働く人を温めるコーヒーの作り方とは？科学的手法を活用しましょう

淹れたコーヒーの味が安定しないことに悩んでいる場合は、どの要因が風味に影響を与えるのかを理解し、関連するパラメータをより正確に制御する変数を作成する必要があるかもしれません。幸いなことに、コーヒーの風味の規制は学術界でも注目されており、多くの科学研究者がこれらの問題の解決に協力しています。

著者：李存普（重慶大学化学工学部教授）

西洋でも東洋でも、コーヒーは多くの人にとって日常の必需品となっています。茶葉を浸して飲む伝統的なお茶文化とは異なり、コーヒー豆を粉末状に挽き、そのコーヒー粉に熱湯を注いで抽出する方法が主流のコーヒーの淹れ方です。コーヒーを味わうとき、カップに茶葉を吐き出す昔の幹部の態度は少なく、残ったコーヒーの粉を口に飲み込むサラリーマンのスタイルに近いです。

昨今、忙しいスケジュールの合間を縫って働く人たちは、より美味しく安定した味のコーヒーを常に求めていますが、その結果は凡庸なものに過ぎません。この記事では、読者がより安定した完璧なコーヒーを淹れることができるよう、コーヒーの風味、味、濃度の要件に基づいてコーヒーの風味を正確に制御する方法と戦略について説明します。

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私たちはコーヒーを飲むとき何を飲んでいるのでしょうか？

まだごっこ遊びに慣れていなかった頃、図 1 に示すコーヒーのフレーバー ホイールを研究しようとしました。9bar の圧力で抽出したばかりの 50mL のエスプレッソ カップ (化学では、「抽出」は主に液体/液体の溶解分離を指すのに対し、コーヒーは「固体-液体」抽出であり、化学では主に「浸透」と表現されます) を飲むと、すぐに飲んで「トップ ノートはナッツとダーク チョコレートの味がし、ベース ノートは独特の柑橘系の味がする」などの結論に達することができると思います。

図 1. 一般的なコーヒーのフレーバーホイール。

でも今では、人生と同じくらい苦いアイスアメリカンコーヒーを事前に一杯注文して、一気に飲むのが好きです。誰もが区別できるわけではない複雑なコーヒーの味覚環はさておき、コーヒー液には 2,000 を超える分子が含まれているため、コーヒー自体の味は実に複雑で魅力的です。図2に示すように、最も直接的に必要なカフェイン分子に加えて、さまざまな芳香分子、有機酸分子、炭水化物、脂質などが一緒になってコーヒーの風味を構成しています。例えば、イソブチルアルデヒドはスパイシーな味を、アセトアルデヒドはフルーティーな香りをもたらし、フラノンはコーヒーに甘い後味を与え、ピラジンはコーヒーに土のような味を与える、などです。酸味、苦味、渋み、フルーティーな香りなどの風味と、いくつかのエステルがもたらす滑らかな味わいが組み合わさって、コーヒーの風味を形成します。コーヒー豆の品種や産地の違いは当然ながら一目瞭然です。洗浄、天日乾燥、焙煎温度と時間、発酵度合いなど、さまざまな種類のコーヒー豆の加工方法は、コーヒー豆に含まれるさまざまな成分とその割合に影響を与えます。これは、スペシャルティコーヒーショップでは特に重要です。多くの特別な豆と熟練したバリスタが組み合わせることで、驚きに満ちた一杯のコーヒーが作られます。

図2 コーヒーに含まれる代表的な分子[1]。カフェイン以外にも、硫黄含有有機物、アルデヒドやケトン、フェノール、フラン、ピラジンなどの有機物も多数含まれています。

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変数を制御しておいしいエスプレッソを作る

自宅やオフィスでいつでも手軽にコーヒーを淹れられるように、コーヒーマシンを購入する人が増えています。これにより、自分の好みに合わせてコーヒーの味をより良く調整できるようになり、毎日コーヒーショップに行く場合に比べてコストも節約できます。残念なことに、コーヒーマシンで淹れたコーヒーはブティックコーヒーショップの商品と比べるのは確かに難しく、同じコーヒー豆を使用しているチェーン店の商品と比べても大きな差があります。また、同じ機械、同じコーヒー豆を使用しても、安定した味のコーヒーを作ることは難しいです。 （予測できないコーヒーの味と、四川オペラよりも速く表情を変える上司が、サラリーマンの生活をさらに悪化させています。）

