コーヒーを作るのも数学と関係があるんですか？悪い生徒: 気分を害された気分です!

制作：中国科学普及協会

著者: denovo

プロデューサー: 中国科学博覧会

コーヒーは中国に伝わって以来、贅沢な飲み物から徐々に人々の生活に浸透した飲み物になってきました。 「月が眠るまで寝ない」という現代の若者のライフスタイルでは、コーヒーなどの清涼飲料水が「幸福の源」となっています。

人々はコーヒーを買うために店に行くだけでなく、条件が整えば自宅でコーヒーを淹れることを選択します。しかし、コーヒーを淹れることとおいしいコーヒーを淹れることは、異なる概念です。では、どうすればおいしいコーヒーを淹れられるのでしょうか?

仕事中にコーヒーを飲む

（写真提供：Veer Gallery）

コーヒー抽出にも製法があるとは思わなかったでしょう！

コーヒーの味は、コーヒー豆の品種、産地、焙煎度合い、抽出方法、また、コーヒーを淹れるときに使用する水質、水温、挽き具合、分量、搾り具合に関係しています。コーヒー抽出はコーヒーを淹れる上で非常に重要な部分であり、おいしいコーヒーを作るための重要なステップです。

抽出は、システム内の成分の溶媒への溶解度の違いを利用して混合物を分離する単位操作です。簡単に言えば、水でコーヒーを淹れるときに、コーヒー粉から可溶性物質を取り除く工程です。抽出後、私たちが飲むコーヒーは可溶性物質と水の混合物です。抽出度は通常、抽出率（％）で測定されます。計算式は次のとおりです。

抽出率（％）＝抽出されたコーヒー物質の質量÷最初に加えられたコーヒー豆の質量

たとえば、コーヒーを作るのに 20 グラムのコーヒー粉を使用し、乾燥後の最終的なコーヒー残留物の重量が 17 グラムだった場合、可溶性成分は 3 グラムで、コーヒー抽出率は 15% (3÷20=0.15) になります。

この時点で、いわゆる抽出式は本当に信頼できるのかと疑問に思う人もいるかもしれません。この式によれば、どんなコーヒーが美味しいのでしょうか?

実のところ、この質問に対する答えはずっと以前から知られていました。 1950 年代に、アメリカのコーヒー醸造研究所は、理想的な抽出率は 18 ～ 22% であると検証しました。抽出率が18％未満の場合は抽出不足のコーヒーとみなされ、そのようなコーヒーの味は酸っぱくなります。抽出率が 22% を超えると、抽出が過剰であると見なされ、コーヒーの味は苦くなり、焦げた味になります。このことから、コーヒーの抽出率を制御することで、さまざまな風味のコーヒーを作り出すことができることがわかります。

では、コーヒーの抽出をどのように制御できるのでしょうか?科学者たちは、抽出率の調整を実現し、おいしいコーヒーを作るのを助けるプログラミングモデルを導き出しました。

コーヒー抽出

(画像出典: pixabay.com)

おいしいコーヒー作りに数学モデルを活用する

数学者、化学者、材料科学者、バリスタを含む研究チームは、実際のコーヒーの抽出条件をシミュレートする数学モデルを構築した。彼らは、何千ものコーヒーの粒子とコーヒーを入れるための水が入った、コーヒーを挽く装置の特別なモデルを作成した。

コーヒーの粒子の数が多く、その配置が複雑なため、研究者らは数学的計算を通じてシミュレーション方程式を何百万回も繰り返し、プロセス中に継続的に水を注ぎ、実際のコーヒーの抽出条件をシミュレートしました。固体のコーヒーが最終的に水にどれだけ溶けるか、つまりコーヒーの抽出率を予測するために数学モデルが使用されます。

エスプレッソバスケットの形状図

（画像出典：参考1）

一連の方程式を解くことで、構築されたモデルが実際のコーヒーの抽出率を正確に予測できることがわかりました。彼らは、コーヒーの粒子が十分に大きければ、水はすぐに粒子を通り抜けるだろうと想像しました。コーヒーを細かく挽くと、粒子が小さくなり、比表面積が大きくなり、比表面積が大きくなると水との接触面積が増えるため、物質を早く抽出することができます。しかし実際には、コーヒーの粒子が細かく挽かれすぎると、予想に反して、細かすぎる粒子が水の流れの隙間を塞いでしまい、抽出を助けるどころか、抽出を妨げてしまいます。

