《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Impact of Water Composition on Coffee Sensory Properties: A Comprehensive Analysis
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水质及水中矿物质组成会影响咖啡的萃取过程，进而影响咖啡的感官体验。本研究采用二重三点检验法（duo–trio screening）和描述性感官分析（descriptive sensory analyses），探讨了水硬度和碱度对冲泡咖啡（哥伦比亚
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水质及水中矿物质组成会影响咖啡的萃取过程，进而影响咖啡的感官体验。本研究采用二重三点检验法（duo–trio screening）和描述性感官分析（descriptive sensory analyses），探讨了水硬度和碱度对冲泡咖啡（哥伦比亚Kachalu）感官特性的影响。以超纯水（ultrapure water, UPW）冲泡的咖啡作为参照，研究人员将其与在UPW中添加钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）和碳酸氢根离子（HCO3?）后制备的咖啡进行比较，添加浓度范围涵盖“理想冲泡区间”（ideal brewing zone）中的较低水平，直至旨在测试其感官影响极限的更高实验极端值。在所有感官评估中，仅水硬度的变化未引起明显的风味改变，即使钙的添加浓度超过饮用水中常见水平也是如此。相比之下，碳酸氢盐在整个测试范围内对感官特征产生了明确而显著的影响。随着碳酸氢盐浓度从冲泡区间的水平增加至实验极端值300 mg/L，咖啡的酸度、果香和复杂性显著降低，而焙烤感和苦味则增强。在同时含有钙和碳酸氢盐的样品中观察到的微小差异，可归因于碳酸钙（CaCO3）沉淀导致的有效碳酸氢盐浓度降低，而非钙对风味的直接贡献。总体而言，研究结果表明，在所研究的实验条件下，碱度而非硬度是决定冲泡咖啡感官变化的主要因素。因此，维持适当的碳酸氢盐水平对于保留酸度和复杂性等理想风味属性至关重要，而钙在现实范围内的变化则几乎不产生感官上的相关性。
论文解读文章
一、研究背景与问题
在咖啡冲泡中，水与咖啡豆是仅有的两种原料，然而水质对最终咖啡风味的影响却长期被低估。咖啡的感官特征受品种、产地、处理法、烘焙度、冲泡温度与方式等多重因素共同影响，而水质组成作为其中一个变量，其系统性研究远不如其他因素深入。咖啡行业与学术文献普遍将水硬度——即由钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+）浓度定义——视为影响咖啡风味的主导因素，认为硬度有助于促进风味物质的萃取；而碱度，即由碳酸根（CO32?）和碳酸氢根（HCO3?）提供的缓冲能力，则常被认为仅扮演次要或技术性角色，主要关乎设备维护如防腐蚀和防结垢。特种咖啡协会（SCA）等机构提出的“理想冲泡区间”建议钙硬度约为17–85 mg/L（以CaCO3计），碳酸氢盐碱度为40–75 mg/L，这些数值已被行业实践和水配方产品广泛采纳，然而其感官有效性却缺乏严格的实验验证。事实上，尚无研究采用受控、可重复的辨别或描述性感官方法对“理想冲泡区间”进行过直接检验。