名人推薦：

社團法人台灣咖啡協會理事長　吳怡玲
台灣國際咖啡交流協會理事長　李美娟
台北精品咖啡商業發展協會理事長　徐國智
咖啡大叔許吉東
國立台灣海洋大學食品科學系教授兼系主任　龔瑞林
咖啡空少 Jerry
SCAE咖啡師一級認證　咖啡因的地圖
──依筆劃順序排列

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●為什麼要研究香氣科學
咖啡主要是考究香氣的一門學問。雖說咖啡有各種功效，但消費者真正想要的是愉悅感，而這愉悅感正是來自香氣。咖啡中用舌頭能感受到的味道是苦味和酸味，而大部分風味則是靠喝咖啡時香氣成分往咽喉後方處揮發，讓鼻子聞到的極少量香氣成分產生出來的。但是咖啡的香氣是在高溫烘焙下，瞬間決定的，所以要準確拿捏很難，即使這次做出了想要的味道，但也不能保證下次做出來的會一樣，很容易變來變去。
》用科學理解香氣，提高重現性
不過這是生產者的問題，消費者只關心能不能一直喝到最好的品質，也就是味道和香氣。為了提高品質的重現性，並持續做出完美品質的咖啡，除了要掌握從原豆、烘焙到萃取過程中存在的所有變數，也要知道這些變數如何影響咖啡的味道和香氣。因此首先要確保重現性。掌握了重現性，再來計較品質的優劣與獨創性等才有意義。如果每次做出的咖啡味道都不同，不但對支付相同價格的客人失禮，對自己來說也是一大問題，因為根本無法找到提高品質的基準。具備重現性才能制定改善方向，如果每次做出來的品質不盡相同，那麼又該如何制定改善方向來進行改善呢？因此不管是什麼領域，為了具備重現性，都必須經過在一段時間內不斷單純重複的過程。就像在舊有師徒制教育中普遍存在的一樣。可以說專家的世界裡大部分都是在做單純重複的動作。而單純重複可造就深度，即使是已熟知的東西，也必須經過單純重複才能找到要領，並看出細微差異，眼光因而隨之變高、技術跟著成長。因此即使是極具創意的藝術家，也需要反覆訓練熟習基本技巧。
對初學者來說，最要強調的就是重現性。即使是一樣的材料、一樣的工具、一樣的食譜，也難以具備重現性，因為條件無法完全一致，而且材料本身也總是有所差異。了解原理和方向的專家總能輕鬆解決這些差異，但初學者卻容易將差異變大。所以專家的品質始終如一，而初學者的品質則容易起伏不定。
如果說為了做出高品質的產品，須在過去師徒制教育中再加入什麼東西的話，那就是科學知識。以咖啡來說，理解香氣的原理就等同於找到縮短精通時間的捷徑。分子料理就是在料理中追求精密品質與讓品質重現的具體實踐。如果說分子料理只是追求特別東西的料理，那麼就會被視為是在表演作秀，很難被大眾所接受。但是分子料理以科學方式了解食品成分並研究剖析分子結構，提供了與現今料理截然不同的體驗。所以才能堂堂正正地在料理界占有一席之地。雖然分子料理好像是很新穎的東西，但其實它的基本原理就跟周遭常見的加工食品一樣，只是使用的材料、方法與實際操作條件不相同而已，技術本身就跟加工食品完全一樣。雖說做分子料理的人，當然還有食品公司的研究員可能會對此話感到訝異，但這是事實。兩者都是將材料的特徵研究透徹後使用的技術，也是精密的品質管理技術。
》咖啡科學就是食品科學
認真鑽研咖啡香就跟研究食品香氣是差不多的。香氣是食品的共通現象，原理都一樣。只是混合比例稍微不同而已。所以香氣科學在各類食品中均可見。香氣是所有食品上都找得到的共通現象，也是味道的關鍵，但在市面上卻找不到探討香氣相關的書籍。其實就連食品科學的書也不常見到，香料化學的書自然更不用說了。目前來說，對於想成為調香師的人，可能還有一些值得他們學習的香氣相關入門書，但對做食品的人來說，卻沒有他們需要的香料化學書籍。所以讓我興起了寫這本書的動機，先整理香氣的基本原理後，再來觀察這些因素如何應用於咖啡上。
我國對於味道的科學研究，跟其他先進國家比起來還有一大段差距。但我認為要縮短差距，需要的不是時間，而是意志。並不是說歷史悠久就代表優秀，也不是無法追上。歐洲人對葡萄酒有著強大的自尊心，其中法國更自詡世界第一。但是在公開的試飲對決中，也曾敗給美國葡萄酒。濃縮咖啡的發源地雖然是義大利，但將咖啡以連鎖店方式拓展到全世界的則是美國星巴克，這是運用歐洲技術發展成世界產業的例子。實際上，歐洲並不是咖啡樹生長的地方，但他們不也是以咖啡發源地自居嗎？
沒有法律規定我們不得成為能做出最美味咖啡的國家，雖說這的確不是件易事。但如果人人都能輕易做到的話，又何來魅力之有呢？雖說香氣本身極難以科學視角來探究其中端倪，但透過本書讀者將能獲得足供參考的全面性概念知識，希望能幫助大家找到方向。