では、家庭用コーヒーマシンで一貫しておいしいコーヒーを作る方法はあるのでしょうか?いくつかの。ほとんどのコーヒーマシンでは、基本的なコーヒー製品はエスプレッソです。シンプルな混合を経て、エスプレッソは自然にアメリカーノ、ラテなどのさまざまな種類に進化しました。したがって、エスプレッソを淹れるためのコア技術を習得すれば、あらゆる種類の高級コーヒーで優位に立つことができます。エスプレッソの作り方はとても簡単です。コーヒー豆15～22gを粉末状に挽き、パウダーボウル全体に広げて固めます。次に、92〜95℃のお湯を9〜10barの圧力で粉末ボウルに注入し、30〜60gのコーヒー液を採取します。圧力、温度、容量など上記の変数を制御していれば、コーヒーの味と風味は安定すると思われます。

残念ながら、正確な圧力と温度の制御には、複雑な機械構造と高価なセンサーが必要です。例えば、出湯温度を正確かつ安定的に制御したい場合、お湯を供給するために断熱性が高く、加熱が安定したボイラーが必要になります。したがって、上記の要素を比較的正確に制御できるのは、高価な業務用コーヒーマシンだけです。家庭用コーヒーマシンの実際の動作状態は、性能不足により大きな偏差が生じることがよくあります。しかし、それは問題ではありません。あなた専用のコーヒーマシンはあなたにサービスを提供するために特別に設計されています。変数を制御することで、独自のコーヒーマシンを、自分だけの「特別な」コーヒーを作るための強力なツールにすることができます。

2020年、オレゴン大学のクリストファー・H・ヘンドン氏とポーツマス大学のジェイミー・M・フォスター氏は、マター誌に論文を発表し、エスプレッソを体系的に最適化できる数学モデルを報告しました。図3に示すように、エスプレッソの抽出工程を化学抽出工程とみなすと、抽出が行われる場所はコーヒー粉が入ったパウダーボウルであり、コーヒーの抽出工程はコーヒー粉からコーヒー液に風味成分を抽出することです。コーヒー液に抽出された物質と乾燥コーヒー豆の重量比を抽出収率（EY）と定義します。

図3 エスプレッソパウダーバスケットの構造とコーヒーパウダーの分布の模式図[2]。

スペシャルティコーヒー協会（SCA）の推奨によれば、エスプレッソの抽出率は17～23%である必要があります。抽出率が 23% を超えるとコーヒーは苦くなります。抽出率が17%未満の場合、コーヒーは酸っぱくなります。当然のことながら、コーヒー粉の粉砕状態、抽出時のお湯の圧力、使用するコーヒー粉の量は、最終的なコーヒーの抽出率とコーヒーの味に直接影響します。

では、40gのエスプレッソを作ってみましょう。

挽き方と風味

最初のステップはコーヒー豆を挽くことです。ヘンドンのモデルによれば、図に示すように、 4、コーヒー豆をグラインダーで挽くと、粒子が細かくなるほど抽出率が高くなります。これは直感的に理解できます。粒子が細かいほど、総表面積が大きくなり、コーヒー粉の風味成分を抽出しやすくなるからです (図 4C の青い線)。このモデルは実際の状況に基づいて修正されます。なぜなら、実際には、グラインダーに設定された希望の粒度がどんどん小さくなるにつれて、すべてのコーヒー豆を均一に挽くことができず、希望の粒度に挽かれていない比較的大きな粒子が常に存在するためです。これらの大きな粒子は、熱湯と混合すると、水や他の微粉末と異なる相互作用を起こし、部分的にブロックされた流体を形成します。 (部分的にブロックされた流れの場合、ヘンドン モデルは図 4C の黄色の線で表されます。)

実験では、グラインダーをより細かい粒子サイズに設定すると、実際の抽出率（円）は部分的にブロックされた流体の抽出率に近くなりました。粒子径を粗い粒子径に設定すると、部分的な閉塞現象はなくなり、実際の抽出率（円）は標準流体の抽出率に近づきました。

図4（AB）コーヒー粉末の粒度分布(C) 抽出圧力を6バールに固定した場合のコーヒー粉の粉砕粗さと抽出率の関係。青い線は標準流体モデルです。つまり、粒子が細かいほど抽出率が高くなります。黄色の線は部分的にブロックされた流体モデルです。つまり、大きいコーヒー粉と小さいコーヒー粉がある場合、流体は均等に流れません。円は実際の状況を表し、細挽きの場合は黄色の線に近く、粗挽きの場合は青の線に近くなります。

