咖啡用水专业指南，看完更懂冲煮
本文转自：Roast杂志运营
关于咖啡用水，也可以查阅这篇文章
用哪种水冲煮咖啡最好？| 科普好文
咖啡专业实用用水指南(第一部分)
A Practical Water Guide
for
Coffee Professionals
(Part I)
Chris Kornman
前言
咖啡行业的科学研究集中在两个方向。第一 .科技提高设备的精准性，生产效率，人工智能，人机互动；第二.加强基础领域的研究，产地品种开发，种植加工处理科学化，可追踪性数据收集，处理与交换等等，对水的研究与探讨也是基础研究领域之一。
随着以科学为基础的专业资讯的不断出现，比如SCA的Water Quality Handbook,Maxwell Colonna-Dashwood和Christopher Hendon合作的Water for Coffee，咖啡师和烘焙师比以往更加意识到水在咖啡质量中的关键作用。
正文
我们不仅仅是列出水的分子式，而且要通过宣传水的重要性来尝试发现各种有启发性（利用和改进水）可能性。因此，我和一些同事一直在摆弄水。
本文分两部分，第一部分将巩固一些水的基础知识。我们还将介绍一些测试和准备水的实用方法。
水构成
水分子的构成比较简单H2O（一个氧原子与两个氢原子）。看似简单的水为各种复杂的化学反应提供了场所。
酸化和碳酸氢盐
水的复杂性的一个重要例子可以从它的分子结构看出。（一个水分子中2个氢原子和1个氧原子通过化学键的共价键结合），水的原子之间的结合有弱点（水分子中的氢原子和氧原子之间存在化学键，即二者相邻并存在强烈的相互作用，而两个氢原子之间及水分子和水分子之间不存在化学键)。
比如，当水接触到大气中的二氧化碳时，就会形成碳酸(H2CO3)。这也是一些牙医告诫不要喝太多碳酸饮料（二氧化碳 水)的部分原因;它是酸性饮料（雪碧PH3.3）高酸度饮料溶解牙釉质使牙齿变脆。
这仅仅是碳酸氢盐循环过程的第一步。人体血液中含有酸碱缓冲物质，如碳酸和碳酸氢盐;当血液中酸碱度发生变化时，缓冲物质就阻碍其变化以达到维持机体酸碱平衡的作用-让你健康的活着。
碳酸氢盐循环过程中，碳酸中带正电的氢离子(H )“离解”,留下带负电的碳酸氢盐(HCO3 -)。人体血液主要通过碳酸氢盐缓冲体系抵消少量的酸，少量的酸进入血液（不如说少量的氢离子(H ），酸的必要成分)，此时血液里碳酸氢盐HCO3－就会与氢离子H 结合生成碳酸，碳酸分解成二氧化碳与水，二氧化碳由人体的循环系统及呼吸系统排出去。
当少量的碱进入血液（OH-氢氧根离子,碱的主要成分），此时由碳酸(H2CO3)中和它们，生成HCO3-与水。这样维持人体酸碱平衡。
水中的碳酸氢盐根(HCO3 -)浓度可以被视为碳酸氢盐硬度（HK），它和水中的碳酸是水的主要缓冲物质防止pH值剧烈波动。（HK）的控制被视为水质管理不可或缺的手段。
为什么水的pH值会改变?纯态水（不是自然界的水，不含矿物质）很容易与各种物质结合，比如二氧化碳，对pH值产生很大的影响。全球供水酸化现象就是有力证明之一。
矿物含量和总溶解固体
石灰石（主要成分碳酸钙(CaCO3)）为我们提供了另一个例子说明水的吸收能力。碳酸钙本身基本上不溶于水，但是当雨水流过地面或通过地下通道时，
碳酸钙(CaCO3)在水中遇到二氧化碳时（雨水/及自然界的水含有二氧化碳显酸性），会产生碳酸氢钙就溶于水了。当二氧化碳浓度下降时（溶液非常稀）碳酸氢钙会与水分离，附着在任何与之接触的东西上:热水锅炉，水管，水龙头，你能想到的。我们称之为水垢。
（ limescale水垢/水里的碳酸氢钙(Ca(HCo3)2）和碳酸氢镁（Mg(HCo3)2)，在沸腾的水里分解，放出二氧化碳(Co2)，变成难溶解的碳酸钙(CaCo3)和氢氧化镁（Mg(OH)2)）。