●香氣是什麼
咖啡生豆就跟一般的植物體一樣，有60%是碳水化合物，蛋白質占不到10%，脂肪大約10~15%。要說有甚麼特別的話，就是綠原酸、咖啡因、葫蘆巴鹼這些成分居多。
》咖啡品質的關鍵在於香氣
不管如何用心栽種、烘培、萃取咖啡，只有約1.5%的總體成分會成為我們飲用的咖啡。生豆裡的砂糖在烘培過程中都變成其他物質，即使是移轉到咖啡上的水溶性碳水化合物也只有0.5%，是一般飲料所含糖分的1/20。有機酸只要0.4%的量就能讓人充分感受酸味，但在咖啡中反而被其他成分掩蓋，讓人感受不到太多酸味。而蛋白質與脂肪的量則少到無法讓人體味覺感受到。總結來說，咖啡除了占有0.01%成分就能讓人感受到的苦味，以及0.1%左右就能讓人體味覺有所察覺的酸味以外，其他味道就不用太期待了。但是我們卻感受到各種味道，甚至還有一點甜味，這都是由於香氣的關係。因為香氣即使不到0.1%也能充分對人體味覺產生刺激。
》香氣是數萬種味道的根本
舌頭能感知的味道只有5種。但有時人們以為這些只是共通的味道，除此之外，還有其他各種味道。因為世界上有數百種水果以及數百種料理，自然也會以為有數百種味道成分。認為蘋果中有蘋果味道成分，草莓中有草莓味道成分，但這是完全是錯覺。只是蘋果能散發蘋果香氣，而草莓能散發草莓香氣罷了。不是有數百種味道，而是有數百種香氣。
甚至蘋果香氣與草莓香氣所具有的成分中有些還有重複的。下表2中整理出常見香料的香氣成分。當然所有實際存在的香氣成分比表中所列的多很多，這邊只是將代表性的香氣成分列舉出來做比較。各香料本身並非特定單一的香氣成分，而是其中具有某一或某些常見的香氣化學成分。食品中所有香氣物質的種類不超過1萬種，而其中主要常見的則低於數百種。各食品間味道的差異取決於其中出現了哪些常見的香氣物質、各自含量又是多少。
釀酒時，若在酒中聞到些微的花香會覺得非常神奇，但如果了解香氣來源，就不會如此驚訝了。花香在香料成分中並不特別，是大部分的植物都能產生的物質，只是因為花特別常製作出那樣的物質。因此只要酒中發酵的微生物能做出花香中出現的香氣化學物質，即便濃度僅在0.01%以下，也有可能會產生花香。
吃東西時，香氣物質從口腔與鼻子相連的小通道揮發，此時我們感受到的香氣，就是世上各種味道的來源。所以如果鼻子麻痺了，各種味道都會消失，即使只是捏住鼻子，味道也會變淡且不完全。吃東西時，若將口腔通往鼻子的空氣阻絕，味道也會跟著變調。在小通道揮發的極微量風味物質，就是如此鮮明又多樣的味道來源。因此如果要成為香氣物質，除了要具備揮發性，還需要鼻內有能與此香氣物質結合的受體。
》肉眼看不見的揮發性有機物質
香氣物質一定要具備揮發性，所以是很小的分子。能成為風味物質的最大分子量為300左右，一般來說大約都在200上下。葡萄糖是180，砂糖為340，所以比砂糖小的分子才是香氣成分。分子量再小，如果易溶於水，則容易成為味道成分；若易溶於油，則大致上是香氣成分。香氣成分是有機化合物，因此主要是由碳(-CH2-)組成，碳數一般約有4~16個。其中有8~10個的具備最優雅的香調(flavor note)。小分子(碳數少)以刺激性味道居多，且持續時間短；大分子通常味道較細緻且持續時間長。揮發性高表示從液體變成氣體的速度快，沸點(boiling point)也因而愈低。
香氣物質一定要具備揮發性，這與香氣物質的沸點有關。沸點太高就會失去揮發性，但即使如此，沸點也不會太低。一般大約在120~350℃左右，也有部分在此溫度範圍以下的。如果沸點太低，就會瞬間變成氣體，無法做為香氣使用。在常溫下維持液體或固體狀態，並少量持續揮發的物質才是香氣物質。雖然是肉眼看不見的少量，但如果用分子的數量來算，可是非常多的。
[香料的物理性質]
分子量：26~300左右
沸點：120~350℃
因為是有機物，所以易燃且燃點低的情況較多。
會產生聚合或乙醯化等慢速的化學反應。