コーヒーの量、圧力、風味

コーヒーを作るときのもう一つの重要な質問は、挽いたコーヒーをどれくらいの量使うかということです。図に示すように、 5、コーヒー粉の量が多いほど、コーヒーの抽出率が低くなります。これは少し直感に反します。結局のところ、粉が多ければ多いほど、コーヒーは濃くなるはずです。抽出率を下げるにはどうすればよいですか?実際、コーヒー粉が多いほど、エスプレッソは濃くなります。しかし、コーヒー粉全体に対して、抽出された物質の割合は減少します。つまり、コーヒー粉を多めに使い、比較的粗く挽くと、濃い（粉が多い）少し酸味のある（抽出率が低い）エスプレッソが得られます。比較的少量のコーヒー粉を使用して、より軽い（粉が少ない）が苦い（抽出率が高い）コーヒーを作ることもできます。

抽出率が風味に影響を与える理由としては、溶解性が重要な要因の一つであると考えられます。コーヒーに含まれるキナ酸などの酸性物質は溶解度が高く、溶けやすいです。それらのほとんどは、より低い抽出率で溶解することができます。しかし、フェニルインダンやキニドなどの苦味物質の中には溶解度が低いものもあり、高い抽出率でしか溶解できません。したがって、抽出率が低いと酸性が強くなり、抽出率が高いと苦味が強くなります。

図5 (A) 粉末の量と抽出率の関係：粉末が多いほど抽出率は低くなります（ただし、コーヒーは濃くなる可能性があります）。 (B) 圧力と抽出率の関係：圧力が高いほど、抽出率は低くなります（ただし、水に溶けにくい風味物質がより多く抽出される可能性があります）。

もう一つ興味深いのは、抽出圧力と抽出率と風味の関係です。図５（Ｂ）に示すように、コーヒー液の総量が４０ｇになるように制御されているため、抽出圧力が高くなると水の流量が速くなり、水がコーヒー粉を素早く通過するため、抽出率は当然低くなります。しかし、コーヒーに含まれる特殊な風味物質の中には溶解度が非常に低いものもあります。これらは溶けるのではなく、お湯によって運び去られます（手を洗うのと同じように、汚れは水に溶けるのではなく、水によって運び去られます）。したがって、実際には、抽出圧力を高くすると風味が豊かになり、ニュートラルな味を得るためにはより細かいコーヒー粉が必要になります。

フレーバーをカスタマイズ

家庭用コーヒーマシンに関しては、私たちは風味をコントロールする鍵をマスターしました。粉末の量を増やすと濃度が増し、圧力を上げると風味が増し、粉砕粒子のサイズをコントロールすると抽出率が調整できます。コーヒーの味が酸っぱい場合は、粉を細かく挽き、粉の量を減らしてください。濃度が足りず苦味が足りない場合は、粉末の量を増やして圧力をかけて酸味を調節してください。特に総合的な風味を味わいたい場合は、異なるパラメータで 2 杯作って混ぜ合わせることもできます。図 6 に示すように、コーヒー粉の量を減らして挽き目の粗いものを使用すると、濃すぎず苦味の比率が高いエスプレッソを淹れることができます (緑の点)。より多くのコーヒー粉とより細かい粉砕粒子を使用すると、より酸度が高く、濃度の高いエスプレッソをもう一杯作ることができます (紫色の点)。 2つを混ぜると、比較的中性的な酸味と苦味を持つダブルエスプレッソができます。それは自分の人生よりも苦く、他人の年末ボーナスを見るよりも辛いことだ。

図6 紫と緑のカップを2杯ずつ混ぜると、総合的な風味が得られます。人生は酸っぱくて苦い。

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研削の超秘密

コーヒーを作る上で、挽く作業が最も制御が難しい部分であることが判明したかもしれません。 Christopher H. Hendon 他オレゴン大学の研究者は、2024年1月号のMatter誌で、コーヒー粉を挽くことで生じる摩擦帯電の問題についてさらに論じました。 [3] 実際、コーヒーを挽く過程では、コーヒー豆と刃の間の摩擦と、コーヒーを割る過程での電荷の不均一な分布により、コーヒー粉は帯電します。刃物による摩擦帯電は、2 つの物質の相互摩擦によって発生し、一方の物質の電子がもう一方の物質に移動するということは容易に理解できます。その結果、電子を失った物質は正に帯電し、電子を獲得した物質は負に帯電します。

コーヒー豆が割れる過程でも静電気が発生し、その原理は火山灰の爆発による帯電と非常に似ていることは特筆に値します。図7に示すように、粒子レベルでは、コーヒー粒子が破壊されると、共有結合が破壊され、粒子内の電子/イオンが放出されます[4]。したがって、残ったコーヒー粉は正または負の電荷を帯びることになります。これが、コーヒー粉を細かい粒子に粉砕する過程で帯電する主な理由です。