与此同时，不同地区的饮用水矿物质组成差异巨大，硬度和碱度水平跨度明显。近年来的化学分析表明，钙和镁在常规冲泡条件下对咖啡中有机酸的萃取影响甚微，而咖啡感知酸度与pH的关系比与有机酸绝对浓度的关系更为密切，这暗示碱度可能具有比以往假设更重要的感官作用。基于上述背景，研究人员提出假设：当前冲泡指南中关于硬度和碱度的狭窄窗口可能过于严格，不足以产生训练有素的感官小组能够检测到的差异；并且碱度而非硬度对冲泡咖啡的感官属性（特别是酸度、苦味和复杂性）具有更强的调控作用。为验证这些假设，研究设计了依次递进的感官评估流程，旨在系统检验水硬度和碱度在咖啡感官层面的实际相关性。
二、研究内容与主要结论
本研究以哥伦比亚Kachalu咖啡豆（Peter Larsen Kaffe，慢焙中烘）为实验对象，系统考察了水硬度（钙、镁）和碱度（碳酸氢盐）对冲泡咖啡感官特性的影响。研究采用顺序递进的设计：先通过辨别测试（duo–trio）在广泛的矿物质浓度范围内进行筛选，再依据筛选结果开展两轮描述性感官分析（DA1和DA2）。研究得出以下核心结论：在所测试的全部条件下，钙和镁硬度单独变化——即使浓度远超咖啡冲泡的推荐范围——均未产生可靠的、可被感官小组辨别的风味差异；相比之下，碳酸氢盐浓度对咖啡感官特征产生了明确而一致的影响。提高碳酸氢盐水平会显著降低感知酸度、果香和整体复杂性，同时增强苦味和焙烤感。这些效应在多种感官方法中均表现稳健，并与碳酸氢盐驱动的pH缓冲作用密切相关。研究还发现，当钙与碳酸氢盐同时存在时，由于碳酸钙（CaCO3）沉淀导致有效碳酸氢盐浓度降低，咖啡的酸度和果香得以部分保留。研究的重要意义在于挑战了行业中长期强调水硬度主导风味的传统观念，表明在感官层面，碱度才是决定咖啡风味特征的关键水质参数；当前指南中对硬度的狭窄限制可能更多反映设备维护的考量，而非可论证的感官优势。
三、主要技术方法
研究采用的主要方法包括：其一，二重三点检验法（duo–trio test），以超纯水（UPW）冲泡咖啡为参照，由未受训的评估者（第一场31人、第二场25人）对添加不同浓度钙、镁、碳酸氢盐及其组合的冲泡咖啡进行辨别测试；其二，描述性感官分析（descriptive analysis, DA），由10名训练有素的评估员（来自哥本哈根大学Future Consumer Lab，均具有多年描述性感官评估经验）对咖啡样品的多项感官属性在15 cm非结构线性标度上进行评分，DA1评估3个样品（重复3次），DA2评估5个样品（采用随机完全区组设计，重复4次）；其三，化学分析，包括通过硫酸滴定法测定水样中碳酸氢盐浓度，以及使用校准的实验室pH计对水样和咖啡样品进行pH测量。所有咖啡均采用标准化法压壶（French press）协议冲泡，该协议改编自SCA金杯标准，使用同一批次咖啡豆，由同一两人冲泡团队同步操作以确保一致性。
四、研究结果
3.1 二重三点检验结果
二重三点检验采用平衡参照设计，将UPW冲泡的咖啡与添加不同浓度镁、钙、碳酸氢盐或其组合的冲泡咖啡进行比较。在所有含镁样品中，未检测到与参照的显著差异。对于钙，仅在最低测试浓度（15 mg/L）时观察到显著差异（p = 0.022），最高浓度（240 mg/L）接近显著（p = 0.054），但中间浓度（30–120 mg/L）及含钙与碳酸氢盐的混合样品均无显著差异，且钙系列未呈现一致的浓度依赖响应，因此该孤立结果应谨慎解读。相比之下，碳酸氢盐样品表现出清晰而一致的效应：120 mg/L碳酸氢盐（p = 0.049）和240 mg/L碳酸氢盐（p < 0.001）冲泡的咖啡被感知为与参照显著不同；80 mg/L镁与60 mg/L碳酸氢盐的组合也出现显著差异（p = 0.015），但由于对应的硬度单独样品均不显著，该效应最可能归因于碳酸氢盐而非镁。评估者对差异方向的描述显示，仅碳酸氢盐样品呈现一致的响应方向——被描述为酸度降低，这与碳酸氢盐中和有机酸、降低感知酸度的已知缓冲机制一致。