》分子構造與香氣特徵
用分子量來預測香氣強度其實是很困難的。分子量變大時，香氣分子的數量會隨之減少，雖然數量上較弱勢，且揮發性也減少，因此看起來較為不利，但如果香氣的持續性、可與該香氣結合的受體存在可能性及結合力，這些因素都一併增加的話，那麼情況就會變得較有利。因此光用分子的形狀或大小，是無法準確判斷香氣的強弱度。
再者，香氣的強度取決於香料的溶劑與所運用的食品上。水溶性物質與醇因為跟香氣的結合力較小，所以揮發快，給人留下深刻的第一印象，但在脂肪多的食品中，與其結合後會慢慢揮發，因此香氣強度降低，讓人隱約感受到一股淡香。

》香氣物質與風味物質的最大差異
受體中能察覺到的分子是小分子，因此風味物質也跟香氣物質一樣，分子量不多。但風味物質與香氣物質不同，完全不需要揮發性，所以可以比香氣物質大很多。風味物質一般來說都有親水性，所以是易溶於水中的物質。極性大、分子量多，因此沸點高的情況居多。了解這些性質後，才能預測什麼樣的成分由嗅覺感知，什麼樣的成分由味覺感知。咖啡也是一樣，了解什麼樣的分子易溶於水，什麼樣的分子易溶於油，所以應該怎麼萃取等都是很重要的。必須理解食品的所有知識彼此都有關聯性，這樣便能有利於應用開來。

