意式浓缩咖啡(EC)之所以受欢迎，是因为与其他冲泡方式相比，它能给消费者带来更大的感官满足。EC的质量很大程度上取决于提取过程和可控制的烘焙咖啡豆粒度分布之间的关系。本文对两种测量颗粒粒径分布的方法进行了实验研究。结果表明，咖啡中水的渗透性很大程度上受磨粒的比例和磨粒的微调的影响。结果表明，由于磨削毛刺的损伤和磨损，粒度分布的精度控制存在变化，通过监测这种分布可以预测毛刺的替代。

浓缩咖啡，磨削，精密筛分，激光衍射。

意式浓缩咖啡(EC)之所以受欢迎，是因为与其他冲泡方式相比，它能给消费者带来更大的感官满足。EC的质量很大程度上取决于提取过程和可控制的烘焙咖啡豆粒度分布之间的关系。本文对两种测量颗粒粒径分布的方法进行了实验研究。结果表明，咖啡中水的渗透性很大程度上受磨粒的比例和磨粒的微调的影响。结果表明，由于磨削毛刺的损伤和磨损，粒度分布的精度控制存在变化，通过监测这种分布可以预测毛刺的替代。

浓缩咖啡，磨削，精密筛分，激光衍射。

在全球范围内，咖啡是仅次于石油的第二大贸易商品，也是消费第二多的酿造饮料。咖啡的消费量占人口的很大比例(约70-80%)，而经常饮用的软饮料中有75%是咖啡饮料[1,2]。咖啡的流行不仅是因为它的美味和芳香，而且是它的刺激性质的结果。咖啡饮料的种类和消费方式与不同国家的社会习惯和文化密切相关。在过去的几年里，有证据表明咖啡对健康的益处，特别是它有助于饮食中抗氧化剂的摄入[5,6]，这有助于增加咖啡的消费量。

咖啡是一种通过在热水中从焙烤和磨碎的咖啡豆中提取可溶性物质而精心准备的饮料。理想的饮料被认为是一种经过研磨的固体重量提取了18- 22%的啤酒[8,9]。提取过程的结果对最终的味道至关重要。特别是，萃取不足的咖啡会产生较弱的酸味饮料，因为咖啡豆中的酸首先会溶解，而萃取过度(22-30%)会产生苦味饮料。为了获得理想的提取条件，冲泡咖啡所用的水的温度应在85ºC至95ºC之间[8-13]。当不使用速溶咖啡时，提取方法因地域和社会基础而异，个人选择他们喜欢的饮料的提取率较高或较低。不同之处包括真正的解决方案(如滴滤咖啡)，乳液状(如北欧煮咖啡)或浓稠的悬浮液(如土耳其风格的煮咖啡)[14]。

意式浓缩咖啡(EC)之所以受欢迎，是因为与其他冲泡方法相比，它能给消费者带来更大的感官满足。在EC中，磨碎的咖啡被放置在装有组柄的移动过滤器中，然后使用捣固器将咖啡压缩成咖啡球。然后将组柄安装到组头，提取过程可以从加热和加压水通过细咖啡渣转移开始。因此，其特性与重力萃取过滤咖啡不同，其咖啡渣的粗级和高渗透性。特别地，EC的酿造技术提供了大量的咖啡浓缩物，提取率高达25%[15]和余味，可持续15分钟，已发现与被称为crema的薄泡沫层的饮料性质有关，这是在恶化的油泡沫[14]中封闭的表面气体。此外，表面张力的相关现象，如泡沫和乳化液的形成和稳定，强烈地影响了感官饮料的性能。

仅在英国，每天就有7000万杯咖啡被消费，每10个成年人中就有1个每天光顾咖啡店[16]。英国消费咖啡店市场目前正以12%的速度增长，现有的14000多家咖啡店每年提供价值50亿英镑的销售额。这家英国最大的连锁店计划到2016年扩大50%，再开600家店，而全球市场领导者，在全球拥有约2万家店，计划在英国开300家新店[17]。许多其他品牌也在追随这一趋势，使提供高质量的咖啡成为商业成功的首要目标。