図7 火山灰の充填とその後の凝結メカニズム。小さな粒子レベルでは、粒子が分解した後にエッジ電子が放出され、残った粒子は正電荷を帯びます。

コーヒー粉に電荷が加わると、粉は凝集し、粒度分布に影響を及ぼします。研究者らは、コーヒー豆の種類、焙煎方法、挽いたコーヒー粉の電荷と粒度分布は互いにほとんど関係がないが、深く焙煎した豆は比較的電荷が少なく、コーヒー粉の凝集が弱いことを発見した。スターバックスが深煎りの豆を多く使うのは、このためなのかもしれません。

図8 横軸は異なるコーヒー豆のブランド、縦軸はコーヒー粉の電荷/質量比です。灰色は最初の細挽き、黒は2番目の粗挽きです。粒度分布は変化していないが、コーヒー粉の充填が大幅に改善されていることがわかります。

また、手間を惜しまなければ、二次粉砕を行うことでコーヒー豆の帯電や凝集を大幅に軽減できます。図 8 に示すように、まず細かい粉砕を行ってより細かいコーヒー粉末を得ますが、この時点でコーヒー粉末はより帯電し、より激しく凝集します。その後、再度粗めに挽きます。コーヒー粉は細かくなりませんが、コーヒー粉の電荷と凝集を減らすことができます。

さらに重要なのは、湿度が上昇するとコーヒー粉の帯電が軽減されることです。図 9 に示すように、コーヒー豆の種類に関係なく、グラインダーに入れる前に少量の水を噴霧すると、コーヒー粉の帯電や凝集の問題が大幅に軽減され、コーヒーの出力品質が向上します。これが、SNSで広く流布されている「ロスドロップレットテクニック」（挽く前にコーヒー豆に水を吹きかけると、静電気で粉が飛ぶのを効果的に抑えられる）の本質的な理由なのかもしれません。

図9 コーヒー豆を挽くときに少量の水を吹きかけると、コーヒー粉の凝集が減り、粒子サイズが細かくなります。そのため、コーヒー液はゆっくりと流れ出て、コーヒーの濃度が増します。

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科学的な答えを求めて

コーヒー作りに関する研究は、常に学術的に興味深い分野です。例えば、2015年にイタリアのカメリーノ大学のSauro Vittori氏は、エスプレッソとドリップコーヒーの風味と化学組成の違いを比較しました[5]。淹れたてのコーヒーにはエスプレッソよりもカフェインとクロロゲン酸が多く含まれており、淹れたてのコーヒーの方がリフレッシュ効果が高いと考えられます。コーヒーの淹れ方を原料からコントロールしたいという方には、ポーランドのポズナン工科大学のマグダレナ・イェシュカ・スコウロン氏が2016年に発表した論文で、コーヒー豆の品種と焙煎工程が完成したコーヒー豆の風味成分に与える影響について論じています[6]。

おそらく近い将来、コーヒーに含まれるすべての風味分子を分析して簡単に入手できるようになれば、私たちが淹れるコーヒーの風味はより安定したものになるかもしれません。カフェイン、タンニン酸、各種チオール、フェノールの量を選択し、プログラム制御を使用してさまざまな風味分子を定量的に水に注入し、加熱し、均一に振って、お客様のお手元にお届けします。味は常に一定で、いつでもカスタマイズできますが、これは刺激ではなくリラックスというコーヒー本来の目的から外れているのかもしれません。

あなただけのカスタマイズされたコーヒーを飲んで、人生を情熱的に楽しみましょう。

参考文献

[1] https://www.compoundchem.com/2015/02/17/coffee-aroma/

[2] キャメロンら、Matter 2、631-648。 https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.019

[3] Mendez Harper et al.、Matter 7、266–283。 https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005

[4] Cimarelli, C.、Behnke, S.、Genareau, K. 他。火山の帯電：最近の進歩と将来の展望。ブルボルカノール84、78（2022）。 https://doi.org/10.1007/s00445-022-01591-3

[5] ジョヴァンニ・カプリオリ、マヌエラ・コルテーゼ、ジャンニ・サグラティーニ、サウロ・ヴィットーリ（2015）「エスプレッソとブリューの異なる抽出法がコーヒーの香りと主な生理活性成分に与える影響」、国際食品科学栄養学誌、66:5、505-513、DOI: 10.3109/09637486.2015.1064871

[6] Jeszka-Skowron、M.、Sentkowska、A.、Pyrzyńska、K. 他。グリーンコーヒー抽出物のクロロゲン酸、カフェイン含有量、抗酸化特性：グリーンコーヒー豆の調製の影響。ユーロフードリサーチテクノロジー242、1403–1409（2016）。 https://doi.org/10.1007/s00217-016-2643-y

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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