●咖啡原豆的香氣與前驅物質
咖啡也是植物，所以左右生豆品質的要素與其他植物相似。但生豆中重要的不是生豆量，而是烘培時會變成香氣物質的前驅物質含量。生豆在烘培過程中會劇烈加熱。表面的香氣都會消失。咖啡香源自於沉睡於咖啡的香氣來源的物質，這些物質在加熱後產生反應就會產生香氣。比起本身的香氣成分，因加熱反應而產生香氣的前驅物質更為重要。因為咖啡使用的是種子，而非果肉，因此了解種子中香氣物質的來源才是關鍵。
》栽培環境使香氣有所差異
關於高度與溫度如何影響咖啡品質的研究有很多。阿拉比卡種是從衣索比亞高地而來，既溫和又清爽的味道只有在相似栽培環境下產出的咖啡豆才能維持最久。赤道附近的高地有利阿拉比卡的栽種。溫度過高只會讓咖啡徒長，適當的溫度可讓咖啡果實慢慢均衡生長。畢竟原料的均質性也是品質的核心關鍵。此外因高度造成的晝夜溫差也會強化原豆的風味與香氣物質。在高地生長的咖啡生豆，其醣類與其它可溶固形物較為豐富。
阿拉比卡種生長所需的年降雨量最少約1200mm，最多約2000~2400mm左右。雨季與乾季交替的情況下，可幫助生長且收穫量也會增加。開花期間雨量要少，作物熟成期間過多的降雨量會使咖啡熟成不一致。收成後若一直下雨則無法均勻乾燥，會使咖啡品質下降。但如果乾季過長，會因葉枯病、果實未熟成等問題導致品質下降。
》栽培條件讓香氣有差異
土壤養分中的氮、鉀、鈣、鋅、硼扮演重要角色。鉀影響著所有醣類與酸類的生長；氮對於胺基酸與蛋白質的累積很重要，且會影響咖啡因的含量。但過多的氮會給咖啡味道帶來負面影響。鈣可增加生豆的密度，且是提高病原體抵抗力的細胞壁形成(果膠酯酸鈣)的要素。鋅會影響蛋白質與醣代謝，以及植物成長賀爾蒙-生長激素的合成。硼則對開花結果等採收量有影響。
有效控制害蟲與疾病是產生良好品質的必須條件。生豆因小蟲啃食出洞導致果實被細菌感染的話，就會因為不恰當的發酵促進作用而降低品質。如果不將這些缺陷豆挑選出來，直接放入烘焙的話，只要一兩顆就能影響整體香氣。
》樹木品種讓香氣有所差異
咖啡根據品種會有不同的生長條件，同時咖啡成分也會不一樣。將阿拉比卡種與羅巴斯達種比較時，會發現咖啡因、綠原酸的含量雖然較少，但脂肪含量卻多出了約50%。因為帶苦味的咖啡因及有刺激性的綠原酸含量少，所以味道較佳。烘培中生產出來的許多揮發性風味物質都會溶於油。油脂越多，就越容易維持香氣。特別是像濃縮咖啡，連油脂都一併萃取出來因此差異又更大。此外咖啡脂肪中次亞麻油酸鹽含量多，這也是其它香氣成分的來源。
脂肪：阿拉比卡種的脂肪成份約占15%，比羅巴斯達種的10%多了約5%，這在香氣中扮演重要角色。大部分的脂肪都存在於胚乳，其中75%以上都是中性脂肪。組成中性脂肪的脂肪酸多為帶有兩個不飽和基團的亞麻油酸。雖然對香氣有幫助，但要注意酸化。
胺基酸與蛋白質：生豆的蛋白質約為10~15%，游離胺基酸則是0.5~1%左右。游離胺基酸雖然量少，但對於成為香氣的原料物質來說卻很重要。
碳水化合物：植物中以碳水化合物居多，咖啡也是植物，自然也是以碳水化合物為主。大多為多醣類，此外影響香氣的單醣類及雙醣類也不在少數。這些物質藉由梅納與焦糖化反應會成為香氣物質。
酸味物質：存在於咖啡的酸類超過30種，其中最重要的就是綠原酸、檸檬酸、蘋果酸等。綠原酸的含量為10%左右，算是比較多的，其中以是5-咖啡奎寧酸(5-Caffeoylquinic acid(5-CQA))最具代表性。這是透過苯丙烷合成途徑(phenylpropanoid)，為了應對病原菌、草食動物、溫度、營養成分、陽光等壓力而生成的物質。以量來說，對酸味的影響較小，但分解後產生的物質反而會對多種味道與香氣產生影響。

