ernest Park

研究人員使用真實咖啡渣進行了額外的實驗，以測量總溶解固體的萃取率。他們的研究結果證實，可以透過延長攪拌時間，利用雪崩動力學，以更慢但更有效的方式倒出咖啡來調整咖啡的萃取率。

他們發現，當水流較粗時，注水量越高，咖啡就越濃，這證實了他們關於注水高度越高，攪拌效果越好的觀察結果。當使用較細的水流時，萃取率在不同註水高度下都保持穩定，這可能是因為達到目標量所需的注水時間較長。

這項研究是一封寫給咖啡的情書，也是了解團隊更廣泛研究的窗口。 「我們做這件事不只是為了好玩，」馬蒂森說。 “我們借鑒了其他項目的工具，意識到咖啡可以成為一個簡潔的模型系統，用於探索更深層的物理原理。”

楊指出，這些原理遠不止於廚房。 「這種流體行為有助於我們理解水是如何侵蝕瀑布下或水壩後的岩石的，」她說。馬蒂森補充道，即使是廢水處理和過濾系統也涉及類似的動力學。

該計畫也反映了實驗室正在進行的研究，Park 正在研究利用旋轉磁場清潔醫療設備上的生物膜的微尺度活性表面。同時，楊正在研究超高速生物流，使用相同的高速成像裝置研究肺纖毛產生的微小渦流如何幫助清除病原體。

“可以從小事做起，比如從咖啡開始，”馬蒂森說，“最終會發現在環境或工業規模上重要的機制。”

編譯自/ scitechdaily