石灰石中的钙Ca2 是水中最常见的硬矿物质之一，水中也含有镁离子 Mg2 。此外，因为管道或蓄水池等原因你经常可以在水中发现其它微量的铁，铅，铜，硅和铝等金属离子。其他金属离子可能包括钠和碳酸氢钾（化学上称为金属离子，生活中叫矿物质）。所有这些金属离子都将影响水的TDS，这个数字有时也表示为水硬度。
（溶解性总固体/TDS，测量单位为克/吨,它表明1吨水当中含有可溶解固体物质的克重，而1吨水中含1克可溶解固体物质，也就是1 part per million，重量的百分率，缩写为ppm，ppm一般作为测量TDS的单位）
但这还远没有结束。水经常被化肥或鱼屎中的亚硝酸盐和硝酸盐、处理后的氯胺和氟化物、硫酸盐、氯酸盐和许多其他不良物质所影响。在美国的大部分城市你能够得到这些信息。
其中一些可以通过滴定分析来测量。你可以通过电导率测定仪来大致了解水的构成。然而,对于大多数人来说,最准确的的方法是将用水送到实验室做分析。
咖啡用水
水的复杂结构需要一些管理与选择。在选择水配方时，基本上有三件事需要牢记:冲煮设备的寿命、感官质量和饮用安全。
维持水处在一个相对中性的pH值（有些人倾向于轻微的碱性）；硬度适中的水将有助于保护咖啡机锅炉，浓缩咖啡机和其他设备。稍微的碱性碳酸氢盐循环可以作为pH值波动的缓冲，失去碳酸氢盐缓冲体系的水具有腐蚀性的（水质趋酸性化）。
咖啡用水清楚地证明了钙和镁离子在有效萃取咖啡中的益处。Hendon和Colonna-Dashwood断言，镁比钙更有效一些，他们似乎更喜欢它的味道，而且它还有一个额外的好处，那就是不会像钙那样产生水垢。然而，钙的自然含量比镁高。SCA’s water specification中使用钙作为水的硬矿物质含量的基准。
剩下的东西——通常是氯胺、硝酸盐和其他一些微量污染物——通常可以用活性炭块过滤。这是过滤的第一步——它能提供你水质安全，而且不会去除（咖啡人感兴趣的）矿物质。它几乎可以消除任何可能影响水的颜色和气味的东西。在我看来，每个人都应该有一个饮用水活性炭过滤器。
接下来的事在很大程度上取决于你的个人感官和所在地水资源成分。
硬质水解决方案
水硬度超过150- 200ppm的地方可以通过矿物还原来解决（SCA水标准/ppm值在125-175之间），最常见的两种方式是离子交换和反渗透。
大多数桶式水过滤系统可以提供不同程度的离子交换。硬质水流经一个树脂层，一般是由磺化的聚苯乙烯颗粒组成。这些颗粒中蘸满了钠，硬质矿物离子(钙、镁等)附着在树脂层上，同时树脂层上的钠离子被释放入水中（以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质）。这个过程通常也会增加水的碳酸氢盐缓体系的缓冲碱度，并可能导致盐度增加。
（根据英国水质协会(WQA)的报告：在离子交换的软化过程中，水中硬度每下降一个“X”，每升水中就会增加8毫克的钠。举例来说，当水的硬度是10X时，如果水中硬质的矿物成分都被软化器滤掉的话，每升水中会增加80毫克的钠!）
然而，许多现代桶式水过滤系统具有高度可编程和精确的水软化功能。除了需要定期更换软化器，它们占用相对较小空间。
反渗透（reverse osmosis/RO）利用一种薄膜将水的总溶解固体含量降低到几乎为零。（给水加压之，水将由高浓度流向低浓度，亦即所谓逆渗透原理，只有水分子及部分矿物离子能够通过薄膜，其它杂质及重金属均被排除），由此产生的“空/纯”水将和一部分经过活性碳过滤/离子交换软化的水重新结合以达到预设的TDS值。反渗透系统通常需要一个独立的水泵和定制的输水管道来提供足够的管道压力和合适的通道来将水送到预定的目的地。