影响EC质量的因素很多，而提取过程与焙磨豆的控制和质量之间的关系是至关重要的。在这篇论文中，烘焙咖啡豆的研磨和由此产生的颗粒大小的测量是在准备浓缩咖啡的背景下进行研究的。特别地，进行研磨试验是为了表征咖啡颗粒大小的分布。通过比较新毛刺和旧毛刺的磨削尺寸，识别出的精密筛分和激光衍射测量将用于评估何时需要更换毛刺。

本文的组织如下。下一节将回顾烘焙咖啡豆的研磨技术。然后，实验设置用于研究咖啡粒度分布作为研磨方法的函数是描述。最后给出了实验结果，分析了各种磨削测量方法的性能。

在进行EC酿造时，必须考虑许多条件，如压力、温度和水流速率。多年来，许多研究人员已经对咖啡制备的这方面进行了研究。粒度分布在磨矿[18]中的重要性是一个不太为人所知的重要领域。由烘焙的阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡品种制成的EC咖啡，其独特的气味构成了一系列的气味。构成这些气味的化合物可以作为与原料、生咖啡加工、烘焙、研磨、储存和酿造过程[19]不同风味的客观指标。经过研磨的焙烤咖啡豆，释放出的香气可以和饮料的香气一样或更有吸引力。然而，这些香味是高度挥发和不稳定的化合物，因此它们在研磨[20]后不久就失去了。

研磨过程会导致咖啡豆组织和细胞破裂，加速一氧化碳的释放₂以及对油脂层形成至关重要的挥发性香气。研磨后的粒度分布通过滤篮中的咖啡量影响水的流速，通常称为咖啡渣。磨矿过程的主要目标是控制颗粒的分布，以达到适当的流体动力学条件，使其具有最优的表面面积来发挥热水[21]的作用。

研磨粒度和提取条件的优化组合可以促进可溶和可乳化物质的转移，香气进入咖啡饮料[22]。根据所使用的研磨技术，粒度可在0.2 μm至650 μm[23]之间，粒度越细，可溶组分被提取得越快，时间越短。因此，不同的酿造方法有不同的理想粒度[15]。颗粒大小和冲泡过程之间的关系是至关重要的，因为非常细的级别可能会导致过度提取，导致苦咖啡。这部分是由于降低流速，更高的输液压力和额外的液体与咖啡接触时间导致苦味成分和毒素的提取。当水以快速的速度流过咖啡渣时，冲泡压力有限，因此冲泡也有限。因此，研磨等级太粗会导致萃取量不足，因为颗粒接触的总表面太小，无法吸收水分，从而导致咖啡溶解和乳化。一般来说，EC咖啡需要细粉，而土耳其咖啡[24]则需要极细粉。

[25,26]研究了研磨对提取过程的影响，重点研究了品位与水比对咖啡因提取的影响。对于冲泡咖啡来说，当研磨等级较细时，可溶性和挥发性化合物的萃取量较高[27]，而且该等级会影响水的流速，因此会影响[28]物质的萃取量。这些研究都声称，小颗粒增加了接触水的表面，允许更有效的提取过程[24]。EC是一种多相体系，由糖、酸、类蛋白物质、咖啡因的水溶液、微小油滴的乳状液、固体悬浮液和顶部有小气泡的奶油泡沫组成。由于颗粒被精细压实，咖啡体积增加，固体浓度高，提取时间短，15-30秒，对研磨的控制对于生产美味的咖啡饮料至关重要[29,30]。泡沫的体积、持久性和稠度是咖啡豆中原本存在的二氧化碳含量的结果，EC冲泡可以被描述为“在压力下用热水将咖啡粉中的二氧化碳快速转移的方法”[31]。

