平底與圓錐：在手沖咖啡中，濾杯的形狀與研磨粒度同樣重要。

要在一個坐滿咖啡愛好者的房間內引發一次激烈辯論，最可靠的方法之一是提出一個簡單的問題：手沖咖啡濾杯的最佳形狀是什麼？

博士後研究員SCOTT FROST博士、JEAN-XAVIER GUINARD教授和WILLIAM D. RISTENPART教授分享了一個持續性研究項目的早期結果，該項目與SCA和Breville公司合作開展。

任何最近購買手沖咖啡器具的人都將意識到，現代咖啡濾杯通常有一個「半圓錐」或「平底」的濾杯（比較圖1）。半圓錐濾杯的粉絲往往會滔滔不絕地描述更強的水流通過咖啡渣、更高的萃取一致性以及相應更好的口味。令人困惑的是，平底濾杯的粉絲講述的平底濾杯益處與其完全相同。支持一種或另一種觀點的證據往往涉及到個人口味測試的單例報告。

迄今為止，我們缺少乾貨數據來科學、嚴謹地回答這個問題。

2017年，SCA請求加利福尼亞大學Davis咖啡中心開展研究，目的是拓展和更新手沖咖啡的經典手沖控制圖。研究目前還在進行中（已經得出了令人興奮的初步結果！），但作為一個初步的「熱身」項目（同時為了使我們自己的激烈辯論告一段落），我們決定解決這個平底與半圓錐濾杯的問題。我們有幸與Breville公司開展合作，這家公司為整個項目提供擔保，並為我們提供了他們的Precision Home咖啡機，這款咖啡機擁有可方便換用的平底和半圓錐濾杯。主要理念是仔細確保所有其他變數不變（烘焙等級、水溫、流速等），特別針對濾杯幾何形狀對煮好的咖啡產生的影響進行評估。

設計試驗

在回答「哪種形狀比較好？」這個問題前，首先必須回答「是否有差異？」這個問題。儘管咖啡愛好者堅信存在差異，但兩種形狀之間實際不存在任何可察覺或明顯的差異，這是完全有可能的。為了確定是否存在差異，我們首先使用「辨別試驗」，又被稱為「三角試驗」。在這些試驗中，一名試驗人員將喝三杯咖啡，其中兩杯是完全一樣的，還有一杯則不同。試驗人員的任務是識別那杯不同的咖啡。由於每名試驗人員都有三分之一的幾率僅靠運氣就猜出正確的那杯咖啡，因此，我們希望試驗人員對那杯不同咖啡的正確識別率遠遠高於33%。如果他們做不到，就不存在任何明顯差異。

我們招募了45名非專家試驗人員前往加利福尼亞大學Davis咖啡中心，在感官描述隔離間品嘗煮好的咖啡。這些隔離間與傳統的試飲桌存在很大的不同，其設計目的是將試驗人員隔離開，從而儘可能消除背景方面的偏見，真正讓大家對咖啡進行盲試。隔離間還設置為紅色光，目的是盡量降低預期偏見（基於人認為咖啡應當具有的黑色外觀）。

我們的三角試驗使用「2 x 2」階乘設計，用了兩種幾何形狀的濾杯以及兩種不同的研磨粒度（中等和中細）。這種「階乘設計」很好地說明了我們開展的六次不同的三角試驗涵蓋了所有可能的濾杯幾何形狀和研磨粒度組合（表格1）。我們還進行了第七次三角試驗，用輕度烘焙對比深度烘焙，我們將這種明顯的口味差異作為內部校準和對照。這裡的重點是確定濾杯形狀和研磨粒度帶來的影響。

在開展這些試驗的過程中，最具有挑戰性的一項工作是確定沖咖啡的細節，因為沖三杯煮好的熱咖啡時，其中的邏輯關係具有重要意義。例如，如果其中兩杯咖啡比第三杯熱，則試驗人員只會察覺到一種溫度差異，而非口味差異，因此，我們必須制訂程序，在倒採用不同方法沖沏的咖啡時確保其溫度完全相同同樣，我們發現，必須設定統一的「沖咖啡高度」，因為我們的一些助手倒咖啡的高度往往比另一些助手要高；這導致咖啡頂部奶泡數量存在差異，試驗人員就能僅僅依靠視覺觀察來判斷哪杯是不同的咖啡。我們花了不少時間研究出了類似細節，確保試驗的嚴謹。

計算結果

但是，這些工作是值得的，因為我們獲得了令人興奮的反直覺結果，見表格1總結。看第一行，我們可以發現對比平底與圓錐濾杯形狀（都使用中等粒度），45名試驗人員中有25人準確識別出了那杯不同的咖啡。重要的是，我們預計三分之一的試驗人員（15人）僅僅依靠運氣就能猜出結果，因此，問題變成25人得出正確結果具有統計方面的重要性，還是僅僅是僥倖。為了回答這個問題，我們使用了「二項概率分布」，它描述的是多次拋硬幣的概率（但在這個試驗中，「硬幣」人頭向下的概率只有33%）。我們使用這種分布計算出了概率（或「假定值」）：25名試驗人員僅僅依靠隨機運氣猜到了正確的那杯咖啡。這裡的假定值為0.004，意味著如果我們重複做1000次試驗，預計只有4次試驗中能看到25名試驗人員得到正確結果。這種情況不太可能發生！換言之，這並不是僥倖，兩種濾杯之間存在統計上具有重要意義的可察覺差異。在比較使用細磨粒度的平底與圓錐濾杯時，我們觀察到類似的結果，25名試驗人員中有23人識別出了正確的那杯咖啡（假定值為0.024）。