如果你的水质特别硬，RO可以提供一个有效的方法来减少矿物质含量。然而，也存在一些缺陷。冲洗薄膜所需的水量非常大。许多有水质的地方也容易发生干旱，经过处理被排除的大量干净的水可能本身就是一个问题（原水利用率只有75-80%）。
咖啡专业实用用水指南(第二部分)
A Practical Water Guide
for
Coffee Professionals
(Part 2)
Chris Kornman
软水解决方案
在软水的情况下（一般硬度在50ppm或以下），某种形式的矿化是可行的（增加水中的矿物质），既可以帮助的萃取咖啡，也可以防止设备因低碱度而受到腐蚀的可能性。
软水再矿化比在硬水中减少矿物质（软化）的难度要大一些。净水器有矿化滤芯选择，珊瑚沙是一种常见的选择。在大多数情况下，再矿化取决于接触时间。如果水以恒定的速度在系统中流动，微量矿物质可以的溶解。相反，如果水力停留时间越长或流速增大会导致矿物含量突然增加。
Global Customized Water 提供了一些选择，以优化咖啡用水(在反渗透处理后的纯水/蒸馏水/去离子水中加入液体矿物质liquid mineral addition)， Third Wave Water 也有类似的选择，可以使用预先配制好的（粉状）矿物质剂量包。
third wave water
多数人用T.D.S.的测量单位ppm（百万分之几)来表示水中矿物质的总量（主要指钙镁离子）。ppm不能准确告诉我们水中我们所关心的矿物质实际含量，大多数科学家仍然使用碳酸钙(CaCO3)作为测量水中任何矿物质浓度的标准/单位。
third wave water
摩尔质量
碳酸钙的摩尔质量是100g/mol，即1摩尔碳酸钙的质量是100g。
摩尔质量是科学家用来计算物质分子的常用数值（国际上规定1mol物质都含6.02*10 的23次方个该物质的微粒）。物质的摩尔质量（ molar mass单位是g/mol ）在数值上等于该物质的相对原子质量或相对分子质量（Relative molecular mass）。
应用实例
假设我们在1升水中加入了1g氯化镁(MgCl2)形成六水氯化镁(MgCl2 * 6H2O)，氯化镁中的镁离子大约占11.9%，这样我们会算出水中镁离子的ppm读数为119（1g /L x 11.9% = 0.119 g/L = 119ppm ）。
（我们还添加了约348ppm的氯，这其中有原因，我待会再讲这个问题，现在只要记住119ppm的镁）。
镁的摩尔质量为24.305 g/mol，它的密度明显低于碳酸钙摩尔质量100g/mol。如何以碳酸钙为单位表示镁？
100g/mol÷ 24.305g/mol = 4.11。这意味着碳酸钙的密度是镁的4.11倍。
119ppm的镁乘以4.11. 因此，当以碳酸钙表示时，水中119ppm 的镁大约是为489 ppm。
这非常令人困惑。是的，但是当我们开始讨论矿物质浓度时，很明显119和489不一样。
配置自定义的水
当你使用镁、钙和碳酸氢盐来配置自定义的水时，使用表格中的数字做摩尔质量转化计算。
假设你想配置的水中有40ppm的钙Ca2 ；40ppm的镁；40ppm（碱性）碳酸氢钾（注 /都以碳酸钙为单位表示）总共4升，矿物质含量的计算为：
40ppm 钙（Ca2 ） ÷ 681.2 = 0.0587 g x 4L = 0.235 g 氯化钙（4升水中有0.235 g 氯化钙CaCl2）
40ppm 镁（Mg2 ） ÷ 489.6 = 0.0817 g x 4L = 0.327 g氯化镁（4升水中有0.327 g氯化镁MgCl2）
