测量溶解总固体：折射仪比较 – 苏格拉底咖啡

测量总溶解固体：折射仪比较

作者：乔 | 发布于：酿造，工具 | 43

摘要

这两项研究的目的是检查两种宣称可测量咖啡总溶解固体（TDS）含量的折射仪的测量结果。利用混合研究设计，VST LAB Coffee II 咖啡与浓缩咖啡折射仪（即将测试更新的 VST LAB Coffee-Espresso III）与 Atago PAL-COFFEE 折射仪在两个不同的实验中进行比较。在第一个研究中，使用蒸馏/去矿物质水在一种条件下校准折射仪，在另一种条件下使用冲泡水进行校准。我们的结果表明，VST 和 Atago 折射仪之间的读数没有显著差异，两种水类型之间也没有显著差异。另一项实验旨在评估 VST 提供的注射器样品过滤器的影响。我们的结果表明，折射仪之间存在显著差异（p = 0.04），过滤器使用对 TDS 读数有显著影响（p = 0.02），以及过滤器使用与温度之间的显著相互作用（p = 0.01）。

披露

我们对测试的任何产品都没有利益关系。

作者

杰里米和乔

引言

咖啡通常被认为是一种溶液，由溶剂（水）和溶质组成。正如其他人更详细地描述的那样（例如，Flament 2002；Andueza 等人，2003），在种子中已鉴定出 600 多种可能影响风味的化合物。虽然并非所有包含在烘焙豆中的化合物都是可溶的，但最终冲泡出的复杂饮料被认为是由单一相组成的均匀混合物，其中包含肉眼看不见的颗粒，因此可以通过标准溶液浓度测量方法（如折射率）对其可溶性含量进行量化。

简单来说，折射率描述了光通过介质的方式。光通过咖啡时的折射角（即光通过溶液时弯曲的程度）通常由光电探测器捕获，并计算出折射率。这是一种通常用于评估水溶液中溶质浓度的方法，通常称为总溶解固体（TDS）百分比（有关折射率和其在咖啡中的应用的更深入解释，请参阅 Clarke 1989 年）。

至少有两个消费级折射仪产品系列专门用于咖啡溶质浓度评估：VST 市场推广的一系列产品和 Atago 生产的一系列产品。两者都提供多种型号。VST 折射仪的早期迭代是由 Atago 生产，Atago 已开发了 70 多年的折射仪技术。VST 然后转向 Reichert Technologies 折射仪硬件（Reichert 拥有 150 年生产光学测量设备的历史），最初称为 R2 mini，但现在称为 Brix/RI Chek。此处测试的当前型号基于 Misco Palm Abbe 的硬件。VST 品牌设备在其折射仪单元上加载了自定义软件，可以直接提供咖啡/浓缩咖啡的 TDS，而无需使用相关表格。Atago 一直在销售其自己的针对咖啡定制的折射仪，使用“行业规模”校准，专门用于咖啡，提供 Brix（基于水溶液中蔗糖的折射率的刻度）或相关 TDS 读数的直接读数。对于除蔗糖之外的所有物质，Brix 刻度仅提供溶解固体含量的近似读数。VST 建议在特定非纸过滤咖啡冲泡或浓缩咖啡中使用注射器过滤器。Atago 对过滤冲泡咖啡或浓缩咖啡使用样品过滤器没有任何建议。

我们旨在测试两种设备的性能，并将其与彼此进行比较，而不是评估它们与制造商声明的规格相比的精度或准确性。要在设备内部测试精度和准确性，我们需要将其与 TDS 量化的另一个指标和已知参考溶液进行比较。

方法

使用的 VST 设备是 LAB Coffee II（咖啡与浓缩咖啡）折射仪（标称范围：0.00-20.00%；TDS 分辨率 0.01%；精度 +/- 0.03%；精度从 0.00-4.99% 为 +- 0.05%，从 5.00-20.00% 为 0.10%；温度范围为 15-40°C），Atago 设备是 PAL-COFFEE（标称范围：0.00-25.00% Brix；TDS 分辨率 0.01%；温度范围为 10-100°C）。两者都装上了新电池，并加热到室温（25°C）。

使用基于电导率的 TDS 计量器，蒸馏水含有 0 ppm。使用的冲泡水含有 94 ppm。两者在 VST 和 Atago 上都显示为 0.00。

实验设备

Kalita 不锈钢波浪滴漏
Kalita 过滤纸
Kalita 壶
Bonavita 1.0 L 数字可变鹅颈壶
红外枪
FLIR 热像仪
AWS 天平
HGone 锥形手动磨豆机
Atago 折射仪
VST 折射仪
2 组新电池
吸管
烧杯
酒精棉球
陶瓷杯
面巾纸

