传统的咖啡豆烘焙过程一般分为三个阶段：

第一阶段即高温脱水阶段，通过高温脱去生豆内水分。此时豆内含水量大约为10%~12%，因此在第一阶段，豆温不会超过100 ℃。当水分降低至6%左右，豆温开始逐渐升高，在豆温升高到170 ℃左右进入第二阶段：高温反应阶段。不同咖啡的主要特征风味都在此阶段形成。此时低聚糖、α-氨基酸、蛋白质、绿原酸等等物质开始受热分解，同时伴随着美拉德反应等作用过程，随后放出包含CO₂在内的大量挥发性风味物质。挥发性风味物质的释放导致豆内压力增大，致使豆身爆裂，此时豆身一般呈现淡棕色，之后在190 ℃左右豆身会发生二次爆裂，咖啡酸味和香气下降，表面呈现深褐色。

第三阶段即冷却，咖啡豆达到预想的效果时，远离热源终止反应。

图1 咖啡烘焙过程的三个阶段^[1]

传统烘焙工艺以浅度、中度和深度等色差词汇，通过咖啡豆在加热过程中颜色的变化来描述烘焙程度。咖啡豆处在烘焙的不同阶段颜色的深度会有所变化，通过不同烘焙咖啡豆的色泽可以判断出其烘焙程度。不过由于烘焙设备存在差异性，烘焙条件应用范围也不统一。因此，通过颜色判断烘焙程度仅为初步判断，想要更为精确判断烘焙程度还需要通过进一步测定不同烘焙条件下咖啡中风味物质含量变化来确定。

表1 不同烘焙咖啡豆的色泽^[2]

咖啡冲泡是一种固液萃取过程，其中工艺参数对烘焙咖啡中存在的不同化合物的萃取动力学有重大影响。虽然咖啡萃取通常只需要几分钟，但这个过程直接影响到冲泡的最终质量。

图2 咖啡冲泡基本指南^[3]

咖啡萃取方法可分为三大类：

煎煮法（decoction methods）（煮沸咖啡、土耳其咖啡、渗滤器咖啡和真空咖啡）

灌注法（infusion methods）（过滤咖啡和拿破仑Napoletana咖啡）

加压法（pressure methods）（Plugger、摩卡和浓缩咖啡）

从广义上讲，煎煮法是一种需要固体和水长时间接触的分批操作;而灌注法需要热水流过咖啡床，允许与每个基本体积的水接触时间短。最后，在压力法中，水流由于压力驱动使其通过由咖啡粉构成的“coffee ground”（也称之为“coffee cake”，如下图所示）。

图3 主要咖啡提取方法的一般描述。

煎煮法：煮沸/土耳其 （A） 和真空 （B）。

萃取法：过滤 （C）。

压力法：柱塞/法式压榨 （D）;炉灶咖啡机/摩卡 （E） 和浓缩咖啡 （F）

事实上，咖啡萃取过程的复杂性加上应用知识的缺乏，使得高品质咖啡的酿造过程更像是一门艺术，而不是一门科学。很难以可重复的方式生产高质量的咖啡饮料。因此，这种缺乏可重复性是开发可持续商业模式的重大瓶颈。

咖啡的萃取过程：（1）咖啡粉冲水，（2）可溶性化合物从磨碎的咖啡到热水中的质量转移，以及（3）从咖啡固体中分离所得提取物。

在咖啡冲泡过程中，挥发性和非挥发性风味化合物用热水从研磨咖啡中提取出来，并分布在水，油和固相之间。

图4 咖啡萃取过程中涉及的主要参数的示意图。该图显示，原材料（生咖啡和烘焙咖啡）的化学成分、冲泡方法和工艺参数与咖啡冲泡的风味和质量有关。

咖啡豆主要由纤维构成，大部分是不能食用的，而有用的风味物质成分都集中在那很少的一部分内。一般来说滋味物质萃取60%~70%比较合适，也就是萃取率在18%~22%之间^[5]。

“简单地说，咖啡熟豆有70%是无法萃取的纤维质，能被热水萃出的滋味物最多只占熟豆重量的30%。但要泡出美味咖啡，不必硬把30%的水溶性滋味物悉数萃出，这会萃取过度。经过洛克哈特博士领导CBC所做的‘咖啡民意’大调查，以及美国军方MRI的调整后，发现咖啡的可溶滋味物，只需萃取出18% ~ 22%，咖啡酸甜苦咸滋味的品质最佳，也就是最均衡，最投好美国人味蕾。”^[6]

由于咖啡豆的构成特性，在冲泡咖啡时控制好时间、温度、压力以及水粉比可以间接控制咖啡萃取率，取得我们想要的冲泡效果。

图5 咖啡豆（图片来源于网络）

总溶解固体（TDS）比是饮料中溶解物质质量与饮料总质量的比例。提取产量（EY）是提取的咖啡可溶物的质量与所用咖啡粒的质量之比。EY和TDS 通常以百分比形式报告。

在过滤方法中，咖啡渣在冲泡的前2分钟内迅速释放可溶性物质。在此期间的可溶性产率约为18-22%，占可用风味材料的65-75%。冲泡5分钟后，水去除超过80%的可用可溶性物质。因此，较低的 EY（萃取不足的咖啡）导致以高水溶性化合物（如糖和酸）为主的甜酸杯轮廓，而较长的冲泡时间可能会导致某些极易氧化和降解的化合物的萃取率更高，从而影响感觉特征。

从88 ℃升高到98 ℃有利于脂质提取。研究表明，使用递增的梯度温度曲线（88-93 ℃）会导致咖啡因、一些酸性化合物和绿原酸提取的增加。在这些条件下生产的咖啡冲泡的特点是涩味和苦味平衡，奶油色泽好，香气强度、酒体和风味均衡。

在浓缩咖啡冲泡方法中，7-9 bar 的压力范围和92 ℃的温度是最有效地提取某些生物活性化合物（如咖啡因、三角林和烟酸）的理想选择。使用9 bar压力冲泡的咖啡饮料被描述为具有高泡沫稠度和香气强度，几乎没有负面风味。增加压力（高达11 bar）会增加粘度、身体强度和气味强度^[4]。

不正确的咖啡/水比例将导致风味不发达的饮料（咖啡过多或水过少）或过度提取的饮料具有苦味或淡味（咖啡太少或水过多）。

大多数咖啡冲泡方法在萃取过程中使用热水。然而，新的咖啡冲泡趋势集中在冷萃上。从2015年到2017年，美国冷萃咖啡的零售额增长了460%，表明其越来越受欢迎。

冷泡咖啡是在室温（20-25 ℃）或比传统热冲泡方法更长的较低温度下制备的，浸泡时间从8小时到24小时。几种冷酿方法包括滴注、浸泡，甚至法式压榨。由于提取条件（时间/温度）是独一无二的，冷萃方式提供了一种通常以甜味和巧克力味为特征的饮料，这可能与热泡咖啡不同。

咖啡萃取是决定咖啡冲泡特性的重要过程。在此过程中，提取水溶性成分，包括绿原酸，咖啡因，烟酸，可溶性类黑素和挥发性亲水化合物。虽然脂质部分不是水溶性的，但当使用高温和高压时，它的一部分会到达咖啡饮料中。饮料的多相性质以及非挥发性和挥发性化合物浓度决定了不同咖啡饮料的物理化学和感官特性。

图6 咖啡冲泡“金杯（Gold Cup）”表格^[7]

尽管热水冲泡咖啡的金杯图表仍然被广泛使用，但由于新的咖啡冲泡方法，其适用性正在迅速下降。

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