コーヒー抽出における粒度・温度の物理的影響

1. 粒度（挽き目）が抽出に与える影響

表面積と溶解速度

• 粒度を細かくすると、表面積が増大し、成分が水に溶け出す速度（溶解速度）が上昇します。
• 表面積 ( A ) が大きいほど、Noyes-Whitney式における溶解速度が速くなります。

$$ \frac{dC}{dt} = \frac{DA}{L}(C_s - C) $$

• $D$：拡散係数
• $A$：固体表面積（粒度が細かいと大きくなる）
• $L$：拡散距離
• $C_s$：表面飽和濃度
• $C$：液中濃度

微粉の影響

• 粒度を細かくすると微粉（非常に小さな粒子）が増えます。
• 微粉はすぐに溶解し、過剰抽出の原因となりやすいです。

成分ごとの拡散速度の違い

• 小さな分子（例：カフェイン、トリゴネリン）は拡散速度が速い。
• 大きな分子（例：オイル成分）は拡散速度が遅い。

参考：Moroney et al. (2019)

粒度が粗いと、拡散速度の遅い成分が抽出されにくくなります。

2. 温度が抽出に与える影響

溶解速度への影響

温度が上がると、

• 拡散係数 $D$ が大きくなり、溶解速度が速くなります。
• 温度と拡散係数の関係：

$$ D \propto \mu \times k_b \times T $$

• $\mu$：分子の移動性（mobility）
• $k_b$：ボルツマン定数
• $T$：絶対温度（K）

拡散方程式を解くと、以下のようになります。

$$ C(r,t) = c_0 exp(- \frac{r^2}{4Dt}) $$

• $D$：拡散係数
• $C$：液中濃度
• $t$：時間
• $r$：距離

成分ごとの温度依存性

• 溶けやすい成分は温度変化による影響が小さい。
• 溶けにくい成分（苦味成分など）は高温でより多く抽出されやすい。

これにより、温度を下げると、苦味成分の割合を相対的に減らし、甘味・酸味を引き立てることができます。

温度による拡散プロファイルの違い

温度が違うと、拡散の広がり方が異なります。下図のイメージです：

• 80℃：拡散が遅い → 濃度分布が狭い
• 90℃：中間
• 100℃：拡散が速い → 濃度分布が広がる

3. 粒度と温度の似ている点と違い

• 粒度を細かくすると溶解速度は上がるが、微粉による過剰抽出リスクがある。
• 温度を上げると拡散と溶解がともに加速するが、微粉の影響はない。

4. まとめ

• 粒度を細かくすると、表面積が増え溶解が速くなるが、微粉の影響に注意。
• 温度を上げると、溶解も拡散も加速し、苦味成分の抽出が進みやすくなる。
• 粒度と温度は似ているが、異なる影響を持つ。

次回以降では、これら物理的な理解を踏まえたうえで、TDSとPEのコーヒーチャート、そして味わいの科学についてさらに深掘りしていきます！

📚 参考文献

• Jonathan Gagné, Physics of filter coffee, 2020
• M. Ellero et al., Mesoscopic modelling and simulation of espresso coffee extraction, 2019
• Moroney KM, O’Connell K, Meikle-Janney P, O’Brien SBG, Walker GM, Lee WT (2019) Analysing extraction uniformity from porous coffee beds using mathematical modelling and computational fluid dynamics approaches. PLoS ONE 14(7): e0219906. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219906
• 旦部 幸博, 『コーヒーの科学』
• 広瀬 幸雄ほか, 『コーヒー学入門』