バリスタの目標は、おいしいコーヒーを作ることだけではなく、おいしいコーヒーを繰り返し作れるようにすることです。そこで研究者らは、さまざまな条件下でのコーヒー抽出率の再現性を測定することで、淹れたコーヒーの味の再現性を評価しました。数学的シミュレーションの理論的結果によると、コーヒーの質量が少ないほど、浅いコーヒー層では水の流れが速くなります。同時に、コーヒーを粗く挽いたときに形成される粒子はより均一になり、抽出されたコーヒーの再現性が向上し、構築されたシミュレーション方程式でコーヒーの抽出率を予測しやすくなります。

したがって、予想に反して、おいしいコーヒーを繰り返し淹れるには、バリスタは1ショットあたりの挽いたコーヒーの量を減らし、コーヒーを少し粗く挽く必要があります。これが再現性の高い美味しいコーヒーを手に入れる唯一の方法です。

しかし、誰もが同じ味のコーヒーを好むわけではありません。研究者らは、この状況に対応する一連の手順も設計した。原理は、抽出過多のコーヒーと抽出不足のコーヒーをさまざまな割合で混ぜて、最終的にさまざまな風味のコーヒーを作ることです。

自宅で抽出度合いをコントロールするにはどうすればいいですか？

（１）粉砕度

ある程度、コーヒー豆を細かく挽くほど表面積が大きくなり、水との接触が良くなり、抽出が促進され、理論上の抽出率が高くなります。

コーヒー挽き

(画像出典: pixabay.com)

（２）醸造水量

コーヒーを作るとき、抽出を完了するために水がコーヒーベッドを継続的に流れます。理論的には、コーヒーに流れる水の量が多いほど、抽出される成分が多くなり、抽出の質も高まります。

（３）抽出水の温度

コーヒーの抽出にはエネルギーの吸収が必要であり、最も一般的なエネルギー源は水の熱エネルギーです。温度が高いほど抽出が速くなります。コーヒー抽出温度は90～92℃に調整することをお勧めします。

コーヒーを作る

(画像出典: pixabay.com)

（４）コーヒーを淹れるときの圧力

圧力はコーヒーの抽出率にも影響し、圧力が高ければ抽出度も高くなります。

（５）コーヒー表面の水の乱流

乱流とは、コーヒーを作るときにコーヒーベッド内の水の動きを指します。水の流量が非常に高い場合、システム内に多数の小さな渦が形成され、流線が明確ではなくなります。乱流が大きくなるほど、抽出度も高くなります。

この記事を読んで、コーヒーについてもっと理解できた気がしますか?あなたもコーヒー好きの方は、この92℃の「熱さ」の科学的知識を活用して、自宅で自分好みの美味しいコーヒーを淹れてみてはいかがでしょうか。

編集者：孫晨宇

参考文献:

1. マイケル・I・キャメロン、デチェン・モリスコ、ダニエル・ホフシュテッターほか。エスプレッソの体系的な改善: 数学的モデリングと実験からの洞察。問題2、2020年、631-648。

2. Baggenstoss, J.、Poisson, L.、Kaegi, R.、他。コーヒーの焙煎とアロマ形成：異なる時間・温度条件の適用。 J.アグリク食品化学。 2008年、56、5836-5846。

3. Uman, E., Colonna-Dashwood, M., Colonna Dashwood, L., 他焙煎コーヒー豆の挽き方に豆の産地と温度が及ぼす影響。2016 年、Sci.報告書6、24483.4。 Ross, CF, Pecka, K.、Weller, K.「保管条件が挽いたアラビカコーヒーの官能品質に与える影響」2006 年、J. Food Qual. 29、596–606。

5. 胡栄燮、段啓善、董文江ほか。フリーズドライコーヒーパウダーの調製と風味品質特性。熱帯作物ジャーナル、2019年、40(8):8。

6. 何紅燕、劉光華、文志華、他。コーヒー抽出率に影響を与える要因に関する予備調査。広西農業科学、2010年、41(3):2。