本文基於 Stéphane Ribes 於 2019 年 5 月的研究及簡報。
1. 引言
理想的預浸包括快速且均勻地潤濕咖啡粉，以便在主要萃取之前建立一致的粉餅壓實度、熱均勻性與流體速度。傳統的單向供水方式往往無法達到這種均勻性。本研究由 Stéphane Ribes（2019 年 5 月）運用 Decent Espresso（DE1）平台，探討改變預浸流速（0.5 mL/s 至 8.0 mL/s）、壓力轉換閾值及多段式預浸萃取曲線，如何影響粉餅的物理行為、萃取動態，以及粉餅接觸時間（Puck Contact Time，PCT）比率。
2. 摘要
什麼是預浸？
完美的預浸在於瞬間且均勻地潤濕咖啡粉。其結果是完全濕潤的粉餅，溫度與壓實度皆均勻。
1. 預浸後粉餅密度的一致性
2. 粉餅與沖煮水接觸時間及粉餅溫度的均勻性
3. 濃縮咖啡萃取後粉餅表面的平整度
本文所呈現的內容，是基本觀察結果與基於預期物理現象所提出之假設的綜合。
使用 Decent Espresso 咖啡機，義式濃縮咖啡的預浸可以輕鬆調整並臻於完美。
3. 探討問題
預浸流速如何影響預浸後粉餅密度的均勻性及整體萃取流阻？
哪些物理參數決定咖啡粉床頂層與底層之間接觸時間與溫度的均勻性？
萃取後表面凹坑的成因是什麼？預浸參數如何減輕此現象？
多段式可變流速預浸萃取曲線如何最佳化整體萃取的一致性？
粉餅接觸時間（PCT）比率如何定義、計算，並在數學上取得平衡？
4. 方法
設備與粉床指標： 測試使用 Decent Espresso DE1PRO v1.1 咖啡機及 18g 粉碗，裝入 20g 咖啡粉（壓實後佔 30cm³ 體積，完全預浸需 40mL 水）。
評估的流速類別：
極低流速：0.5–1.5 mL/s。
低至中流速：1.5–3.0 mL/s。
中至高流速：3.0–5.0 mL/s。
高流速：5.0–8.0 mL/s。
粉餅接觸時間（PCT）建模： 殘留沖煮水體積定義為每 1g 乾咖啡粉約 1mL。頂層與底層的接觸時間係在 1:1（20g 產出）至 1:3（60g 產出）的沖煮比例範圍內進行評估。
5. 進行方式
1. 密度與阻力測試： 在固定研磨粒徑與萃取壓力（9bar）下，測試固定預浸流速，以量測粉餅的相對壓實度與萃取流速。
2. 熱與濃度分佈分析： 模擬預浸與萃取階段中，從頂層至底層咖啡粉的熱損失梯度，並追蹤 1:1、1:2 及 1:3 沖煮比例下的平均溫差。
3. 表面損傷觀察： 檢視不同預浸流速（<1.0 mL/s 至 >5.0 mL/s）及預浸後壓力爬升速度下，萃取後粉餅表面凹坑的形成情形。
4. 多段式萃取曲線最佳化： 開發兩段式可變流速預浸（先以中高流速開始，達到 1.0 bar 閾值後轉為低流速），以在快速飽和與低粉餅壓實度之間取得平衡。
5. PCT 比率公式執行： 計算頂層咖啡粉額外接觸時間（ECTT = 預浸時間）與底層咖啡粉額外接觸時間（ECTB = 殘留水流出時間）之比率：
目標平衡比率 = 1.0。
6. 所有實驗
6.1. 均勻的粉餅密度
在壓力快速上升的預浸過程中，粉餅底層會被壓得更緊實。
採用緩慢預浸時，粉餅密度會更均勻。
這說明了為何在相同研磨粒徑、粉量與萃取壓力（例如 9 bar）下，預浸期間較高的流速會導致萃取期間較低的流速（預浸時間較長時，需要更細的研磨才能獲得相似的萃取流速）。
粉餅密度越高 -> 咖啡顆粒周圍可用的空間越少
在快速預浸的情況下，粉餅底部咖啡粉周圍的流體速度較高。隨之而來的較短接觸時間，意味著粉餅底部咖啡粉的萃取程度較低。這也可能增加從粉碗出口偶爾可見的噴濺現象發生的機率，尤其是在結合高萃取流速時。
1. 在相同研磨粒徑及萃取階段的目標流速下，降低預浸流速可減少粉餅壓實度，並直接影響萃取期間達到的最大壓力（流速曲線）。
2. 當高預浸流速結合陡峭的壓力上升時，可能會發生通道效應。
6.2. 均勻的接觸時間與溫度
使用 Decent Espresso 咖啡機，20g 咖啡粉約需 40mL 的水才能完成完整預浸（DE1 PRO v1.1 咖啡機 – 18g 粉碗裝 20g 咖啡粉）。
