磨咖啡磨出一篇顶立博在线体育刊Matter！

　　是材料在界面的摩擦相互作用中获得表面电荷的物理过程。摩擦起电过程中的静电积聚机制在粉末材料中更加复杂，这是因为粉末之间的强烈碰撞足以引起断裂。在这种“断裂起电”情况下，裂纹的启裂和传播导致热裂纹界面的电子和/或离子发生转移，从而使粉末带电。

　　在咖啡生产中，咖啡粉末会发生摩擦和断裂，并通过摩擦起电和断裂起电过程积累表面电荷。该过程在咖啡研磨和冲泡中十分常见。在规模化生产过程中，咖啡粉末带电行为可能引起结块，导致产品质地不均匀和管道堵塞。从咖啡的冲泡角度来看，咖啡粉末的结块还可能导致提取物的不均匀，影响浓缩咖啡的口感。这些结块的存在为口感稳定的浓缩咖啡带来了挑战。

　　在此背景下，俄勒冈大学Joshua Mendez Harper等人研究了咖啡豆在研磨过程中咖啡粉末的带电行为。研究发现，咖啡的烘焙程度、内部含水量、研磨精细度共同决定了烘焙咖啡的带电性质；在研磨过程中会同时发生摩擦起电和断裂起电过程，粉末中的大部分电荷来自断裂过程；带电性质取决于咖啡豆内部和外部的含水量，较高的含水量会抑制电荷积累，水分的存在可以调节电荷的大小和极性。作者通过添加水的方法同时抑制了咖啡粉末的表面电荷和结块行为，导致浓缩咖啡在浸出过程中呈现出明显不同的流动动力学行为，以此获得浓度更高的提取物，并改善咖啡的口感。该工作以题为“Moisture-controlled triboelectrification during coffee grinding”的论文发表在最新一期《 Matter》上。

　　为了评估整颗咖啡豆的表面带电情况，作者首先选择了一种深烘焙咖啡，并将其从振动斜坡上送入法拉第杯中，记录咖啡豆的电荷和重量（图1A）。接着，作者在磨研机出料口下方放置法拉第杯，对咖啡粉末获得的净电荷进行测量（图1C）。然后，作者通过由两个带有电势差的亚平行板构成的静电分离器来分离带正电、带负电和电中性的颗粒。其中，负电荷颗粒漂向正极板，正电颗粒漂向负极板，而净中性颗粒则直接下落（图1D）。最后，作者使用成像和激光衍射颗粒大小分析来确定咖啡粉末的荷质比，以及确定电荷极性是否影响颗粒大小的分散性。

　　利用上述实验装置，作者对三种不同烘焙程度的墨西哥咖啡开展了研究（图2A）立博在线体育。实验结果表明，烘焙程度和带电量之间存在弱相关，只有在Agtron值超过70时电荷极性才为正（图2B）。烘焙后的内部含水量与电荷的符号和大小之间具有一定的依赖性关系（图2C）。电荷极性从负电到正电的转变发生在含水量2%左右。图2B和2C中数据的分散性反映了烘焙程度可能并不是影响带电性质的唯一属性。例如烘焙温度和烘焙前含水量均会对带电性质产生影响。

　　已知烘焙前内部含水量会影响烘焙后咖啡豆的膨胀行为和其他特性，作者选择内部含水量为12%的特种咖啡研究烘焙过程对带电性质的影响。作者使用烘焙机对该咖啡进行了若干次烘焙过程，每次烘焙过程都会系统性地改变最终温度和烘焙时间（图3A）。图3B展示了该咖啡的荷质比随烘焙时间变化的情况，其中包括两条烘焙曲线。在两种情况下，对于短时间的烘焙（即颜色较浅的咖啡），其电荷极性为正，随着烘焙时间的增加，电荷极性转变为负。作者对不同种类的咖啡重复了以上实验，发现使用相同烘焙曲线烘焙的不同种类咖啡的荷质比是相当的。这种一致性表明，研磨时咖啡的带电性质更多地取决于烘焙的产物，而不仅仅是生咖啡的特性。

　　更细的研磨精细度需要咖啡颗粒经历更多的断裂过程。更细颗粒的中每个颗粒会经历大量碰撞。因此，更细的研磨会通过断裂和摩擦过程生成更多的电荷。为了验证这一假设，作者改变研磨设置重复了之前的实验。实验结果如图4A所示，无论咖啡为正电或负电，较粗的研磨设置都会产生较低的电荷量。总体趋势是随着咖啡研磨得更细，荷质比逐渐增加。此外，实验结果显示，深烘焙的咖啡在相同研磨设置下研磨产生的颗粒要细得多（图4C）。

　　为了研究颗粒断裂带来的影响，作者在初次研磨后以更粗的研磨设置对咖啡颗粒进行研磨，以防止颗粒进一步的断裂。在没有发生额外断裂的情况下，大多数电荷应该来自咖啡颗粒之间以及咖啡与磨盘之间的相互作用。图5显示了不同种类咖啡经过第二次研磨时的颗粒大小分布。实验结果表明：颗粒断裂行为的减少会大大减少电荷量。

　　为了评估水的添加所带来的影响，作者向咖啡豆中添加水，并固定研磨设置进行研磨。图6A展示了荷质比随着添加水量的变化，在外部水含量增加时，电荷量随之减少。因为大多数的电荷来自于断裂过程，而水只是在研磨之前的瞬间接触到咖啡豆的表面（防止了咖啡内部的吸收和均匀湿润）。因此，水可能通过降低断裂时的界面温度来起到减少电荷的作用。

　　为了推断咖啡颗粒是否形成了中性聚集体，作者分析了激光衍射颗粒大小分布以及静电分布的数据（图6C和6D）。从颗粒大小分布中可见，即使添加了少量水，也会显著减少电荷聚集体的形成，包括大颗粒和细颗粒（图6C中的成团区域）。从图6D中的数据可以看出，正电荷的咖啡颗粒转变为中性电荷，而负电粒子数量略微增加。作者推测水的添加抑制了咖啡中断裂电荷和摩擦电荷的形成，导致颗粒解聚。因此，水的添加在咖啡研磨中实现了两个关键目标，既减少正电荷和负电荷，又减少了结团现象。

　　小结：该工作发现咖啡的摩擦起电过程更依赖于烘焙咖啡豆的最终水含量（包括内部和外部），而不太依赖于咖啡豆的初始含水量。 通过添加少量外部水分，可以抑制研磨过程中的摩擦起电过程并有效缓解咖啡颗粒成团现象。 作者还发现在咖啡豆上添加水会导致浓缩咖啡冲泡过程中的流动动力学行为发生明显变化，导致提取物的浓度更高，并可能赋予咖啡截然不同的口感。

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