關於衝咖啡的水,你不可不知的幾件事!

無所不談     2017年12月09日

碳酸鹽體系The Carbonate System

碳酸鹽體系泛指和水質有關的因素:TDS ,硬度(GH),酸度鹼度,pH值,緩衝指數(KH),金屬含量尤其是鈣鎂。在評估衝煮咖啡用水時使檢驗使用水必須全盤考慮以上因素及其之間的相互作用。

總溶解固體(Total dissolved solids/TDS)

關於衝咖啡的水,你不可不知的幾件事!

又稱溶解性固體總量,TDS值越高,表示水中含有的溶解物越多,包括無機物和有機物兩者的含量,測量單位為:毫克/升(mg/L)。

毫克(mg)/升表明1升水中有多少毫克溶解性總固體。

PPM溶液百萬分率濃度單位。指100萬毫升溶液中含有溶質的毫升數或表明100萬克溶液中含有溶質克數。

換算關係:1mg/l=1PPM

如果水的TDS值少於1,000mg/L一般被認為達到飲用安全標準。TDS值過高肯定會影響衝煮咖啡的味道,原因是水沒有更多的「空間」溶解產生(含有)風味的物質,實驗表明使用TDS值120-125mg/L的水沖煮咖啡的品質明顯好於TDS值300mg/L.衝煮的咖啡。

另一方面,產生(含有)風味的物質因其類型不同也會影響水滲透過咖啡粉層(coffeebed)及單獨咖啡顆粒時的水力彌散狀況(hydrodynamic dispersion)。

ppm值越高,代表水中的可溶解物質越多,因此在萃取咖啡時萃取率會越低;

而ppm值越低,代表水中的可溶解物質越少,因此萃取咖啡時萃取率會越高。

根據SCA研究,水的ppm值在125-175之間,用來萃取咖啡最為理想,ppm值低於75,則較容易萃取過度;ppm值高於225,則較容易出現萃取不足。

水中TDS形成的原因

從地下蓄(含)水層提取或滲透過土壤獲得的地下水(ground water)含有較高的礦物質(TDS值高),含水層中的石灰岩在酸性狀態下容易溶解形成硬水(hard water),因為石灰岩主要成份是碳酸鈣。

另一方面,來自於湖泊河流的地表水通常TDS值較低(不經常和土壤礦物質接觸)。但是人為因素可以影響TDS。例如大氣污染造成的酸雨可以造成湖泊中PH值的降低及礦物質含量的增高。工業及農業的廢水可以增加地表水中的固體含量。儘管有市政水處理系統,但在農村地區,水始終帶有藻類,菌類植物的氣味,哺乳動物和某些魚類體內蛋白質代謝分解的主要含氮終產物(尿酸),以及土壤中化肥的氣味。

水在蒸發及降雨過程中吸收溶解大氣中的污染物; 降水落到地面,溶解地面上的污物; 地面水滲入地下或匯入江河的過程中,不斷溶解所接觸到的礦物質,化學物質等。水在水循環中溶解了所接觸到的鈣(Ca),鎂(Mg)離子,也會對水的TDS造成影響。

測量TDS給我們一個使用水中可溶性固體總量的大概情況。增加水中離子量會限制從咖啡中萃取的可溶性物質。較高的TDS值會造成萃取較少量的風味物質。水處理的首要目的是將TDS值調試到一個可接受的水平。

水的總硬度(GH)

ppm值相同的水軟硬度有可能不同。水的硬度是指水中鈣、鎂離子的濃度,硬度單位是ppm,1ppm代表水中碳酸鈣含量1毫克/升(mg/L)。

水的硬度與水的ppm值有關,ppm值高的水,鈣、鎂離子的含量相對來講較高,ppm值低的水,鈣、鎂離子的含量相對來講較低。但當不同的水即使是ppm值相同時,水中的可溶性固體物質有可能成分不同。也就是說,鈣、鎂離子含量也相對來講會有所不同,因此也會對咖啡萃取造成影響,僅看TDS數值是片面的。

在衝煮咖啡過程中有些化合物或離子對萃取的影響大於其它化合物及離子。實驗中,在蒸餾水中放入單一一種無機化合物來測試對咖啡萃取的影響。

使用加入碳酸氫鈉Sodium Bicarbonate的蒸餾水萃取咖啡的TDS值為1.29%。碳酸氫鈉溶於水後分解成碳酸鈉、二氧化碳和水,產生的二氧化碳有助於蓬鬆咖啡顆粒,使咖啡中可溶性化合物的擴散,加快萃取。鈉離子含量較高會有鹹味。

使用加入氯化鈣(calcium chloride)的蒸餾水萃取咖啡的TDS值為1.04%。氯化鈣在水中電離,生成氯離子和鈣離子與咖啡中的可溶性有機物及碳水化合物產生反應形成沉澱.鈣離子還可以和特定物質結合,在咖啡衝煮過程中產生新的味道。

硬水與軟水

水分為軟水、硬水,凡不含或含有少量鈣、鎂離子的水稱為軟水,反之稱為硬水。水的硬度成份,如果是由碳酸氫鈉或碳酸氫鎂引起的,系暫時性硬水(煮沸暫時性硬水,分解的碳酸氫鈉,生成的不溶性碳酸鹽而沉澱,水由硬水變成軟水) ;如果是由含有鈣、鎂的硫酸鹽或氯化物引起的,系永久性硬水,經煮沸後不能去除。以上兩種硬度合稱為總硬度。

