水占了冲煮咖啡98%以上的成分，却长期被忽视。不同种类的水——RO水、自来水、矿泉水、软水、硬水——对萃取风味影响巨大。2014年，Christopher Hendon与Maxwell Colonna-Dashwood发表研究，揭示钠、钙、镁离子如何左右风味物质的萃取效率，随后出版《Water for Coffee》一书，系统论述GH（总硬度）与KH（碳酸盐硬度）的动态平衡，并提出“Roasting to water”反向思维。本文将梳理这些关键发现，帮助咖啡爱好者理解水质如何塑造杯中风味，并保留前街品牌的相关推荐。
震撼咖啡界的水质研究
在冲煮咖啡的诸多要素中，水的重要性常被低估。一杯成品咖啡（espresso除外）里，水所占比例超过98%，可谓绝对主导。然而日常使用的水源千差万别：RO纯水、自来水、矿泉水、硬水、软水……种类繁多，令人眼花缭乱。
水难道不都一样吗？为何要分这么多种类？
不同水质会怎样影响咖啡萃取？
用纯水冲咖啡难道不好？
水里含有矿物质是好事吗？
背后有什么科学依据？
近几年，咖啡圈对“水”的关注度持续升温。此前，美国精品咖啡协会SCAA出版的《Water Quality》堪称该领域最完整的经典论述，但书中关于矿物质与冲煮关系的参考文献大多来自上世纪60至70年代Coffee Brewing Center的出版物，此后少有突破性见解。直到近两年，一对双人组合以科学研究带来水质新发现，震动了整个咖啡界。本期专栏就由笔者为各位介绍。
2014年，英国Bath大学Centre for Sustainable Chemical Technologies的博士生Christopher Hendon与当地咖啡馆老板Maxwell Colonna-Dashwood在Journal of Agricultural and Food Chemistry上发表了一篇关于阳离子与咖啡萃取的论文，题为《The Role of Dissolved Cations in Coffee Extraction》，由此拉开探索理想冲煮用水的序幕。
（Maxwell与Christopher／图片来源网络）
▼
水中离子对风味物质萃取的影响
该论文选取了水中三种常见阳离子：钠离子、钙离子和镁离子，分析它们对咖啡风味物质萃取的作用。作者先挑选七种化学物质代表咖啡风味：乳酸、苹果酸、柠檬酸、奎宁酸、绿原酸、咖啡因以及丁香酚。其中乳酸和苹果酸代表酸感（sour），柠檬酸代表甜感（sweet），奎宁酸和绿原酸代表刺激性（pungent）与不良风味（unpalatable），丁香酚（eugenol，也常见于咖啡威士忌和红酒）则代表令人愉悦的木质风味。随后用热力学方法计算钠、钙、镁离子以及水对这七种成分的相对结合能量（Relative Binding Energy），作为萃取指针。
研究发现，钠离子与所选咖啡成分的相对结合能量和水相当，意味着钠离子的存在不会干扰水与这些物质的结合，甚至钠离子对咖啡因和丁香酸的结合力还弱于水。因此作者认为，市面上常见的钠离子交换钙离子的树脂，功能最多只是减少水垢，对风味萃取并无多大帮助，甚至交换后富含钠离子的水还会影响某些风味的萃取（如咖啡因和丁香酚）。至于二价金属离子（钙离子和镁离子），它们与所选风味成分的结合能力优于钠离子，也强于水。这表明当水中存在这两种矿物质时，风味成分更倾向与它们结合，从而提升萃取率。
▼
离子特性优缺分析
进一步比较发现，镁离子的结合力又略胜钙离子一筹。值得注意的是，这些二价阳离子提升萃取是全面性的，也包括不讨喜的风味（如论文选定的绿原酸和奎宁酸），以及具有潜在药理作用的物质（如绿原酸有抗氧化效应，咖啡因会刺激神经和肠胃系统），因此选用时也需考虑健康因素，需稍加留意。
尽管钙和镁都有不错的萃取能力，但水中钙离子过量时容易与碳酸氢根结合形成水垢（Scale），影响热水设备，因此使用镁离子似乎是更优选择。文中也提到，冲煮速溶咖啡时，为达到最高溶解与萃取，使用含镁离子的水较理想；若冲煮浅烘焙咖啡，钙离子和镁离子的能力相当。论文发表后，立刻引发大家对镁离子的好奇，并开始寻找在水中增加镁离子的方法，进而有业者引进镁离子滤芯或交换树脂，供玩家尝试。
与其改变水质，不如以烘焙手法的调整来修正萃取
▼
深度解析咖啡与水
继2014年论文发表后，两人乘胜追击，于2015年底出版了一本专门探讨咖啡与水的专书，书名《Water for Coffee》。此书以先前研究为基础，并将论文未讨论的缓冲系统一并详细说明，内容充实完整，为咖啡界提供了很好的参考指针。以下简述内容纲要。
本书分三大部分。第一部分属科普知识，作者从宇宙诞生与元素周期表讲起，介绍常用化学名词及科学单位，供后续讨论使用。之后讨论水的液、汽、固态三相与温度压力的关系、热力学四大定律等有关水的物理特性；以及水的化学组成与结构，何谓极性与非极性，氢键的产生以及水与极性分子、非极性分子之间的关系；还有从热力学角度看待物质溶解，告诉读者物质溶于水的科学理论依据。接着谈到水的解离常数与pH值，酸与碱的定义、共轭碱与缓冲溶液以及水的碳酸盐硬度（Carbonate Hardness，KH）介绍，还有总硬度（General Hardness，GH）概念。