3.2 低水平矿物质与碳酸氢盐的感官分析
第一轮描述性分析（DA1）评估了三种代表性水质冲泡的咖啡：UPW、含132 mg/L钙和80 mg/L镁的水、以及含132 mg/L钙、80 mg/L镁和60 mg/L碳酸氢盐的水。结果显示，三个样品在所有评估属性（酸度、苦味、甜味、焙烤感、巧克力味、果香、醇厚度、涩感）上均无显著差异。尽管含碳酸氢盐的样品在数值上呈现酸度和果香略降、醇厚度和焙烤感略升的趋势，但均未达到统计显著水平。这一结果与二重三点检验一致，表明文献中推荐的“理想”矿物质浓度范围内，硬度矿物质（钙和镁）的感官影响有限。
3.3 跨越硬度和碱度极端值的水质感官分析
第二轮描述性分析（DA2）评估了更高浓度的钙和碳酸氢盐及其组合：样品A（264 mg/L钙）、样品B（300 mg/L碳酸氢盐）、样品C（264 mg/L钙+300 mg/L碳酸氢盐）和样品D（132 mg/L钙+150 mg/L碳酸氢盐），以UPW为参照。除涩感外，所有感官属性均出现显著差异。仅含钙的样品A在所有属性上与参照无显著差异，再次确认钙单独无显著感官效应。仅含碳酸氢盐的样品B在酸度、苦味、焙烤感和果香方面与参照显著不同：感知酸度和果香大幅降低（分别从12.0降至2.9、从10.2降至2.4），苦味和焙烤感显著增强（分别从6.9升至9.5、从7.9升至10.1），复杂性降至最低（4.6），使咖啡呈现更苦、沉闷、平淡的特征。主成分分析（PCA）中前两个主成分解释了95.8%的总方差，样品B与参照清晰分离，而样品A与参照紧密聚集。混合样品C在焙烤感和苦味上与样品B相似，但酸度相关属性呈中间强度，这归因于钙存在时碳酸钙沉淀导致有效碳酸氢盐浓度降低（实测162 mg/L vs. 目标300 mg/L）。样品D的有效碳酸氢盐浓度也低于目标值（实测108 mg/L vs. 目标150 mg/L），使其在感官上更接近参照。
3.3.1 硬度和碱度参数的单独效应
蜘蛛图（radar plot）显示，样品A（264 mg/L钙）的感官轮廓与参照高度相似，仅各属性强度略低，无统计显著差异。这一结果需结合背景理解：样品A的钙浓度（264 mg/L）已远超哥本哈根自来水（以硬度高著称，约含110 mg/L钙和20 mg/L镁）的水平。相比之下，样品B（300 mg/L碳酸氢盐）的碳酸氢盐浓度与丹麦自来水（通常为200–400 mg/L）相当，其感官轮廓与参照和样品A均呈现清晰分离，表明碳酸氢盐对咖啡风味特征具有显著影响。
3.3.2 硬度与碱度混合的效应
样品C（264 mg/L钙+300 mg/L碳酸氢盐）与样品B具有相同的目标碳酸氢盐浓度，但样品C在酸度相关属性上呈现中间强度，而焙烤感和苦味与样品B相似。实测碳酸氢盐浓度证实样品C的有效碳酸氢盐浓度（162 mg/L）远低于目标值，与高钙条件下碳酸钙沉淀的预期一致。pH测量进一步支持这一解释：样品B的水pH为8.4，样品C为7.5；对应咖啡pH分别为5.2和4.9。样品D的有效碳酸氢盐浓度（108 mg/L）也低于目标值，使其在感官上更接近参照。结果表明，酸度相关属性对有效碳酸氢盐浓度的差异比焙烤感和苦味属性更为敏感。
