本文基于研究以及 Stéphane Ribes 于 2019 年 5 月的演示。
1. 引言
理想的预浸泡包括快速且均匀地润湿咖啡粉，以便在主萃取之前建立一致的粉饼压实度、热均匀性和流体速度。传统的单向供水方式往往无法实现这种均匀性。本研究由 Stéphane Ribes（2019 年 5 月）利用 Decent Espresso（DE1）平台，探究了改变预浸泡流速（0.5 mL/s 至 8.0 mL/s）、压力转换阈值以及多步预浸泡曲线如何影响粉饼的物理行为、萃取动态以及粉饼接触时间（PCT）比值。
2. 摘要
什么是预浸泡？
完美的预浸泡在于瞬间且均匀地润湿咖啡粉。其结果是粉饼完全湿透，温度和压实度均匀。
1. 预浸泡后粉饼密度的一致性
2. 粉饼与冲煮水的接触时间以及粉饼温度的均匀性
3. 意式咖啡萃取后粉饼表面的平整度
本文所呈现的是基本观察结果与基于预期物理现象的假设的结合。
使用 Decent Espresso 咖啡机，意式咖啡预浸泡可以轻松调整并臻于完美。
3. 提出的问题
预浸泡流速如何影响预浸泡后粉饼密度的均匀性以及总萃取流阻？
哪些物理参数决定了咖啡床顶层与底层之间接触时间和温度的均匀性？
萃取后表面凹坑的成因是什么，预浸泡参数如何减轻这一现象？
多步可变流量预浸泡曲线如何优化整体萃取的一致性？
粉饼接触时间（PCT）比值是如何定义、计算并在数学上取得平衡的？
4. 方法
设备与粉床指标： 测试使用 Decent Espresso DE1PRO v1.1 咖啡机和 18g 粉碗，装入 20g 咖啡粉（压实体积为 30cm³，完全预浸泡需要 40mL 水）。
评估的流速类别：
极低流量：0.5–1.5 mL/s。
中低流量：1.5–3.0 mL/s。
中高流量：3.0–5.0 mL/s。
高流量：5.0–8.0 mL/s。
粉饼接触时间（PCT）建模： 残余冲煮水体积定义为每 1g 干咖啡粉约 1mL。在 1:1（20g 产出）至 1:3（60g 产出）的冲煮比例范围内，评估了顶层和底层的接触时长。
5. 实验过程
1. 密度与阻力测试： 在固定研磨度和萃取压力（9bar）下测试恒定预浸泡流速，以测量相对粉饼压实度和萃取流速。
2. 温度与浓度分析： 对预浸泡和萃取阶段从顶层到底层咖啡粉的热损失梯度进行建模，追踪 1:1、1:2 和 1:3 冲煮比例下的平均温差。
3. 表面损伤观察： 检查不同预浸泡流速（<1.0 mL/s 至 >5.0 mL/s）和预浸泡后压力爬升速度下萃取后粉饼表面的凹坑形成情况。
4. 多步曲线优化： 开发了两步可变流量预浸泡（中高初始流量，在达到 1.0 bar 阈值时转为低流量），以在快速饱和与低粉饼压实之间取得平衡。
5. PCT 比值公式执行： 计算顶层咖啡粉额外接触时间（ECTT = 预浸泡时间）与底层咖啡粉额外接触时间（ECTB = 残余水流出时间）的比值：
目标平衡比值 = 1.0。
6. 全部实验
6.1. 均匀的粉饼密度
在压力快速上升的预浸泡过程中，粉饼底层被压实得更多。
当进行慢速预浸泡时，粉饼密度更加均匀。
这解释了为什么在相同研磨度、粉量和萃取压力（例如 9 bar）下，预浸泡期间较高的流速会导致萃取期间较低的流速（预浸泡时间越长，需要更细的研磨度才能在萃取期间获得相似的流量）。
粉饼密度越高 -> 咖啡颗粒周围可用空间越少
在快速预浸泡的情况下，粉饼底部咖啡粉周围的流体速度更高。由此产生的较短接触时间意味着粉饼底部咖啡粉的萃取率较低。这也可能增加粉碗出口处有时可见的杂乱喷溅的可能性，尤其是在结合高萃取流速时。
1. 在相同研磨度和萃取阶段目标流速下，降低预浸泡流速可减少粉饼压实，并直接影响萃取期间达到的最大压力（流量曲线）。
2. 当高预浸泡流速与陡峭的压力上升相结合时，可能会发生通道效应。
6.2. 均匀的接触时间与温度
使用 Decent Espresso 咖啡机，20g 咖啡粉需要约 40mL 水才能完成完全预浸泡（DE1 PRO v1.1 咖啡机 – 18g 粉碗中装入 20g 咖啡）。