研究一：哪种水用于校准您的设备

在 94 摄氏度下冲泡咖啡，比例为 1 克咖啡与 17 克水。冲泡 15 克咖啡与 220 毫升水，总时间为 2 分钟 45 秒。在冲泡过程中没有搅拌或搅拌。在冲泡后，将咖啡冷却约 1 分钟，然后开始实验。设置了两个单独的烧杯和吸管，一个含有蒸馏水，另一个含有自来水（在整个过程中称为“冲泡水”），在每轮开始之前校准两个折射仪，以记录 TDS。每轮包括以下顺序的 4 个 TDS 读数：使用蒸馏水校准的 VST 咖啡样品 TDS 测量；使用蒸馏水校准的 Atago 咖啡样品 TDS 测量；使用冲泡水校准的 VST 咖啡样品 TDS 测量；使用冲泡水校准的 Atago 咖啡样品 TDS 测量。在每轮的每次校准和 TDS 记录之前（总共 10 轮，40 个读数），使用酒精棉球清洁每个设备的镜头。在从壶中抽取咖啡样品时，记录冲泡温度（并使用多个设备进行验证）。在将样品转移到陶瓷杯之前，再次测量样品的温度，然后将其倾倒到折射仪上。

研究一设计

测试程序

在每轮之前，将壶中的冲泡液搅拌，并记录温度。对于每个陶瓷杯，抽取足够咖啡用于该轮的所有采样（总共 4 个）。此外，根据 VST 建议，用咖啡溶液冲洗吸管。为每轮分配两个新的吸管，以从陶瓷杯中吸出咖啡。在测量 TDS 之前，将所有样品放置在折射仪镜头上约 20 秒。值得注意的是，Atago 折射仪显示读数所需的时间更长。

研究二：VST 注射器样品过滤器的影响

在 94 摄氏度下冲泡另一杯咖啡，比例为 1 克咖啡与 17 克水。冲泡 15 克咖啡与 220 毫升水，总时间为 2 分钟 45 秒。在冲泡过程中没有搅拌或搅拌。在冲泡后，将咖啡冷却约 1 分钟，然后开始实验。设置了两组样品注射器：一组安装了采样过滤器；另一组未安装过滤器。使用冲泡水进行校准。每轮包括以下顺序的 4 个 TDS 读数：通过 VST 样品过滤器进行 VST 咖啡样品 TDS 测量；通过 VST 样品过滤器进行 Atago 咖啡样品 TDS 测量；无过滤器进行 VST 咖啡样品 TDS 测量；无过滤器进行 Atago 咖啡样品 TDS 测量。在每轮的每次校准和 TDS 记录之前（总共 10 轮，40 个读数），使用酒精棉球清洁每个设备的镜头。在从壶中抽取咖啡样品时，记录冲泡温度（并使用多个设备进行验证）。在将样品转移到陶瓷杯之前，再次测量样品的温度，然后将其倾倒到折射仪上。

研究二设计

测试程序

在每轮之前，将壶中的冲泡液搅拌，并记录温度。对于每个陶瓷杯，抽取足够咖啡用于该轮的所有采样（总共 4 个）。此外，根据 VST 建议，用咖啡溶液冲洗注射器。为每轮分配两个新的吸管，以从陶瓷杯中吸出咖啡。在测量 TDS 之前，将所有样品放置在折射仪镜头上约 20 秒。值得注意的是，Atago 折射仪显示读数所需的时间更长。

结果

研究一：哪种水用于校准您的设备

在“基于蒸馏水校准的仪器”条件下，VST 平均 TDS 为 1.33，标准差为 0.06，Atago 平均 TDS 为 1.36，标准差为 0.03。在“基于冲泡水校准的仪器”条件下，VST 平均 TDS 为 1.35，标准差为 0.03，Atago 平均 TDS 为 1.36，标准差为 0.03。运行了一般线性模型，独立变量为（2x2 之间的变量：VST/Atago；蒸馏水/冲泡水；协变量：每个样品的时间/温度）。在 p < 0.05 水平上没有发现任何显著结果（折射仪：F(1,8) = 4.24，p = 0.07；水类型：F(1,8) = 0.13，p = 0.73）。

VST 与 Atago_水类型

校准点的影响。显示平均值和标准误。

VST 与 Atago_样品温度_水类型

TDS 读数随时间推移/咖啡冷却温度的变化。

研究二：VST 注射器样品过滤器的影响

这些样品是从一批新咖啡中取出的，仅使用与之前研究中相同的自来水冲泡。

在“带有注射器过滤器的样品”条件下，VST 平均 TDS 为 1.42，标准差为 0.06，Atago 平均 TDS 为 1.42，标准差为 0.02。在“无注射器过滤器的样品”条件下，VST 平均 TDS 为 1.46，标准差为 0.08，Atago 平均 TDS 为 1.47，标准差为 0.02。运行了一般线性模型，独立变量为（2x2 之间的变量：VST/Atago；过滤器/无过滤器；协变量：每个样品的时间/温度）。发现折射仪之间存在显著差异，F(1,8) = 6.32，p = 0.04，以及使用过滤器对 TDS 的显著差异，F(1,8) = 10.3，p = 0.01，以及过滤器使用与样品温度之间的显著相互作用，F(1,8) = 11.2，p = 0.01）。更仔细地检查相互作用，随着温度降低，使用过滤器的影响降低（这主要是由 VST 在较暖温度下的读数变异性驱动的）。

