皮秒脉冲激光超快萃取冷冲咖啡
01
引言
咖啡是世界上广受欢迎的饮品之一，适量引用咖啡对人体有很多方面益处。咖啡中的主要活性成分咖啡能够刺激中枢神经系统，有助于提神醒脑、减轻疲劳感、提高警觉性和专注力。咖啡通常是通过用热水提取烘焙和研磨的咖啡豆来冲泡的，但在过去的几年里，冷冲泡等替代方法越来越受欢迎。高温能快速溶解咖啡豆中的各种可溶性物质，包括酸性物质、油脂和芳香化合物，整个萃取过程通常只需要几分钟，但高温更容易萃取出导致苦涩和酸味的化合物。低温萃取是在室温或低于室温的条件下制备的，速度缓慢，主要溶解咖啡中更容易溶解的物质，相比高温，低温溶解出的酸性物质和油脂要少得多，但冷冲咖啡的准备通常需要几个小时甚至几天。
为了在几分钟内制作出冷冲咖啡，研究提出了一种将超短脉冲激光应用于冲泡实体的方法，无需在水中加热粉末悬浮液，有效地从粉末中提取咖啡因和芳香物质。在室温下照射3min，咖啡因浓度已经达到每100mL含25mg咖啡因，与传统的热冲泡方法所达到的浓度相当，但不需要加热悬浮液。此外，通过反相液相色谱耦合高分辨率质谱分析，液相中的生物碱含量以咖啡因和葫芦巴碱为主，与传统的冷冲咖啡相当，而不是热冲咖啡。
Laser & Electron Beam Processing
02
应用原理
针对冷冲咖啡的萃取方法是基于激光合成和加工胶体（LSPC）技术的扩展，该技术是指一系列利用激光与液体（通常是含有前驱物或颗粒的胶体溶液/悬浮液）相互作用来合成新的纳米颗粒或处理已有颗粒的技术。执行LPSC的一种方法是对颗粒悬浮液进行激光后处理（LPP），LPP 的目标不是从无到有地合成新颗粒，而是修饰或改变现有颗粒的性质，例如由热过程或电子过程引起的碎片化，这取决于激光参数，如激光波长、脉冲持续时间、重复率和脉冲能量。
使用皮秒激光时，能量注入非常快，在热量扩散之前完成作用，可以大大减少对有机物的化学分解或降解，其降解程度（<2%）与传统研磨类似。由于脉冲时间极短，能量在热量还没来得及传递到周围的水或颗粒内部时就已经完成了颗粒的破碎作用，整个液体的宏观温度保持不变，维持了冷萃的条件。
更通俗地讲，传统冷萃就像把一块冰糖放在冷水里慢慢等它融化，需要很长时间。热冲咖啡就像用热水去冲冰糖，融化快但也可能让糖水味道有点变化。而皮秒激光萃取冷萃，则像是在冷水里用一把极快、极精准、但不会把水加热的“能量锤”，瞬间把冰糖敲成无数细小的粉末，这些粉末几乎同时溶解在冷水里，速度极快，但因为水一直是冷的，所以味道更接近慢慢融化的结果，而不是热水冲泡的结果。
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03
图文解析
经过过滤后的脉冲激光碎裂（激光萃取）的咖啡粉在纯净水中变为棕色的悬浮液，如图1所示。图1a-c显示了沿激光辐照工艺链的咖啡。用ps激光照射3min，温度仅升高5±3℃。因此，ps-LPP过程中的温度变化可以忽略不计，热条件接近冷冲泡过程。然而较长的脉冲持续时间会导致温度的增加，因此成分的结构变化如降解是预期的，使得这样的脉冲持续时间不适合这里提出的冷萃过程。
图1. 超短脉冲激光萃取咖啡工艺: a）咖啡粉悬浮在水中; b）咖啡粉悬浮在激光辐照下; c）激光照射3分钟后的最终产品，随后用咖啡过滤器过滤。
较低的酸度是冷冲咖啡的基本特征，评估了LPP冲泡过程对咖啡pH值的影响，如图2所示。
图2. 使用不同方法测量的咖啡冲泡后的pH值。
实际制作中，冷萃咖啡通常使用比热冲咖啡更高的粉水比例。研究也遵循了这一点，为冷萃和皮秒激光萃取使用了两倍于热冲的咖啡粉浓度。由于皮秒激光萃取也是在室温下进行，研究人员使其粉水比与冷萃一致，这样激光萃取和冷萃之间可以进行绝对含量的比较，但它们与热冲咖啡只能进行相对比较。测量结果如图3所示，冷萃咖啡的绝对咖啡因浓度最高，皮秒激光萃取的咖啡因含量略低于冷萃，并且大约与热冲咖啡的含量相当。
图3. 通过紫外-可见光光谱测量咖啡因含量。
为了公平比较不同方法（热冲、冷萃、皮秒激光）制作的咖啡，不能只看绝对咖啡因含量，需要进行标准化，考虑咖啡粉用量、萃取时间、水温等因素对咖啡因浓度的影响。按照咖啡粉用量标准化后，三种咖啡因提取效率没有显著差异；考虑萃取温度标准后，三种方法出现明显差异，冷萃咖啡的提取效率显著提高；按萃取时间标准化后，冷萃咖啡的咖啡因释放速率比其他两种方法低了两个数量级；综合相对释放量：皮秒激光方法显示出最高的相对咖啡因释放效率，比冷萃高3-5倍，并且与热冲咖啡相当。如图4所示，从咖啡因提取角度来看，冷萃是一种低效的方法，因为它需要更长的时间和更多的咖啡粉。
图4. 通过冷提取、热提取、激光提取咖啡因效率比较，咖啡因释放量由光学测定的咖啡因浓度计算，并归一化为咖啡粉浓度: a）咖啡粉浓度;b）温度; c）工艺时间; d）归一化到所有参数。
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04
总结
针对传统冷萃咖啡制作耗时极长（通常需12-24h）的问题，研究人员探索并验证了一种创新的解决方法：使用皮秒超短脉冲激光技术。该方法通过在冷水中对咖啡粉悬浮液进行激光后处理，利用皮秒激光脉冲物理性地破碎咖啡颗粒，能在约3分钟内完成萃取，同时由于避免了显著加热，其产生的咖啡液在关键化学成分（如生物碱、半挥发性物质）上与传统冷萃咖啡高度相似，保留了低酸、低苦的口感。特别是在咖啡因萃取效率方面，按时间标准化后，激光方法远超传统冷萃约300倍和热冲约3倍，显示出极高的效率。尽管该技术要走向市场还需进一步的化学安全分析和感官评估，但它为实现快速即时享用冷萃风味咖啡提供了极具前景的技术路径，并有发展为自动化激光咖啡设备的潜力。
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论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41538-022-00134-6
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