調(diào)整注水高度與流速可提升手沖咖啡效率，減少咖啡豆用量
近日，美國賓夕法尼亞大學Arnold J. T. M. Mathijssen研究團隊在《Physics of Fluids》期刊發(fā)表了一項關(guān)于手沖咖啡流體動力學的研究。該研究通過實驗揭示了注水高度與流速對咖啡顆?；旌霞疤崛⌒实挠绊懀⑻岢鐾ㄟ^優(yōu)化沖泡參數(shù)減少咖啡豆用量的新策略，以應(yīng)對氣候變化對阿拉比卡咖啡種植的威脅。
研究背景：氣候變化下的咖啡效率挑戰(zhàn)
咖啡是全球消費量最大的飲品之一，2021-2022年度消耗量達105億千克。然而，氣候變化正嚴重威脅阿拉比卡咖啡的種植，而替代品種如羅布斯塔咖啡的風味差異較大。因此，如何通過提升提取效率減少咖啡豆用量成為關(guān)鍵問題。手沖咖啡因注水高度與流速可自由調(diào)節(jié)，成為研究重點。
實驗方法：從透明顆粒到真實咖啡的驗證
研究團隊首先用透明硅膠顆粒模擬咖啡渣，通過高速攝像機與激光片觀察水流沖擊下的顆粒運動，量化混合效果。隨后，使用真實咖啡粉進行沖泡實驗，測量總?cè)芙夤腆w（TDS）以評估提取效率。實驗中，注水高度從2.5厘米至22.5厘米不等，流速分為15克/秒（厚水流）和5克/秒（薄水流）。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：注水高度與流速的協(xié)同效應(yīng)
1.注水高度提升混合效率
實驗顯示，注水高度增加時，硅膠顆粒的混合指數(shù)顯著上升。即使存在漂浮顆粒層（模擬咖啡沖泡中的“悶蒸”階段），混合效果也未受明顯影響。
2.薄水流在高注水時穿透力不足
較薄的水流（直徑1-2毫米）在較高注水高度下因空氣夾帶效應(yīng)導(dǎo)致動量損失，無法有效穿透咖啡床，反而不利于提取。
3.雪崩動力學驅(qū)動持續(xù)混合
水流沖擊咖啡床底部時，顆粒因重力塌陷形成“雪崩效應(yīng)”，引發(fā)顆粒的懸浮與再分布，從而實現(xiàn)持續(xù)混合。這一機制在厚水流（直徑3-5毫米）中尤為顯著。
4.實際咖啡實驗驗證提取效率
使用真實咖啡粉的實驗表明，厚水流在高注水高度下TDS值顯著增加（圖7a），而薄水流因沖泡時間延長，各高度下的TDS差異較小但整體較高（圖7b）。
應(yīng)用意義：優(yōu)化沖泡策略減少咖啡豆需求
研究提出，通過提高注水高度（增加混合）與降低流速（延長接觸時間），可在減少咖啡豆用量的同時維持咖啡風味。例如，使用厚水流時，注水高度每增加10厘米，TDS可提升約15%。這一發(fā)現(xiàn)不僅適用于家庭沖泡，也為咖啡行業(yè)提供了節(jié)能減排的新思路。
跨學科價值：從廚房到工程與環(huán)保
該研究揭示的流體-顆粒相互作用機制，對瀑布侵蝕巖石、大壩沖刷防護等工程問題具有參考價值。此外，團隊強調(diào)“廚房流體力學”研究的科普意義，鼓勵通過日?，F(xiàn)象激發(fā)學生對流體力學的興趣。
論文通訊作者Arnold Mathijssen表示：“我們的目標是通過科學方法解決現(xiàn)實挑戰(zhàn)。未來將探索更多顆粒尺寸與水流參數(shù)的影響，進一步優(yōu)化咖啡提取模型。”
來源：高分子科學前沿
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