因此，對於所有堅稱濾杯幾何形狀會影響口味的咖啡愛好者，我們的數據表明，他們無疑是正確的。

但令人驚訝的是，我們的三角試驗還顯示，非專家試驗人員無法分辨出研磨粒度的差異。表格1第3行和第4行顯示了三角試驗的結果，它們的濾杯幾何形狀相同，但研磨粒度不同。在對平底濾杯咖啡進行試驗中，只有18名試驗人員選擇了正確的那杯咖啡；而在對圓錐濾杯咖啡進行的試驗中，這個數字只有15。這個結果並不強於隨機。我們發現的差異並不是細微差異：「中等粒度」的粒度中位數為1065微米，而「中細粒度」的粒度中位數為799微米，粒度相差25%。對於經常強調精確控制研磨粒度具有極端重要意義的咖啡愛好者，結果證明——至少對於滴濾咖啡——普通人無法分辨出差異（至少在這一研磨粒度範圍）。

上述三角試驗證明存在可察覺的差異，但是無法說明究竟是什麼差異。為解決這個問題，我們接下來開展了一系列詳細的「感官描述」試驗。在此類試驗中，我們要求接受過培訓的（專家）試驗人員評估各類風味屬性的強度，如「煙熏」、「柑橘」、「苦」，等等。我們邀請了表現最好的試驗人員（即正確識別三杯咖啡次數最多的試驗人員）加入到我們的專家小組，用恰當的感官參考，圍繞WCR品嘗辭彙對他們進行了培訓。然後，我們讓他們評估26種不同的風味屬性，針對「2 x 2 x 2」階乘設計中8個不同的樣本類型進行評估：2種濾籃形狀、2種研磨粒度以及2種烘焙等級。我們的專家小組用盲試的方法在感官描述隔離間中品嘗了每杯咖啡，然後提供了26個屬性的數字化排列。

12名專家試驗人員每人衡量26種屬性，以一式三份的方式重複品嘗8個不同的樣本，我們獲得了12 × 26 × 8 × 3 = 7488份單獨數據點。無需多言，描述如此龐大的數據集非常具有挑戰性。圖2進行了圖示總結，顯示了「主成分分析」（PCA）。這是採集大數據集並將其縮減至最有意義的「主成分」時採用的一種高級數字統計技巧，有助於確認哪些群體最不相似或最相似。

圖片2：得出的主成分分析（PCA）圖。頂圖彙集了最相似的數據統計結果。我們可以從這張圖上看到，最大的差異出現在輕度烘焙和深度烘焙之間，但濾杯形狀也產生了一個有意義的差異。底圖概述了每個集群的風味屬性。用頂圖來映射底圖：使用圓錐濾杯的輕度烘焙咖啡產生了酸、柑橘和漿果風味；濾杯則是葡萄乾、乾果和甜花風味。

PCA圖形成了幾條關鍵信息。首先，不出所料，輕度烘焙和深度烘焙之間存在較大差異，兩種烘焙等級中巨大的水平分距可以證明這一點。更有趣的是，我們發現對於一種給定的烘焙等級（如左側的輕度烘焙），濾杯形狀也產生了一個有意義的差異。平底濾杯產生的風味屬性更多的是乾果、甜和強烈花香，而圓錐濾杯更多地產生柑橘、漿果和酸。濾杯形狀對深度烘焙也產生了類似的影響，平底更多地產生了巧克力、可可和木質風味，而圓錐更多地產生了強烈的苦味。

哪個最好？

這是一個關鍵點，因此，我們重申一下：使用完全相同的咖啡、完全相同的水、完全相同的溫度以及完全相同的流速，我們能夠僅僅通過改變濾杯的幾何形狀，就能以一種非常明顯的、在統計上具有重要意義的方式改變咖啡的風味特徵。

證明存在差異以及差異的具體內容後，最後一個問題是「為什麼存在差異？」濾杯幾何形狀會影響液流通過咖啡渣基面的方式，因此會改變分子脫離固體咖啡渣並進入液體的「質量轉移」過程。這個過程的的基礎性細節比較複雜；加利福尼亞大學Davis咖啡中心正在對該過程以及煮咖啡的許多其他方面進行積極、詳細的研究。

但在目前，您可能希望知道：哪種濾杯形狀「最好？」當然，答案是對您而言形成最佳咖啡口味的煮咖啡方法就是「最好」的，這取決於每個人來做出決定。但至少，下一次有人開始爭論平底與圓錐濾杯的優缺點時，您可以使用本文的乾貨數據對爭論發表一些見解。

WILLIAM D. RISTENPART教授和JEAN-XAVIER GUINARD教授是加利福尼亞大學Davis咖啡中心的聯合主管，SCOTT FROST博士最近在該中心獲得了博士後獎學金。

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