水的總硬度=鈣硬度+鎂硬度=碳酸鹽硬度+非碳酸鹽硬度=暫時硬度+永久硬度

依照水的總硬度值大致劃分,總硬度0-30ppm稱為軟水,總硬度60ppm以上稱為硬水。

硬度極高的水錶明水中還含有其它金屬元素例如:氯化物,硫酸鹽,碳酸鹽,碳酸氫鈉。市政水系統中使用氯及氯胺(chlorine ,chloramines)去除水中有害病菌,它們可以引起芳香物質及油脂的氧化從而破壞咖啡風味,在衝煮咖啡時應該去除它們。水中過量的鐵會使咖啡看上去發綠,氫化硫使水有臭雞蛋氣味,氯和硫酸鹽使水有鹹味。

pH值

亦稱氫離子濃度指數:是溶液中氫離子活度的一種標度,也就是通常意義上溶液酸鹼程度的衡量標準。通常情況下,pH值是一個介於0和14之間的數,當pH7的時候,溶液呈鹼性,當pH=7的時候,溶液呈中性。水在25度時是中性的,對應pH值為7.0,鹼性越強(pH值越高)抵消酸的能力越強減少酸味的效果就越強,使用的水越偏鹼性,咖啡中就會發生越多的酸鹼反應,咖啡在鹼性的水中更容易溶解。

關於衝咖啡的水,你不可不知的幾件事!

水在大氣層溶解二氧化碳,此時pH值較低,大氣環境污染會進一步降低水的pH值。水滲透過土壤及礦物層,酸性水會溶解礦物質,水的pH值會隨之升高。對於那些深處地表之下的地下水來講,當它到達地下蓄水層(砂石含水層)時,它的pH值比較高並含有大量礦物質。相反,土壤中的微生物有益於二氧化碳的產生,二氧化碳溶於水會形成碳酸,碳酸氫根,碳酸根,進而會降低水的pH值(酸度增加)。

富含礦物質的地區,水文ph會呈鹼性,典型的非洲三湖地區ph值會在8+,雨林地區,因為有大量的落葉及腐爛的樹木,進而產生大量的腐殖酸,所以東南亞,西非,南美亞馬遜,等雨林地區水質呈酸性。

碳酸鹽體系中的酸及鹼

pH值來表示溶液中氫離子的總數。如果溶液中氫離子和氫氧根離子失去平衡,這個溶液要麼呈酸性要麼就是鹽基bases(鹼性)。以上任何一種離子的含量過高都會對沖煮咖啡造成影響。

不是所有的酸或鹼都可以在溶液中迅速分解,在水或咖啡中它們是自然的分解,因為咖啡中含有大量不同的化合物,包括不同含量的離子鍵的物質。

人們可以對酸或鹼進行中和處理,例如在pH值高的溶液中加入酸來達到中和效果,酸中的氫原子和溶液中原有的氫氧根離子形成水分子。(因為新加入酸中的負離子,TDS值會增加).

水的總鹼量

想要獲得預期的pH值,僅僅靠測量溶液的pH值是不夠的。還要考慮總鹼量(total alkalinity)和總酸量(total acidity)。

總鹼量:指水中能與強酸發生中和作用的物質總量,包括:強鹼,弱鹼,強鹼弱酸鹽。例如:hydroxide(OH-)氫氧化物,carbonate(CO3-2)碳酸鹽,bicarbonate(HCO3-)碳酸氫鈉。

ph值相同的水(溶液)其鹼總含量不一定相同,原因ph 值直接反應水中H+,或OH-的含量,而鹼總量除了包括OH-還包CO3-2 , HCO3-等鹼性物質含量。

鹼度相同的溶液ph值可以不同: 如鹼度0.1mmol/L的NaOH液,ph=13,鹼度0.1mmol/L的NaHCO3液ph=8.3

pH和鹼以相反的方式影響溶液的酸度,你可以通過加入酸來降低溶液的PH值,​​但是加入的酸有可能會被溶液中的總鹼量所消耗而起不到降低溶液PH值的作用。

溶液中的鹼可以中和咖啡的酸,並使咖啡顆粒膨脹。在實驗中,使用含碳酸鹽的水沖煮咖啡,味道很苦,ph值高,味道平淡,同時造成萃取過程時間延長。

緩衝指數(KH鹼度)

KH常常被人們誤導為水的硬度,其實這是錯誤的說法,KH值僅是描述暫時硬度中的酸式碳酸根(HCO3-),在化學上,KH值被定義為碳酸氫根(HCO3- )的濃度指數,並以,KH為單位。硬度(GH)是用來定義水中多價金屬離子(鎂離子,鐵離子等)的含量,而非描述其中的陰離子(碳酸氫根,硫酸根等)。所以,KH和GH有著明顯的區別。

關於衝咖啡的水,你不可不知的幾件事!

KH值與GH值對沖煮咖啡的影響

因為碳酸氫根是水質中最主要的緩衝物質,它可以中和水質中任何增加或減少的游離CO2,以及亦能抑制氫離子的波動,以維持恆定的pH值,因此kH的控制被視為水質管理不可缺的手續。

如果KH過低,表示水中天然的緩衝系統已經失去平衡,水質將趨酸性化,很容易受到中酸性物質的影響,使pH值急遽降低。

反之如果kH過高,水質將趨鹼性化,很容易受到中鹼性物質的影響,使pH值急遽升高。

kH硬度完全針對水質中的陰離子(HCO3-)含量的表示法,這種表示法是以100ml水中含有1毫克的HCO3-稱為1度(相當於10ppm濃度),並標記為1度kH。它與CaCo3(碳酸鈣)硬度完全針對水質中的陽離子(Mg2+、Ca2+)含量表示法完全不同。

KH值的大小密切關係著緩衝作用系統的緩衝容量。一般而言,KH越大,水體的緩衝容量就越大,對於高濃度CO2進出水體所引起的pH變化幅度就越小。由此觀之,理論上KH似乎越大越佳,可是KH若越大,水體先天的pH會比較高。