油脂和二氧化碳之间的这种关系也延伸到研磨过程中。对于500 μm的咖啡研磨颗粒，已经证明超过70%的CO被锁定₂在烘焙过程中形成的美拉德反应在咖啡研磨后被释放，因此，以限制CO的有害影响₂因此，在研磨[32]后尽快制备乳油是必要的。也有报道，0-30分钟的时间范围是研磨和浓缩的理想间隔，不应超过，以保持奶油品质[31]。在研磨过程的控制方面，如咖啡豆的变异性、水分和烘焙程度等因素是重要的。细胞壁弹性的丧失和脆性的增加主要是由于咖啡豆在焙烧过程中产生的气体膨胀引起的。来自不同国家和工艺的植物种类和品种导致咖啡豆硬度的异质性。烘焙的咖啡颜色越深，咖啡豆就会变得越硬、越脆，最终会磨得更细。

咖啡粉随着时间的推移会氧化，影响味道。因此，研磨过程要么是小批量的过程，比如在咖啡店里，要么是大批量的过程，即预先研磨咖啡，然后储存在惰性气氛中。最近，家用咖啡研磨机让消费者可以购买整粒咖啡豆，然后在家里新鲜研磨。据估计，现在有15-20%的咖啡是作为全豆购买的。

用于EC的研磨机与泡制系统一样重要。商用浓缩咖啡机研磨机的基本设计是一种烤咖啡豆料斗，其重力地馈送研磨机机构。豆子落入向上旋转毛刺环（图1A）和向下的面向固定毛刺环的中心。上固定毛刺和旋转毛刺之间的距离控制浓缩咖啡研磨级，毛刺（图1b）的内部，提供豆粉碎和外部部分（图1c）提供细磨。在研磨过程中，过程温度也很重要。特别地，磨削毛刺的较低旋转速度可降低温度研磨，其导致较少的苦味。因此，具有高扭矩特性的900rpm旋转的研磨机比以1400rpm运行的较低质量的浓缩磨机更有利。研磨过程中加工温度提高的另一个原因是磨损的毛刺。特别是，毛刺切割边缘破碎豆类，当这些变得钝时，毛刺会在研磨时与咖啡一起加热（图2a）。为了减少磨削新毛刺期间的加热源（图2b）需要更换每500-600千克吞吐量。 This corresponds to approximately six months’ utilisation in a busy coffee shop. However, burr wear inspection and monitoring is generally left to coffee grinding machine engineers or the skill and knowledge of the professional baristas. Often burr wear and damage is unmeasured and ignored until machine failure. Figure 3 Illustrates the different wear observed on used burrs.

当豆被研磨时，所得到的颗粒离心地迁移到研磨毛刺环的外部，并且该研磨咖啡被引导到填充剂量室的芽中。剂量室的研磨咖啡重设定为预定义值，具有更高的研磨机，实现低剂量变化。落入剂量室的地面的分布在研磨机设计中变化，更期望的剂量在没有夹持的情况下向腔室滴到腔室中。失败剂量咖啡研磨机是磨咖啡在磨削的前几分钟内失去了大部分味道。咖啡芳香开始在研磨后直线递减，并且当储存在剂量室时，咖啡失去味道并变得陈旧和腐臭。这导致了对需求技术的研磨和研磨需求浓咖啡磨机（上帝）的创新。上帝磨床没有剂量室来储存咖啡。代替剂量室，它们设计有一个Porta过滤器保持支架，该支架直接在磨削芽下。Porta过滤器句柄的放置是在秒内为设置可调时间的持续时间开始研磨过程的原因。

与消费者的变化趋势为家庭酿造,和更先进的商业电子商务的崛起机器,需要描述咖啡粉的粒度分布以关系这一特点变量等因素提取技术,研磨质量、水温、水压、流量、烘烤类型和豆类品种。

本研究使用的设备是基于La Spaziale S1商用浓缩咖啡机和Mahlkonig K30浓缩咖啡研磨机(图4a)。这两台机器的设置控制提取过程，可互换的毛刺被安置在研磨室内(图4b)。以下部分描述了两种研磨装置和两种研磨尺寸测量方法。