VST 与 Atago_过滤器

VST 注射器样品过滤器的影响。显示平均值和标准误。

VST 与 Atago_样品温度_过滤器

TDS 读数随时间推移/咖啡冷却温度的变化。

结论

总的来说，VST 和 Atago 折射仪在测量过滤冲泡咖啡的 TDS 方面非常相似。虽然第二项研究检查了样品过滤器的影响，表明与 Atago 相比，VST 读数存在大量可变性，但在第一项研究中（蒸馏/冲泡水；VST 标准差 0.04；Atago 0.03）并未观察到这种情况。

在设备内部，使用蒸馏水校准与使用冲泡水校准之间没有显著差异。然而，值得注意的是，我们的实验中的冲泡水含量远低于其他人可能使用的含量（94 ppm）。人们使用折射仪的方式可能会影响他们校准设备的方法。可能冲泡水的矿物质含量足够高，可以在 VST 或 Atago 折射仪上注册，并且冲泡水的 TDS 水平可能随时间、地点而变化。因此，基于冲泡水进行校准可以提供一个有用的相对指标（例如，在冲泡水上进行校准的 1.35% 表示 1.35%）。这仅是衡量咖啡贡献的可溶性含量的指标。这与基于蒸馏水校准不同，因为它无法区分初始水的可溶性含量和咖啡本身的可溶性贡献。此外，由于基于冲泡水校准不会更改设备硬件，而是更改针对特定情况的软件设置点（并且可以在任何时间使用蒸馏水将其返回“绝对零点”），因此基于冲泡水的校准方法具有实际的理由。关于非蒸馏水校准会降低设备精度的论点没有得到我们数据的支持，我们欢迎公开、诚实的数据来证明相反的情况。虽然可能只有极端的冲泡水矿物质含量起始点会在这些设备上注册，或者，在心理物理学术语中，会超过人类感知的“最小可觉差异”，但除非有客观的实证数据证明使用除蒸馏水之外的东西进行校准会导致有根据的问题，否则我们认为良好的做法是根据真正的起始条件（即冲泡水）校准设备。

使用 VST 样品过滤器显着降低了两个折射仪的 TDS，但它们的使用在 VST 读数中产生了更大的可变性。我们的数据无法表明人们是否应该使用或不用过滤器。虽然它们的目的是用于除实验中使用的以外的饮料制备，但它们似乎对总体 TDS（降低可溶性含量）有显着影响。这如何提高 TDS 读数的准确性尚不清楚。再次从实用角度出发，决定过滤掉所测量溶液中的溶液颗粒将取决于人们打算如何使用折射仪。如果目的是评估冲泡液本身的可溶性浓度，则似乎没有过滤器是合理的。如果目的是评估冲泡液的可溶性浓度，并截断一定大小的颗粒，则过滤器是合适的。本实验没有评估浓缩咖啡的读数，这可能会更多地受到过滤器使用的影响。无疑，许多咖啡制备方法都包含不同程度的地表沉积物和胶体物质。在评估咖啡/浓缩咖啡的 TDS 之前是否“准确”去除颗粒，目前似乎更多是一个主观决定。

总的来说，了解折射法可以和不能告诉您关于咖啡的信息非常重要。因为光以与物质在溶液中的浓度成正比的速度通过物质，所以咖啡中的折射法（咖啡是一种由许多化合物组成的混合物）只能给出各种成分的综合效应的指标。基本上，折射仪让您了解里面有多少东西，但无法了解这些东西由什么组成。此外，温度显然是折射法的一个重要因素（即温度改变水的密度，从而改变其折射率）。它也是咖啡折射法的一个特定因素，因为某些化合物可能在较高温度下可溶，但在冷却时从溶液中沉淀出来。到目前为止，使用折射仪似乎最适合作为定量跟踪咖啡制备一致性的工具，并且无论选择哪种方法（例如，蒸馏水校准，使用样品过滤器），都应保持一致性，以便进行比较。

参考文献

Flament I. (2002). Coffee Flavor Chemistry. West Sussex, England: John Wiley & Sons, Ltd.

Andueza S.，Maeztu L.，Pascual L.，Ibanez C.，Paz de Pena M.，Cid C. (2003). Influence of extraction temperature on the final quality of espresso coffee. Journal of the Science of Food and Agriculture, 83, 240-248.

Clarke R.J. (1989). Water and Mineral Contents. In R.J. Clarke & R. Macrae (Eds.), Coffee: Chemistry (Volume 1) (pp. 42-82). New York, NY: Elsevier Science Publishers LTD.