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来自贵阳的邹旸获得了今年的CBrC的冠军（决赛回顾），其中邹旸在咖啡冲煮的过程中使用液氮浸渍过的咖啡豆进行研磨，其粒度分布会更加地均一。原本在常温下研磨粒径≥1700微米的粉粒在经过液氮处理之后就几乎为零，那到底为什么用液氮浸渍过后研磨的粒径会更加均一呢？而之前介绍过《Water for Coffee》的作者Hendon的一篇关于咖啡研磨的文献《The effect of bean origin and temperature on grinding roasted coffee》，我把文献原文放在了公众号，大家感兴趣的话，可以关注公众号后输入“液氮咖啡”获取原文。本文分为三个部分：我们先简单地解读文献，再从粉体工程学的角度谈咖啡研磨，然后解释低温粉碎技术基本原理。文献解读这篇文献主要分两个部分探讨咖啡研磨的影响因素，一个是咖啡的产地、一个是温度，我们主要讲温度这一块。为了探究温度对于咖啡研磨的影响，Erol Uman等人采用Mahlkönig EK43咖啡磨豆机分别在液氮（-196℃）、干冰（-79℃）、冰箱（-19℃）以及常温（20℃）这四种不同的温度下对咖啡进行研磨。然后通过激光衍射对粒径进行分析，于是得到了以下a、b、c、d这几个图。
我们来分析上面这几个图。首先是a图实线部分表示的是不同温度下咖啡粉粒度分布。可以看到在-196℃、-79℃、-19℃下咖啡粉粒度分布相较于20℃更接近高斯分布（Gaussian distribution）。从a图的粒度分布曲线形状以及c图各个温度下的偏倚程度，可以看出来-196℃的咖啡粉粒度分布对比-79℃、-19℃的更窄一些，粉径的均一性更好；随着温度的升高，可以看到曲线的μ值（平均值）都有不同程度的右移。而a图的虚线部分表示的是不同温度下咖啡粉不同的粉径的相对表面积的贡献分布。从b图看出随着温度的升高其曲线模型向非线性变化的趋势，也就是说在一定范围内，温度的升高，会让粒度分布更分散。从文献的结果可以看出，温度确实是影响研磨均一性的影响因素，且低温有助于提高研磨的均一程度。从粉体工程学的角度谈咖啡研磨首先，我们先搞明白什么是粉体工程学（Powder Engineering）。粉体工程学是一门以工业生产中的粉体（Powder）为研究对象，研究其在生产中的运动规律、性质和应用的基础性综合学科。其学科内容主要涉及到材料学（Materials science）、机械力化学（Mechanochemistry）、表面化学（Surface chemistry）、物理化学（Physical Chemistry）等等基础学科。为了帮助大家更好地理解，我会对专有名词做出尽可能简单直白的解释。学习就是要不断革新自己，希望大家能够耐心阅读。■ 粉体的特性粉体是以颗粒为基本单位组成的颗粒群，从广义上讲粉体颗粒并不局限于固体颗粒，还有液体颗粒以及气体颗粒。按照粉体颗粒的尺寸大小可以分为：一般颗粒（particle）、微米颗粒（microparticle）、亚微米颗粒（sub-microparticle）、超微米颗粒（ultramicroparticle）以及纳米颗粒（nano-particle）。
上下滚动查看更多绝大多数粉体不可能是由同一粒径的粒子所组成的单分散系统，而是由不同粒度的颗粒组成的多分散系统，因此对于粉体最重要的粒度特征是平均粒度和粒度的分布。粉体颗粒越小，其相对表面积越大，其表面自由能也越大，同时具有了较大的扩散系数。以上就是粉体的基本概念以及其几何和物理性质。■ 机械粉碎法制备咖啡粉体从粉体工程学的角度看咖啡研磨其实是机械粉碎法制备咖啡粉体的过程。咖啡研磨其实是机械粉碎法的其中一种方式，机械粉碎法的方式有挤压粉碎、冲击粉碎、摩擦剪切粉碎和劈裂粉碎等。我们常用的无论是手摇磨豆机还是电动磨豆机在粉碎机械中都属于粉磨机械（Comminution Machine），排料中粒度小于3mm的含量占总排料量50%以上的机械称为粉磨机械。
当咖啡豆承受外力的作用时，首先会发生弹性变形，这个时候其实咖啡豆还没被破坏，当变形达到一定的值之后其应力会增加，因此变形还可以继续进行。当应力达到了弹性的极限时候就会出现永久不可逆变形，这时候咖啡豆进入塑性变形的状态，这个现象称为屈服（Yield），我们把应力达到弹性的极限时候的应力值称为屈服点（Yield point）。只有当突破了塑性变形的极限，咖啡豆才会被破坏。这就是咖啡研磨粉碎的机理，也是粉碎的基本机理。我们对咖啡研磨更关注的是，如何使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，均一性更好，并且让咖啡中挥发性的风味物质在研磨过程中尽可能地被保留在咖啡粉体当中。邹旸给出的答案是低温粉碎技术（Cryogenic crushing technology）。低温粉碎技术其实低温粉碎技术在我国各个领域很早就已经开始了广泛的应用，例如在中药药材工业制备、电子废品回收、橡胶材料粉碎等等。低温粉碎技术的基本原理主要是基于热力学原理，物质在低温状态下，分子间的运动程度会大大降低，导致分子间的内聚力（Cohesive forces，可以是范德华力，也可以是静电引力等等）降低，从而导致物质的机械强度降低，也就是“脆化”。不同的物质的脆化温度都不大一样。物质在脆化的状态下进行机械粉碎就可以使排料粒度分布变窄，其本质是提高了屈服点，由塑性变形直接转变为脆性变形。并且在低温的条件下，在常温下具有挥发性的物质其饱和蒸气压会大大地下降，因此在低温条件下进行粉碎操作可以有利于保留在常温下具有挥发性的物质。邹旸使用液氮作为冷却剂可以让咖啡豆迅速冷却到极低温，让咖啡研磨转为脆性变形，使得咖啡粉粒的粒度分布更窄，提高均相性。并且通过控制咖啡豆研磨暴露在大气的时间，也可以尽可能地保留更多的挥发性风味物质。■ 拓展那么除了低温粉碎技术以外还有其他粉碎方法具备这样的特点吗？答案是，有的。那就是利用过热蒸汽（300-400℃）或者高速气流（300-500m/s）的能量对物质进行粉碎操作，这属于气流粉碎法。区别于机械粉碎法，气流粉碎是一种无介质磨。气流粉碎具有产生的颗粒粒度分布窄，不存在物料的损耗，颗粒表面光滑，形状规则等等优点，而且在整个粉碎过程中温度不高。（写到这儿，莫名有种预言家的感觉）注意：液氮属于化学危险物质，请在相关专业操作人员指导下使用。▼-欢迎扫二维码关注原作者 -
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