以 1ml/s 的流速預浸時，當粉碗底部的咖啡粉被潤濕時，粉餅頂部的咖啡粉已在熱水中浸泡了 40 秒！
頂層咖啡粉的這段額外接觸時間，會在萃取結束時、最後一批沖煮咖啡從粉碗流出時獲得部分（甚至完全）補償。此數量相當於萃取最後階段粉餅中殘留流體的體積。
當殘留沖煮水流出所需的時間等於預浸時間時，即可達到理想的平衡（頂層與底層咖啡粉接觸時間相同）。
這可透過適當選擇預浸流速及（萃取階段最後一步的）流速來達成。
20g 咖啡粉（乾粉）在 58mm 粉碗中壓實後的體積約為 30cm³。
約 20ml 的水即足以飽和此份量的咖啡粉。
讓我們以典型的 1:2 沖煮比例為例，以獲得杯中 40ml 的咖啡。
在此 1:2 沖煮比例的範例中，「萃取」階段的水僅是將預浸水推過粉餅；它實際上並未作為沖煮水使用（對於較低的沖煮比例亦然）。
考慮固定流速的萃取階段及我們 20g 的咖啡粉量，咖啡粉與水的接觸時間為：
咖啡粉餅頂部 -> 預浸時間 + 萃取時間 – 流出最後 20ml 的時間 (1)
咖啡粉餅底部 -> 流出時間（預浸完成後）
在此範例中（DE1 v1.1 及 18g 粉碗裝 20g 咖啡粉），在萃取期間固定流速下，預浸時間應約為萃取階段的一半，才能使所有咖啡粉的整體接觸時間均勻。
除了粉餅沿高度方向的接觸時間差異外，沖煮溫度在咖啡粉餅內也會有顯著變化。已識別的影響參數包括：
較高的沖煮比例有正面效果，因為它們能使此現象更平緩。
較長的預浸與萃取會增加熱損失並降低實際沖煮溫度（因此對溫度均勻性有不利影響）。
此外，隨著咖啡被萃取，所得流體中萃取化合物的濃度會提高，使其進行後續萃取的效率低於純水。其結果同樣是粉餅底部咖啡粉的萃取程度較低。
與溫度不均勻的情況相同，當沖煮比例提高時，此效應會變得不那麼明顯。
預浸與萃取流速對此現象的影響（若有）尚不明確。
將沖煮比例從 1:1 提高到 1:3，可使頂層與底層咖啡粉之間的溫差減半。
然而，由於萃取效率隨時間下降，杯中實際獲得的好處據推測會低於這些平均溫差數值所顯示的結果。
6.3. 預浸後均勻的粉餅表面
萃取完成後，有時可在咖啡粉餅表面觀察到凹坑。
這些凹坑的確切成因尚不完全清楚，但嘗試避免它們似乎是合理的目標，因為它們顯示萃取期間可能已發生通道效應。
就凹坑的產生而言，預浸階段的最開始可能是最關鍵的時刻之一：可以假設水滴反覆衝擊粉餅頂部的同一位置，可能會造成這類表面不平整。
為降低預浸初期產生凹坑的風險，建議避免過高或過低的預浸流速：
在高流速（> 5 mL/s）下，水顯然會以更大的能量衝擊表面。
在極低流速（< 1 mL/s）下，粉餅上方的水份分佈可能不夠理想。
預浸後適度的壓力上升速度也已證實能減少凹坑的發生。
其他與預浸流速無關、用以避免粉餅凹坑與通道效應的一般措施（例如佈粉、粉餅上方空間、分水網的清潔度與類型）則未進行分析。
義式濃縮咖啡預浸：如何讓它更 Decent
使用 Decent Espresso 咖啡機，預浸過程可以輕鬆修改，以汲取各流速類別的優點並改善整體預浸表現。
使用 Decent Espresso 咖啡機，除了可選擇任何流速值來進行預浸外，兩段式方法還能進一步改善過程的一致性：先以中高流速，接著轉為較低流速階段。
在預浸最開始時採用適度的中高流速，可縮短整體預浸時間，從而改善粉餅接觸時間的均勻性（避免 PCT 比率過高）。
預浸第二階段的低流速可限制粉餅壓實度，並避免預浸完成後壓力上升過於陡峭。
兩個預浸階段之間的切換可輕鬆透過壓力閾值觸發（通常約為 1 bar）。
若以最均勻的預浸為目標（因而達到最均勻的整體萃取），也可以參考建議圖表（見「達到均勻粉餅接觸時間與溫度的最佳建議設定」表），調整所有預浸與萃取參數（流速、閾值）。
其他參數（例如粉量、佈粉、粉餅上方空間）的影響將在未來的研究中進行量化與討論。
進階 Decent 預浸
使用標準流速萃取曲線的進階預浸（1/2）
1. 提前切換至流速較低的「萃取」階段（出口壓力：4 bar -> 1 bar）