在 1ml/s 的预浸泡下，当粉碗底部的咖啡粉被润湿时，粉饼顶部的咖啡粉已经在热水中浸泡了 40 秒！
顶层咖啡粉的这一额外接触时间将在萃取结束时得到部分（甚至完全）补偿，届时最后一部分冲煮咖啡将从粉碗中流出。这一量对应于萃取最后阶段粉饼中的残余液体体积。
当残余冲煮水流出时间等于预浸泡时间时，即可获得理想的平衡（顶层和底层咖啡粉接触时间相同）。
这可以通过适当选择预浸泡和（萃取最后阶段的）萃取流速来实现。
20g 咖啡粉（干粉）在 58mm 粉碗中压实后的体积大约为 30cm³。
大约 20ml 水足以饱和这一量的咖啡粉。
让我们考虑一个典型的 1:2 冲煮比例，以在杯中获取 40ml 咖啡。
在这个选择 1:2 冲煮比例的例子中，“萃取”水只是将预浸泡水向下推过粉饼；它实际上并未作为冲煮水使用（对于较低的冲煮比例同样适用）。
考虑到恒定流量的萃取阶段和我们的 20g 咖啡粉量，咖啡粉与水的接触时间为：
咖啡粉饼顶部 -> 预浸泡时间 + 萃取时间 – 最后 20ml 流出的时间 (1)
咖啡粉饼底部 -> 流出时间（预浸泡完成后）
在此示例中（DE1 v1.1 及 18g 粉碗中的 20g 咖啡），在萃取期间保持恒定流速的情况下，预浸泡时间应大约为萃取时间的一半，以使所有咖啡粉获得均匀的整体接触时间。
除了沿粉饼高度的接触时间差异外，咖啡粉饼内部的冲煮温度也显著变化。已识别的影响参数包括：
较高的冲煮比例是有利的，因为它们可以缓和这一现象。
较长的预浸泡和萃取会增加热损失并降低实际冲煮温度（因此对温度均匀性有不利影响）。
此外，随着咖啡被萃取，所得液体中萃取化合物的浓度越来越高，这使得其进一步萃取的效果不如纯水。其结果同样是粉饼底部咖啡粉的萃取率较低。
至于温度不均匀性，当冲煮比例增加时，这种效应变得不那么明显。
预浸泡和萃取流速对这一现象的影响尚不明确（如果有的话）。
将冲煮比例从 1:1 提高到 1:3，可使顶层与底层咖啡粉之间的温差减半。
然而，由于萃取效率随时间降低，杯中的实际收益可能低于这些平均差值所显示的水平。
6.3. 预浸泡后均匀的粉饼表面
萃取完成后，有时可以在咖啡粉饼表面观察到凹坑。
这些凹坑的确切成因尚不完全清楚，但尽量避免它们似乎是一个合理的目标，因为它们表明萃取期间可能发生了通道效应。
就凹坑的产生而言，预浸泡阶段的最开始可能是最关键的时刻之一：可以假设水滴反复冲击粉饼顶部的同一位置可能会造成这种表面不平整。
为了降低预浸泡开始时产生凹坑的风险，建议避免过高或过低的预浸泡流速：
高流速（> 5 mL/s）下，水显然会以更大的能量冲击表面。
极低流速（< 1 mL/s）下，粉饼上方的水分布可能不够理想。
预浸泡后适度的压力上升速度也已被证明可以减少凹坑的出现。
其他与预浸泡流速无关的、用于避免粉饼凹坑和通道效应的措施（例如粉饼准备、冲煮头头部空间、分水网清洁度及类型）尚未进行分析。
意式咖啡预浸泡：如何让它更 Decent
使用 Decent Espresso 咖啡机，预浸泡过程可以轻松修改，以兼取各类流速之长，提升整体预浸泡表现。
使用 Decent Espresso 咖啡机，除了可以选择任意流速值进行预浸泡外，两步法还可以进一步提高过程的一致性：先中高流速，随后低流速阶段。
预浸泡最开始的中高流速可缩短整体预浸泡时间，从而改善粉饼接触时间的均匀性（避免 PCT 比值过高）。
预浸泡第二步的低流速可限制粉饼压实以及预浸泡完成后过陡的压力上升。
两个预浸泡步骤之间的切换可以通过压力阈值轻松触发（通常约为 1 bar）。
如果目标是实现最均匀的预浸泡（从而获得最均匀的整体萃取），也可以参考所建议的图表（见“达到均匀粉饼接触时间和温度的建议最佳设置”表）来调整所有预浸泡和萃取参数（流速、阈值）。
其他参数（例如粉量、粉饼准备、冲煮头头部空间）的影响将在未来的研究中量化并讨论。
Decent 进阶预浸泡
使用标准流量曲线的进阶预浸泡（1/2）
1. 提前切换到较低流速的“萃取”阶段（出口压力：4 bar -> 1 bar）