40ppm 碳酸氢根HCO3– ÷ 595.32 = 0.067 g x 4L = 0.269 g 碳酸氢钾（4升水中有0.269 g碳酸氢钾KHCO3）
氯
现在我们来解决氯（ chloride）的问题。建议水中少量使用氯离子——在一定程度上，硫酸盐会提高水的导电性，并且在某些条件下如低pH、高压和/或高温下对金属具有腐蚀性。例如，咖啡机制造商对水中的氯化物含量和导电性设定了严格的限制。
在我们之前的例子中，添加的1g的氯化镁(MgCl2)会导致镁和氯的浓度非常高。为了减少0.1克的氯化镁，我们添加了适量的镁(49ppm，以碳酸钙为单位)和安全量的氯化物远低于200ppm。然而，在高温和高压下，氯化物和氯离子的腐蚀性会增强，即使是35ppm也会超过La Marzocco浓缩咖啡机所要求的规格。
咖啡专业实用用水指南(第三部分)
感官数据
A Practical Water Guide
for
Coffee Professionals
(Part 3)
Chris Kornman
在本系列文章的前半部分中，我们对水的化学和成分进行了深入的研究，同时探索了咖啡专业人员在调理水方面有哪些选择。
在第三部分中，我将重点关注感官数据，以及我们对水的配方和咖啡的味道得出什么样的结论。
碱度(Alkalinity)
腐蚀和结垢二者之间存在一个巨大的空间，这个空间中允许存在不同矿物浓度的水质类型，但这个空间对与于碱度的适用范围很窄。就碳酸氢盐（ bicarbonate碳酸氢盐溶于水，水溶液呈碱性，与酸迅速反应放出二氧化碳气体 ）含量而言，SCA水质手册建议，如果碳酸氢盐含量低于40ppm(以CaCO3为单位)，会导致水的缓冲能力过少无法在沸腾温度下防止腐蚀。然而，高含量的碳酸氢盐通常味道不好。
SCA假设，当使用较硬的水时，碳酸氢盐上限为75ppm(碱度/以CaCO3为单位)，而《Water for Coffee》一书指出，大约80ppm的碳酸氢根离子（bicarbonate HCO3–） (130pm/以CaCO3为单位)属于较硬的水。
在任何一种情况下，大量的碳酸氢盐都会降低咖啡的酸度并产生额外的二氧化碳，从而影响咖啡的萃取，(手冲闷蒸时产生过多二氧化碳或意式浓缩萃取时产生过多crema ）。
上文讲到碱度的适用范围很窄，非常容易就可以超出这个范围。例如，如果在1升蒸馏水中放入0.1克小苏打，碳酸钙含量就能达到50ppm(碱度/以CaCO3为单位)。但如果你放入0.2克小苏打，碳酸钙含量会上升到100 ppm(碱度/以CaCO3为单位)，这可就是硬度极高的水了，可能超出了冲煮咖啡的需求。”
最近，我与“第三波水”的首席执行官Taylor Minor进行了交谈，因为我注意到他们的产品“Classic” 的水成分中没有提到碳酸氢盐碱度 （bicarbonate alkalinity）。他说，这主要是在杯测中确定的，由于第三波水作为一种定制化产品不必被固定的碱度所束缚。”
在我们的测试中，高碱度的水通常会导致平淡（flat），颗粒感（chalky），咖啡酸度降低，风味不清晰（muddled）。在较低比例情况下（大约1份碱对2 - 3份硬矿物质）效果会好一些。仅仅含有碱的水，即使是在“理想”范围内，也缺乏合适的矿物质来提取咖啡的甜味，尽管在较深烘焙的咖啡中表现最好。
钙
存在于在大多数水域中，是最丰富的天然硬矿物质，也非常适合咖啡萃取。
钙是很好的萃取剂，很容易与各种咖啡酸结合。然而也存在形成水垢的风险。在较高的温度下，水垢更容易形成，例如浓缩咖啡机加压蒸汽锅炉比热水塔更容易形成水垢。（这也很大程度上取决于有多少新的、未加热的水流入系统）。