为了证明研磨咖啡颗粒分布对EC提取时间的影响，采用了一种确定正确研磨咖啡粗度的方法。特别地，该方法依赖于计算通过咖啡篮输送的EC流量。EC萃取是通过咖啡渣中研磨颗粒的水力传导率的函数。要提取的咖啡质量的渗透性是通过调节咖啡研磨机的粗度来设定的。磨机调整法是咖啡师用来避免过度萃取和萃取不足的过程控制技术。用Mahlkonig K30浓缩咖啡研磨机和La Spaziale S1对一位专业的EC制造商进行了采访，结果表明，完成30毫升浓缩咖啡的提取大约需要25秒才能达到最佳风味。

为了生产不同大小的咖啡样品，首先将La Spaziale S1商用浓缩咖啡机的提取压力设置为9 bar，然后记录三种不同预先设定的研磨条件下提取30 mL咖啡所需的时间。因此，通过调整Mahlkonig K30浓缩咖啡研磨机的设置，就有可能生产出三种重量为17克的咖啡粉样品。使用Barista过程控制方法，发现含有更细颗粒的样品对30毫升送出的咖啡的EC提取时间为37秒，而其他两个样品的EC提取时间分别为17秒和25秒。然后用精密筛分法测量三个样品的粒径分布。

获得一组两种额外的研磨样品以评估用旧毛刺产生给定粒度分布的可重复性。基于研磨豆的方法25秒。EC提取时间是使用“Mahlkonig研磨”的商用咖啡研磨机，具有平坦圆锥形毛刺和“La Spaziale S1”商业浓缩咖啡机。考虑通过采访的专业人士提供最好的味道，采用9巴压力的提取时间为25秒。优化的设定实验认为，使用新毛刺使用旧毛刺的重量变化方面的重复性。旧毛头在他们达到磨削吞吐量的咖啡豆之间的磨削吞吐量方面旧。然后将这些毛刺替换为新的毛刺。总的来说，对于每个Burr对，产生了五个咖啡研磨样本。

在这项研究中，使用湿筛技术评估了咖啡粉的不同样品的粒度分布。该技术使用了带有Riley Syntron的湿筛堰进行振动控制，和Endecotts精密测试筛符合A.S.T.M.E.11规范[ISO 3310-1](图4)。称重(30克)的咖啡颗粒被装载到第一个筛上，随后在水流的帮助下分离到以下五个筛中。表1显示了所用筛子的孔径大小。完成分离过程后，将筛置于70ºC的空气干燥器中，直到颗粒完全干燥。然后将颗粒从筛子中取出，并称重。然后将筛子清洗干净，对不同的咖啡研磨样品重复这个过程，总共使用了5个样品。

激光衍射是一种从几百纳米到几毫米的材料粒度测定技术。使用ISO标准[33]和取样和色散标准[33,35]，激光衍射系统可以重复测量全尺寸分布，并在不到一分钟的时间内产生结果。在本研究中，使用马尔文大师3000激光衍射系统来验证两种不同样品的咖啡粉的尺寸分布，第一个样品是用旧毛刺从咖啡粉中提取的，第二个是用新毛刺从咖啡粉中提取的。为了确保选择的分析样品具有散装材料的代表性，我们收集并混合了5次研磨循环，然后将20克样品分散在去离子水中进行测量。为这两个样品所选择的分析设备设置见表2。

图5中报道的结果表明，对于用第一设定制备的所有三个研磨尺寸，所有三个样品的研磨重量的最高百分比高于250μm，并且只有粗磨的任何颗粒以上超过500μm（5.7％）。因此，结果表明，即使提取时间20秒的变化，大部分研磨颗粒的尺寸高于250μm。从图5中可以清楚地看出，导致37秒的提取时间的研磨机设置产生较高量的细45μm颗粒，因此细咖啡量增加了提取时间。因此，咖啡冰球的渗透性受其由其组成的颗粒的尺寸的影响。鉴于这种渗透性影响提取时间并因此影响味道，重要的是要理解应达到的地面颗粒的最佳尺寸。