2. 可以选择较高的初始预浸泡流速，以补偿实际更长的预浸泡时间并避免 PCT 比值过高
标准流量曲线（2/2）
3. 需要更细的研磨度以维持最大萃取压力（粉饼压实更少，压力峰值前的平均流速更低）。
4. 更平缓的压力上升（1.5 bar 对 3.7 bar / 秒）也有利于降低萃取期间发生通道效应的风险。
对于压力优先的萃取，需要进阶曲线。
可以调整步骤 1 和 2 的出口压力，以达到最佳预浸泡时间。
可以设想在阶段 2 和 3 之间增加一个步骤（例如压力爬升以确保更平滑的过渡）。
尝试用压力优先阶段（例如 1 bar）替代步骤 2 的效果并不理想（难以在流量优先和压力优先模式之间实现平滑过渡）。
您的粉饼接触时间（PCT）比值有多好？
PCT 比值公式：
PCT 比值 = ECTT / ECTB
ECTT（顶层咖啡粉额外接触时间）： 预浸泡时间 * ECTB（底层咖啡粉额外接触时间）： “残余冲煮水”流出的时间。
残余冲煮水体积 = 每克干咖啡粉（粉量）约 1 mL (2)
PCT 比值目标 = 1
PCT 比值 < 1：预浸泡时间过短
7. 结果总结
粉饼压实与流动机制： 高预浸泡流速（以及快速压力上升）会更严重地压实粉饼底层，导致底层咖啡粉周围的流体速度更高，随后的萃取流量更低。较慢的预浸泡可提供均匀的粉饼密度，降低相同研磨度下的峰值压力，并需要更细的研磨设置以匹配流量。
通道效应风险： 将高预浸泡流速与陡峭的压力爬升（3.7 bar/s 对 1.5 bar/s）相结合，会显著增加粉饼通道效应的发生率。
温度与接触时间梯度： 慢速预浸泡（1mL/s）使顶层咖啡粉在底层被润湿之前已浸泡 40 秒。短萃取中温度梯度严重；将冲煮比例从 1:1 扩大到 1:3，可将顶层与底层之间的平均温差从 28°C 降至 14°C。
表面完整性： 粉饼凹坑由过高（5mL/s，高动能冲击）或过低（<1mL/s，分水网分布不理想）的初始流速，或预浸泡后剧烈的压力跃升所引起。
两步预浸泡的优势： 可变预浸泡（中高初始流量，随后在 1 bar 时触发低流量步骤）可最大限度地提高接触时间的均匀性，同时保持粉饼压实度较低并防止压力尖峰。
8. 结论
总之，“提出的问题”一章中提出的问题可以回答如下：
预浸泡流速如何影响预浸泡后粉饼密度的均匀性以及总萃取流阻？
快速预浸泡会压实粉饼下层，减少颗粒间隙，提高底部流体速度，并增加整体萃取阻力。较慢的预浸泡可保持粉床密度均匀，需要更细的研磨度才能达到等效的萃取压力和流量。
哪些物理参数决定了咖啡床顶层与底层之间接触时间和温度的均匀性？
接触时间的平衡取决于将预浸泡时长与残余冲煮水体积流出所需时间相匹配。温度均匀性主要由冲煮比例（较高的比例如 1:3 相比 1:1 可将温差减半）和限制热损失的较短萃取时长所驱动。
萃取后表面凹坑的成因是什么，预浸泡参数如何减轻这一现象？
表面凹坑源于过高流速（>5mL/s）下的高能量水冲击、极低流速（<1mL/s）下不佳的表面分布，或预浸泡后陡峭的压力爬升。适中的初始预浸泡流速（1.5–5.0mL/s）和平滑的压力过渡爬升可减轻凹坑的形成。
多步可变流量预浸泡曲线如何优化整体萃取的一致性？
以中高流速（3.0–5.0mL/s）开始预浸泡可快速饱和粉饼，从而最大限度地减少顶层与底层之间的接触时间差。在达到 1 bar 出口阈值时转为较低流速，可防止粉饼过度压实，并避免萃取前出现陡峭的压力尖峰。
粉饼接触时间（PCT）比值是如何定义、计算并在数学上取得平衡的？
PCT 比值定义为 ECTT / ECTB。其计算方法为：总预浸泡时间除以残余冲煮水流出所需时间（每克干粉量 1mL 除以最终萃取流速）。比值为 1.0 代表所有粉饼层接触时间理想且平衡；低于 1.0 的值表示预浸泡时长不足。
(1)如果考虑粉饼侵蚀，可能略少（此处未计入）
(2)如果考虑粉饼侵蚀，可能略少（此处未计入）
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