从架构看，作者应以现行SCAA建议的《water for brewing standard》中四种指针：TDS（Total Dissolved Solids）、pH值、Calcium Hardness（钙离子硬度）、总碱度（total alkalinity）为出发点，很有野心地打算对水做完整介绍，并提出自己的版本（如将Calcium Hardness修正为General Hardness，Total alkalinity改为Karbonate Hardness），为后续内容做学理铺垫。
我有些朋友翻到第一部分时，因内容太化学而纷纷打退堂鼓。其实这些化学我们在求学时都接触过，也许间隔太久，但请大家不要过早放弃，因为好酒沉瓮底！
▼
水质滤净及硬度与酸碱的探索
第二部分开始介绍目前测量水中矿物质的几种方法，如常用的“滴定法”、TDS测量以及实验室等级的原子吸收光谱（AA）和感应耦合电浆质谱仪（ICPMS）。接着谈到常见滤水方式：从简易去除农药等有机分子的活性碳滤芯，到阳离子交换树脂的原理及对水质的影响，还有逆渗透的原理介绍。值得一提的是，国外即便使用逆渗透，也较少直接饮用制造的纯水，通常会将高浓度离子废水部分回填至纯水中以补充矿物质；而在台湾则多将纯水过麦饭石滤芯以增加矿物质含量，两者略有不同。
接下来第三部分开始有趣了。首先是实作部分，作者以镁离子和钙离子为例，教导大家如何调制出不同总硬度（General Hardness, GH）、碳酸盐硬度（Carbonate Hardness，KH）以及调整pH值，甚至告诉大家如何上网选购所需药品及价格。如果有兴趣亲自尝试水中不同离子种类及浓度在冲煮咖啡风味上有何特色，建议参考SCAA《water for brewing standard》中的建议浓度加以调制，作为探索起点。
接下来讨论作者认为水中影响萃取的三个因子：钙离子、镁离子以及碳酸盐缓冲系统（bicarbonate buffer system）彼此之间的关系。有趣的是，笔者发现他们似乎察觉到发表镁离子有较好结合能力可能误导读者，毕竟钙离子也有相当程度。于是作者补充说明，他们更想强调的是水的组成成分对萃取的影响，而非单独强调某一种离子。他们回归到总硬度GH（镁和钙离子一起看待）的观念，毕竟在自然界要找到只含丰富镁离子的水源，就好比找到去离子水一样困难。再者，他们找了14个人对以钙离子或镁离子水冲煮的咖啡做盲测，差异微乎其微。
此外，在碳酸盐缓冲系统上，目前有许多同义词，如Alkalinity（总碱度）、Karbonate（carbonate）、Hardness（碳酸盐硬度）、temporary Hardness（暂时硬度）等。作者强烈建议不要使用alkalinity，因为碳酸盐有缓冲能力，而alkalinity会与alkaline（碱）产生误解。碳酸盐系统是作者强调的另一主轴，因为碳酸盐（KH）具有缓冲能力，不仅能稳定水的pH值，还能在冲煮咖啡时部分中和并缓冲咖啡的酸，因此KH含量多寡也左右了杯测表现。
▼
什么是最适合冲煮咖啡的水？
第三部分的最高潮，也是笔者认为最精彩的部分，就是开始讨论所谓的“最佳”水规格。作者重申，不应以单一离子做讨论，而应将三个因子的比率做动态考虑，于是推出了检视不同KH（碳酸盐硬度）与GH（总硬度，钙离子和镁离子的总和）浓度下的冲煮咖啡，作出冲煮风味图。
Maxwell与Christopher所提出的风味图概念
其中KH扮演的角色是缓冲咖啡的酸质：含量过少可能带来锐利的酸感，过多则会中和咖啡的酸，造成平淡的酸感，有时甚而引发沉淀，而有颗粒感（Chalky）。GH则是萃取指针，是将咖啡物质溶解出来的能力，GH越高则口感越厚重，反之则越空洞。如图所示，在不同GH、KH高低浓度所产生的四个极端风味之间就会出现一个可接受的区间，甚至在可接受区间里就会产生一个理想的区域。
最后，作者提出了“Roasting to water”的概念，其理论是世界上没有一种水所含的矿物质组成可以适合所有咖啡冲煮，因为水中的离子成分会影响咖啡风味，而不同地区水质条件都不同，煮出来的味道也就不一样。那么为了达到理想风味，因此提倡反向思考的概念：与其改变水质，不如以烘焙手法的调整来修正萃取。这可是一个全新的概念！然而笔者心中的理想境界则是有朝一日，我们对水质的掌控能随心所欲，便可以调整出不同GH与KH比率的水来冲煮不同产区的咖啡，甚至是不同烘焙度的咖啡。到那时，进咖啡店的客人除了传统选择之外，还多了水质的选项，如此搭配组合，品咖啡就将会变得更有趣了。
The above content is compiled by CoffeeHunters, a coffee news website.