无论如何，考虑到钙是我们水源中常见的天然硬矿物质，检验它对咖啡冲煮的定性影响是有意义的。
在我们的试验中，仅仅含有钙的水一直受到小组中大多数人的青睐。它以令人愉快的方式突出了咖啡的酸度(无论何种加工方法或烘焙度）。在冲煮深度烘焙咖啡时，与其他矿化水相比，富含钙的水保持了最佳的酸度——这是我们小组认可的一个特征，但对于深度烘焙咖啡的爱好者来说，可能风味并不总是令人满意的。
需要注意的是，人的偏好可能与适应/习惯有关。在这种情况下，可能是因为含钙的水最接近我们的日常饮用水，我们也对由此产生的咖啡风味形成一种偏爱，而不是含钙的水客观上就一定比其他类型的矿化水更好。
镁
Christopher Hendon和Maxwell Colonna-Dashwood认为镁是一种神奇的矿物质。他们能够证明这种方法在咖啡萃取时更有效，而不存在水垢的风险。他们也喜欢它的口味。
自然产生的富含镁的水比较罕见，所以要达到这一目的通常需要人为配制。然而，由于镁的摩尔质量低，将镁加入水中会增加设备腐蚀的风险。
我们的品尝小组成员发现了许多积极的特征，水中的镁可以表现出咖啡的甜和花香，特别是在较轻的烘焙中。然而，在烘焙度加深的情况下，许多品尝者发现这种甜感过多,甜得发腻的。
对我们来说，少量的镁有助于带出咖啡的甜感，当它与钙搭配时，它可以帮助平衡咖啡的风味，而不会让人觉得太过于甜腻（ sweet and sticky）。
实验
我们进行了两轮有据可查的口味测试，使用了不同的机制来记录我们的数据。我的品评小组包括了整个皇冠小组:Sandra Loofbourow, Jen Apodaca, Evan Gilman(都是 Q graders)，Richard Sandlin和我。
第一轮
我们的第一轮测试包括了三种不同的烘焙度(55 Colortrack浅，65中，70深)，两种不同处理法的咖啡:日晒埃塞俄比亚，水洗埃塞俄比亚。三个不同的水配方都有非常高的矿物质含量，试图测试每一种矿物质对咖啡风味影响的极限。三个不同的水配分别是：钙配方(粉色)，镁配方(蓝色)和一个碳酸氢盐配方(绿色)。你可以在下面看到确切的配方，但要注意，由于腐蚀和水垢形成的原因，这些配方都不推荐使用。
杯测并不是完全是盲测;可以参考色度卡，烘焙度。所有人做笔记并按喜好排序，不必做感官评分。
除了浅烘焙的水洗处理咖啡外，钙配方在总体上比其它配方更受青睐，不过镁配方效果也不错，主要体现在浅度烘焙咖啡中。钙配方的影响于集中在酸度上，而镁配方更甜，更有花香，更醇厚。
钙配方（粉色）风味描述
镁配方（蓝色）风味描述
碳酸氢盐配方(绿色）风味描述
相比之下，碳酸氢盐配方的酸度有限，口味柔和，口感呈颗粒状。然而，如果把它用在较深烘焙风格上，效果似乎会好一些——对于那些喜欢喝到达“二爆”咖啡的人来说值得一试。
咖啡专业实用用水指南(第四部分)
感官数据
A Practical Water Guide
for
Coffee Professionals
(Part 4)
Chris Kornman
第二轮
第二轮测试仅仅使用一款高分数的墨西哥精品咖啡，并探索了一系列的水配方以及水配方对咖啡酸度、甜度和粘度/醇厚度的影响。以下是水的组成:
实验用水
蒸馏水
第三波'classic'
Global Customzied Water
SCA 'ideal'
SCA 'ideal'
Potassium Bicarbonate
Sodium Bicarbonate
硬水
毫无疑问，你会发现一些奇怪的事情。电导率计仪（TDS读数）虽然可靠但不是极为精确，我的电量滴定器主要用于测量水族箱(钙离子浓度约为400ppm），添加矿物质时出现一点小错误就会导致TDS的大幅波动。注意pH值。小苏打确实能产生最大碱性的溶液，而镁对酸度却没有明显的影响。