该实验的目的是评估新旧毛刺的粒度分布，在这种情况下，旧毛刺已成为服务，并提供500-600千克的研磨吞吐量。该方法侧重于特定EC提取时间的单个优化的研磨设置。实验考虑了使用旧毛刺的优化设置的咖啡粒子变化，然后用新的制造商和规格的新毛刺替换。通过这种方式，实验将确定质量的建立的研磨设置具有由于在一段时间内使用后由于毛刺质量而具有自然粒度变化。对于每个毛刺对，产生五个咖啡研磨样品，并用湿筛分程序获得它们中的每一个的粒度测量。

在表3和图7中，对于旧的和新毛刺，在精密筛中测量最高的重量，孔径为300μm。应当注意，该尺寸在于咖啡保持篮的提取孔尺寸，其具有336.6μm的平均直径，标准偏差（σ）为40.1μm（图6）。300μm以上的颗粒显然是粘合尺寸，其防止较小颗粒的量增加流出篮筐并在饮料中结束。

在使用的五种精密筛中，300 μm孔筛的重量测量变异性最高。特别地，对于新毛刺和旧毛刺，300 μm筛的均值(SE mean)的标准误差分别为0.22和0.2，均值(SE mean)测量总体均值的精度，从而估计样本之间的变异性。对于四个较小的筛，新毛刺和旧毛刺的变异性都降低了，因为SE均值介于0.01和0.09之间。实现颗粒分布的小变异性对于确保可控制的提取时间和咖啡/水的表面体积比至关重要。特别是，当考虑提取时间重复性时，它变得很重要，这符合一个特定的口味目标。

重要的是，结果表明，尽管每个毛刺的测量之间的可变性是可比的，但新旧毛刺之间的称重分布存在变化。特别地，除了300μm尺寸外，新毛刺可以为所有研磨尺寸的重量平均减少。在考虑EC味道和研磨分布之间的关系时，新毛刺的旧毛刺的变化表明，300μm尺寸以上的粒子的重量可以增加约30％，粒度的重量在90μm和45μm之间的尺寸之间可以减少约20％。因此，毛刺的变化需要重置过程参数，并且在毛刺的整个寿命中考虑关于毛刺使用的研磨分布的变化很重要。

由表4可以看出，新型叶片的典型粒度分布(Dv 50、Dv 10、Dv 90)、表面积矩均值D(3,2)、体积矩均值D(4,2)均较高。图8表明，激光衍射测量的分布与精密筛分的结果相似。该图通过识别双峰分布反映了散装样品的真实分布，其中有两个明显的峰，一个在300 μm(最高存在)，另一个在50 μm左右。在检验筛分结果中(图7)可以看到，有证据表明新旧毛刺都存在双峰分布，其中45 μm颗粒的重量百分比高于90 μm颗粒的重量百分比。图8还显示了在毛刺之间的尺寸存在分布的明显变化。较新的毛刺在300 μm尺寸范围内存在较大的颗粒，而较旧的毛刺在50 μm尺寸以下产生较小的颗粒。两种毛刺在60 μm ~ 200 μm尺寸范围内的分布均有异常。因此，该区域表明毛刺的磨损不影响磨削颗粒的尺寸。

本文报道了商业咖啡研磨毛刺对颗粒大小分布的影响，从而影响EC提取过程的时间的实验研究。采用精密湿法筛分系统和激光衍射分析了研磨后的粒度分布。根据所得结果可以得出的主要结论如下:

作者想要感谢先进可持续制造技术(ASTUTE 2022)项目的支持，该项目通过威尔士欧洲资助办公室获得了欧盟欧洲区域发展基金的部分资助，使本文所基于的研究成为可能。有关ASTUTE的更多信息，请访问www.astutewales.com。