調整注水高度與流速可提升手沖咖啡效率，減少咖啡豆用量

近日，美國賓夕法尼亞大學Arnold J. T. M. Mathijssen研究團隊在《Physics of Fluids》期刊發表了一項關于手沖咖啡流體動力學的研究。該研究通過實驗揭示了注水高度與流速對咖啡顆粒混合及提取效率的影響，并提出通過優化沖泡參數減少咖啡豆用量的新策略，以應對氣候變化對阿拉比卡咖啡種植的威脅。

研究背景：氣候變化下的咖啡效率挑戰

咖啡是全球消費量最大的飲品之一，2021-2022年度消耗量達105億千克。然而，氣候變化正嚴重威脅阿拉比卡咖啡的種植，而替代品種如羅布斯塔咖啡的風味差異較大。因此，如何通過提升提取效率減少咖啡豆用量成為關鍵問題。手沖咖啡因注水高度與流速可自由調節，成為研究重點。

實驗方法：從透明顆粒到真實咖啡的驗證

研究團隊首先用透明硅膠顆粒模擬咖啡渣，通過高速攝像機與激光片觀察水流沖擊下的顆粒運動，量化混合效果。隨后，使用真實咖啡粉進行沖泡實驗，測量總溶解固體（TDS）以評估提取效率。實驗中，注水高度從2.5厘米至22.5厘米不等，流速分為15克/秒（厚水流）和5克/秒（薄水流）。

關鍵發現：注水高度與流速的協同效應

1.注水高度提升混合效率

實驗顯示，注水高度增加時，硅膠顆粒的混合指數顯著上升。即使存在漂浮顆粒層（模擬咖啡沖泡中的“悶蒸”階段），混合效果也未受明顯影響。

2.薄水流在高注水時穿透力不足

較薄的水流（直徑1-2毫米）在較高注水高度下因空氣夾帶效應導致動量損失，無法有效穿透咖啡床，反而不利于提取。

3.雪崩動力學驅動持續混合

水流沖擊咖啡床底部時，顆粒因重力塌陷形成“雪崩效應”，引發顆粒的懸浮與再分布，從而實現持續混合。這一機制在厚水流（直徑3-5毫米）中尤為顯著。

4.實際咖啡實驗驗證提取效率

使用真實咖啡粉的實驗表明，厚水流在高注水高度下TDS值顯著增加（圖7a），而薄水流因沖泡時間延長，各高度下的TDS差異較小但整體較高（圖7b）。

應用意義：優化沖泡策略減少咖啡豆需求

研究提出，通過提高注水高度（增加混合）與降低流速（延長接觸時間），可在減少咖啡豆用量的同時維持咖啡風味。例如，使用厚水流時，注水高度每增加10厘米，TDS可提升約15%。這一發現不僅適用于家庭沖泡，也為咖啡行業提供了節能減排的新思路。

跨學科價值：從廚房到工程與環保

該研究揭示的流體-顆粒相互作用機制，對瀑布侵蝕巖石、大壩沖刷防護等工程問題具有參考價值。此外，團隊強調“廚房流體力學”研究的科普意義，鼓勵通過日常現象激發學生對流體力學的興趣。

論文通訊作者Arnold Mathijssen表示：“我們的目標是通過科學方法解決現實挑戰。未來將探索更多顆粒尺寸與水流參數的影響，進一步優化咖啡提取模型。”

來源：高分子科學前沿

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