2. 可選擇較高的初始預浸流速，以補償實際較長的預浸時間並避免 PCT 比率過高
標準流速萃取曲線（2/2）
3. 需要更細的研磨以維持最大萃取壓力（粉餅壓實度較低，壓力峰值前的平均流速較低）。
4. 較平緩的壓力上升（1.5 bar 對比 3.7 bar / 秒）也有助於降低萃取期間發生通道效應的風險。
若以壓力優先的萃取，則需要進階萃取曲線。
可調整步驟 1 與 2 的出口壓力，以達到最佳預浸時間。
可設想在階段 2 與 3 之間增加一個步驟（例如壓力爬升，以確保更平順的轉換）。
嘗試以壓力優先階段（例如 1 bar）取代步驟 2 的試驗並未十分成功（難以在流速優先與壓力優先模式之間取得平順的轉換）。
您的粉餅接觸時間（PCT）比率有多好？
PCT 比率公式：
PCT 比率 = ECTT / ECTB
ECTT（頂層咖啡粉額外接觸時間）： 預浸時間 * ECTB（底層咖啡粉額外接觸時間）： 流出「殘留沖煮水」的時間。
殘留沖煮水體積 = 每 g 乾咖啡粉（粉量）約 1 mL (2)
PCT 比率目標 = 1
PCT 比率 < 1：預浸時間過短
7. 結果摘要
粉餅壓實度與流體力學： 高預浸流速（及快速壓力上升）會更強烈地壓實粉餅底層，在底層咖啡粉周圍產生較高的流體速度，並導致後續萃取流速較低。較緩慢的預浸可提供均勻的粉餅密度，在相同研磨下降低峰值壓力，並需要更細的研磨設定才能達到相同的流速。
通道效應風險： 將高預浸流速與陡峭的壓力爬升（3.7 bar/s 對比 1.5 bar/s）結合，會顯著增加粉餅通道效應的發生率。
熱與接觸時間梯度： 緩慢預浸（1mL/s）會使頂層咖啡粉在底層被潤濕前浸泡達 40 秒。短時間萃取中的熱梯度相當嚴重；將沖煮比例從 1:1 擴大到 1:3，可使頂層至底層的平均溫差從 28°C 降至 14°C。
表面完整性： 粉餅凹坑是由過高的初始流速（5mL/s，高動能衝擊）或過低的初始流速（<1mL/s，分水網分佈不理想），或預浸後劇烈的壓力躍升所引起。
兩段式預浸的優點： 可變預浸（先以中高初始流速，達到 1 bar 時觸發低流速階段）能最大化接觸時間的均勻性，同時保持低粉餅壓實度並防止壓力尖峰。
8. 結論
總結來說，「探討問題」一章中所提出的問題可回答如下：
預浸流速如何影響預浸後粉餅密度的均勻性及整體萃取流阻？
快速預浸會壓實粉餅下層，減少顆粒間隙，提高底層的流體速度，並增加整體萃取阻力。較緩慢的預浸可維持均勻的粉床密度，需要更細的研磨粒徑才能達到等效的萃取壓力與流速。
哪些物理參數決定咖啡粉床頂層與底層之間接觸時間與溫度的均勻性？
接觸時間的平衡取決於使預浸時間與流出殘留沖煮水體積所需的時間相匹配。溫度均勻性主要取決於沖煮比例（較高比例如 1:3 相較於 1:1 可將溫差減半）及限制熱損失的較短萃取時間。
萃取後表面凹坑的成因是什麼？預浸參數如何減輕此現象？
表面凹坑源於過高流速（>5mL/s）下高能量的水衝擊、極低流速（<1mL/s）下表面分佈不佳，或預浸後陡峭的壓力爬升。適度的初始預浸流速（1.5–5.0mL/s）及平順的壓力轉換爬升可減輕凹坑的形成。
多段式可變流速預浸萃取曲線如何最佳化整體萃取的一致性？
以中高流速（3.0–5.0mL/s）開始預浸，可快速飽和粉餅，以最小化頂層至底層的接觸時間差距。達到 1 bar 出口閾值時轉為較低流速，可防止粉餅過度壓實，並避免萃取前的陡峭壓力尖峰。
粉餅接觸時間（PCT）比率如何定義、計算，並在數學上取得平衡？
PCT 比率定義為 ECTT / ECTB。其計算方式為總預浸時間除以流出殘留沖煮水所需的時間（每克乾粉量 1mL 除以最終萃取流速）。比率 1.0 代表所有粉餅層的理想、平衡接觸時間；低於 1.0 的數值表示預浸時間不足。
(1)若考量粉餅侵蝕，數值可能略低（此處未納入考量）
(2)若考量粉餅侵蝕，數值可能略低（此處未納入考量）
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