（编者注：钙离子浓度400ppm大约是1000ppmCaCO3=400*100/ 40（钙的当量重）)
下图，SCA heritage water spec(红色虚线)和Colonna-Dashwood/Hendon(虚线)被覆盖。您会注意到，由于计算错误，我配置的水的碱度略低于预期值。
蒸馏水(黑色)
第三波'classic'(紫色)
Global Customzied Water(橙色)
SCA 'ideal' Calcium(粉色)
SCA 'ideal' Magnesium(蓝色)
Potassium Bicarbonate(绿色)
Sodium Bicarbonate(深绿色)
硬水(红色)
下图中，定量/性分析的结果可以帮助阐明每一种矿物的影响力，以及它的相对浓度水平，对整体风味的贡献。杯测采取盲测形式，以帮助防止偏见。
甜(蓝色)
酸(橙色)
醇厚度(绿色)
这里有一些有趣的观察值得讨论。只有碳酸氢盐而没有硬矿物质的水域甜度最低(Potassium Bicarbonate)。碳酸氢钠导致了咖啡粉会在水面上形成一层更厚和带有更多气泡的咖啡渣壳(Sodium Bicarbonate)。
令人惊讶的是，蒸馏水的表现非常好，获得了最高的计分，以及最高的评级，酸度平衡，甜度适中，口感顺滑。
小组中的Jen指出，(也许)水中太多的化合物反而会影响咖啡味道。比如，硬水的酸度在图表中最低，但醇厚度在图表中比较高——又厚又浑浊(muddy)，也许适合便利店的咖啡，但不适用于专业烘焙的精品咖啡。
由Global Customized 和Third Wave Water的配方水达到了很好的平衡效果。Jen和Sandra对第三波 “Classic” 的评价很高，而Evan和我对Global Customized印象深刻。Global Customized 似乎产生了一种更具酸的咖啡，可能是因为它的钙含量，而第三波萃取似乎更关注醇厚度，可能是因为它的矿物混合物中含有镁。
最后，“ideal” Calcium钙和 'ideal' Magnesium镁符合第一轮测试的口味。钙配水产生的酸性更强，在整个小组的评分都很高，在总分上只比蒸馏水低一点。镁配水的分数要低得多——除了Sandra，她给出了较高的分数，但是在她的笔记中给出了一个明确的注明“我不喜欢”——五位小组成员中的三位使用了“flat”这个词。
当然，分数并不是一切。Jen对SCA “ideal” 钙配水的评论引起了我的共鸣:虽然从cupper的评分来看，水看起来很不错，但在味道表达上感觉有点淡。它在酸度、甜度和醇厚度都还不错，但在口味的愉悦度(pleasurability of taste)上并不好。总的来说，蒸馏水、Third Wave和Global Customized定制水似乎有一个更好的整体风味轮廓。下面是前四名水的风味美味描述:
蒸馏水(橙色)
第三波'classic'(蓝色)
Global Customzied Water(绿色)
SCA 'ideal' Calcium(粉色)
结论
最终，我们发现有很多好的(水)解决方案，但是没有完美的答案来制作最好的咖啡。无论使用的是水龙头流出的水，还是来自水处理系统，或小批量的定制水，选择将在很大程度上取决于烘焙风格和对质量控制的决定人。
希望所有这些关于碳酸氢盐、碱、钙和镁的讨论都没有把水的问题搅浑，相反，它们为那些有兴趣制作好咖啡的人提供了(相对而言)简明易懂的指南。我鼓励你自己做一些尝试，看看你能做出什么样的味道。
全文完