3.4 水质组成对咖啡pH的影响
对DA2中五种水质冲泡的三种不同产地咖啡（哥伦比亚、巴西、埃塞俄比亚）进行pH测量，结果显示水质对咖啡pH有显著影响（p < 0.001），含高碳酸氢盐的样品B和C产生最高的咖啡pH值。咖啡产地（及烘焙度）之间的差异极小且不显著。咖啡pH的排序与感官评估中水质的排序高度一致，强化了碳酸氢盐浓度与感知酸度降低之间的关联。碳酸氢盐通过缓冲作用更有效地中和咖啡中有机酸引入的酸度，使最终咖啡液的pH更高。
3.5 pH与感官感知的关联
冲泡咖啡的感官特征在不同水质间呈现明显差异，尤其在酸度、苦味、焙烤感、果香和复杂性方面。样品B（碳酸氢盐浓度和pH最高）被感知为酸度和果香显著降低，与其更中性的pH一致，支持碳酸氢盐通过缓冲酸度降低其感官影响的假说。苦味和焙烤感在样品B和C中更为突出，可能反映了碱性条件下苦味化合物感知或萃取的变化，但确切机制尚待阐明。复杂性在样品B中评分最低，表明高碳酸氢盐水平不仅降低酸度，还导致更平淡、缺乏活力的风味特征。
3.6 局限性与未来研究方向
本研究仅使用一种咖啡（哥伦比亚Kachalu，中烘）进行感官分析，缺乏定量烘焙表征（如Agtron值），因此结果不能推广至不同产地或烘焙度。研究以pH作为感知酸度的代理指标，未进行靶向有机酸谱分析，也未测量总溶解固体（TDS）或萃取率。未来研究应纳入更广泛的烘焙度和产地范围，进行靶向酸谱分析以补充pH数据，并考虑消费者在日常冲泡条件下的感知差异。
五、讨论总结与结论翻译
讨论总结
本研究的讨论部分围绕硬度与碱度在咖啡感官中的相对重要性展开。研究结果表明，钙和镁硬度在现实相关浓度范围内对咖啡感官特性影响甚微，这一发现与近期化学证据一致——Bratth?ll等人（2024）利用气相色谱-质谱联用（GC–MS）和核磁共振（NMR）证明，钙和镁在高达100 mg/L时对柠檬酸、苹果酸、乳酸和奎宁酸的萃取均无显著影响；Rune等人（2023）则表明咖啡中多数有机酸低于其感官检测阈值。这些证据共同解释了为何水硬度差异未产生可测量的感官变化。相比之下，碳酸氢盐通过pH缓冲作用对咖啡风味产生主导性影响，这与感知酸度与pH而非有机酸绝对浓度更密切相关的近期发现一致。研究还指出，当前冲泡指南中对硬度和碱度的狭窄限制可能更多反映设备维护（防腐蚀、防结垢）的考量，而非可论证的感官优势。
结论翻译
本研究系统评估了水硬度（钙和镁）和碱度（碳酸氢盐）对冲泡哥伦比亚Kachalu咖啡的感官相关性，实验水质范围涵盖并超出常用“理想冲泡区间”。在所测试条件下，钙和镁硬度的变化——即使浓度远超咖啡冲泡的推荐水平——未产生可靠的、可被训练感官小组通过辨别和描述性方法辨别的感官差异。相比之下，碳酸氢盐浓度对咖啡感官特性产生了明确而一致的影响。提高碳酸氢盐水平显著降低了感知酸度、果香和整体复杂性，同时增强了苦味和焙烤感。这些效应在多种感官方法中均表现稳健，并与碳酸氢盐驱动的咖啡pH缓冲作用密切相关。综合而言，研究结果表明，在所研究的实验条件下，当前冲泡指南中硬度相关的限制在感官层面可能比实际需要的更为严格，而碱度在塑造咖啡风味中起主导作用。碳酸氢盐的强烈感官影响表明其推荐范围在感官上仍然有意义，而强调狭窄硬度窗口的做法未得到本感官证据的支持。总体而言，对于所研究的哥伦比亚Kachalu咖啡和水质组成，优化碳酸氢盐浓度比微调钙或镁硬度对实现理想风味属性（尤其是酸度和复杂性）更为关键。当前指南中推广的狭窄硬度和碱度范围可能更多反映设备维护的考量，而非可论证的感官优势。