》咖啡產出的生物鹼物質
咖啡樹藉由核酸(Nucleic acid)產生兩重要生物鹼。一種是類似咖啡因、可可鹼的嘌呤類，另一種則是類似葫蘆巴鹼的吡啶類。咖啡因雖然存在於咖啡與茶類中，但葫蘆巴鹼卻只存在於咖啡。而其他豆類或植物中也有葫蘆巴鹼。
(a)咖啡因的合成與分解
生產咖啡因的植物超過100種。咖啡中大概含有1-2%，大多存在於果實與葉子，根部則無。咖啡因從葉子的液胞中生成，製造綠原酸與複合體後會移動。具體的咖啡因合成機制如圖17。經過多個路徑後於黃苷(Xanthosine)生成，原本經過黃嘌呤(Xanthine)與尿酸後，最後會排出氨跟二氧化碳。這些植物因特殊酵素，經過巧克力中知名的可可鹼後產生咖啡因。因為這也會成為茶中的茶鹼，因此可以說咖啡、巧克力、茶三者就等同於兄弟姐妹。
(b)葫蘆巴鹼的合成與分解
葫蘆巴鹼最初是從葫蘆巴(fenugreek)中分離出來的。也被發現廣泛存在於許多其他植物及甚至動物體內。咖啡中也占有2%左右。此物質於烘培時會變成菸鹼酸或香氣物質。本來葫蘆巴鹼是菸鹼酸製造出來的。這反應具可逆性，所以依照植物的特性，葫蘆巴鹼也被做為菸鹼酸(維他命B3)的儲存手段。
此外葫蘆巴鹼也是很重要的植物代謝調節物質。可調節細胞週期、傳達氧化壓力訊號、調節滲透壓。還扮演著調節葉子開闔、調節睡眠周期、調節發芽、保護植物不受紫外線壓迫、鹽壓迫，以及在咖啡種子發芽期間保護種子的角色。
(c)自我保護與自體中毒
次級代謝物咖啡因、葫蘆巴鹼、綠原酸等，在嫩葉處的濃度最高，且相關酵素活性也最大。因此可以想成是對草食性蟲類的防禦手段。從落葉中無咖啡因的情況來看，就暗示著將珍貴的氮素來源，也就是咖啡因回收再利用了。
咖啡因與綠原酸的合成有著密切關係。咖啡因在植物中扮演妨礙物質的角色，因而對自己來說也會是毒。所以針對咖啡因合成，植物需要有防止自體中毒的方法。咖啡因是依照綠原酸而在細胞構造內另外組成並積累的。可以說咖啡因的位置與累積等控制都與綠原酸有關。
咖啡因的分布會因植物中綠原酸的移動而有所不同，而葉子部位的差異也會使濃度不一。葉子尾端積累最多咖啡因，中間濃度則大幅減少，這與綠原酸的分布一致。因為尾端是最先接觸到昆蟲攻擊的部分，所以增加尾端的濃度並提高效率。像咖啡因這種嘌呤類生物鹼含量高的植物，會具有高含量的綠原酸(如咖啡、馬黛茶)或兒茶素(如可可亞、可樂、瓜拉那飲料)，抑或是這兩種物質含量均高(如茶)。雖說咖啡因在植物生長過程中扮演著保護的角色，但並不是所有動物都吃這套。蜜蜂就出乎意料地能忍受咖啡因以及其它化合物。甚至女王蜂在攝取咖啡因後，還會出現更興奮的反應。因此咖啡因只是眾多保護手段之一。
像咖啡因、綠原酸這種物質，雖然是針對草食動物的防禦手段，但對其它植物或自己來說也可能是種毒。生成咖啡因的植物其周遭難以讓其它植物生長。隨著栽植時間愈來愈長，土壤中咖啡因的濃度也愈來愈高，進而影響土壤質地，植物本身產生的咖啡因反而因毒性而使自己不能好好生長，因此據說咖啡農場每10~25年就要移地栽種。

【前言】以咖啡為名，寫一本關於香氣的書
Part1香氣，到底是什麼？
1. 為什麼要研究香氣科學？
2. 香氣是什麼？
3. 香氣為何難以科學分析？

Part2 香氣物質如何生成？
1. 生命是不斷分解，再生成的過程
2. 植物為何要製造香氣？
3. 果香如何製造出來？
4. 蔬菜香味的生成
5. 香氣差異來自植物部位和環境的不同
6. 咖啡原豆的香氣與前驅物質

Part3 微生物製造的香氣
1. 微生物應用，歷史久遠
2. 發酵過程，決定酒的香氣與品質
3. 泡菜和乳製品，乳酸發酵的成果

Part4 加熱，製造香氣最原始方法
1. 加熱能生成大量香氣
2. 醣類＋胺基酸、醣、脂肪
3. 加熱所生成的香氣成分
4. 咖啡的香氣，來自於烘焙

Part5 難以管控的香氣
1. 異味難以控制
2. 複合香的經時變化與穩定度
3. 咖啡原豆的保存

Part6 萃取，玉不琢不成器
1. 分子劇烈振動且同類相聚的萃取原理
2. 萃取與香味釋放的原理一致
3. 從植物中萃取香氣成分
4. 咖啡的研磨與萃取
5. 苦味與萃取方法的決定
6. 濃縮咖啡的萃取

Part7 調香師與咖啡的調合
1. 調合咖啡的最佳「基底」
2. 剖析香氣成分，製作複合香的第一步
3. 調香師製作的複合香
4. 香氣原料的取得
5. 咖啡香為何如此稀有？

Part8 咖啡的魅力
1. 咖啡具有強大魅力，原因何在？
2. 咖啡成癮對健康有影響？
3. 解讀自然萬物的學問

【結語】用科學探索咖啡，更大的真實收穫

附錄1 有機化合物的命名及官能基香氣物質的特徵
附錄2 食品代表性香氣物質
附錄3 本書詞彙說明