翡冷萃咖啡的祕密（下）：手機也能測咖啡濃度！

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

咖啡因對大腦的影響

咖啡因是一種分子上的模仿大師。人類醒著的每一分鐘，腦中都會不斷增加腺苷（adenosine）這種化學物質，像是沙漏的沙子不斷累積，能夠告訴我們已經醒著多久，且會讓大腦運作逐漸放緩，創造出一種睡眠壓力，讓人體做好入眠的準備。所以醒著 12 個小時到 16 個小時，人就會感受到一種難以抗拒的誘惑，想回臥室躺著進入夢鄉。

然而，咖啡因的分子結構十分類似腺苷，能夠搶先一步與腺苷的受體結合，卻不會活化受體；這樣一來，反而是對這些腺苷受體形成一種化學封鎖。所以，只要你的腦中有大量咖啡因，腺苷就無法與受體結合，難以傳遞正常的訊號咖啡因就是靠著這種藥理作用來抑制睡意，使大腦保持警覺與專注。雖然腺苷依然不斷在大腦中堆積，只不過所發出的訊號就這樣被咖啡因給堵住了。但是，等到身體分解了咖啡因，腺苷就會宛如大壩潰堤，讓人感受到沛不可擋的睏意——這就是可怕的咖啡因崩潰（caffeine crash）。

植物合成咖啡因，原本是做為一種天然的殺蟲劑，避免葉子或種子遭到啃食，甚至還能殺死昆蟲。但奇怪的是，像是包括幾種咖啡類與柑橘類植物在內，有些植物的花蜜也含有咖啡因，花蜜原本該是用來吸引昆蟲授粉的。實驗結果顯示，咖啡因能夠增強蜜蜂的嗅覺學習能力，讓蜜蜂更能記得這些花的氣味，於是不斷回訪這些有著咖啡香氣的花朵。也就是說，這些植物等於是讓蜜蜂吸了興奮劑，引誘它們成為自己忠實的授粉者；可以說，正是咖啡因讓蜜蜂願意不斷嗡嗡嗡上工。

咖啡因的另一個作用是增加依核裡的多巴胺濃度，同時也會提高多巴胺受體的敏感性。這會刺激我們前面提過的中腦邊緣報償路徑，讓人在喝到一杯好茶或咖啡的時候，感受到愉悅的好心情；但也會讓人上癮。人類之所以愛喝咖啡或茶之類的飲料，是因為這能夠刺激大腦、抑制睡意；而且只要一開始喝了，就會因為咖啡因成癮而讓人維持這樣的習慣。於是回過頭來，我們就看到咖啡因對歷史產生了長久的影響。

在啟蒙時代，咖啡在歐洲咖啡館裡刺激了知識份子的思想與話語；到了不斷變化的工業時代，則是茶讓英國工人階級的身心得以調適。工業革命淘汰了像是編織、打鐵這些傳統工藝，以龐大的機器加以取代。從煤氣燈到電燈泡，各種人造光源讓工廠開始能夠一路運作到深夜。而咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡，維持清醒專注，連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。茶裡面加的糖也能提供熱量，讓人在長時間的輪班期間維持體力。咖啡因就這樣將工人變成了更好的零件，更能配合那些永遠不知疲倦為何物的鋼鐵機器。

〔附注：出於類似的原因，戰爭時期的軍隊也會運用各種精神藥物。像是希特勒速度驚人的閃電戰，先是在 1939 年 9 月橫掃波蘭，接著在 1940 年初攻下法國與比利時。這一方面靠的當然是德意志國防軍裝甲師的機動性，坦克既配備了無線電裝置用於協調，還能得到德意志空軍轟炸機的空中支援。但另一方面，這項成功的背後還有另一項技術的支援：靠著合成興奮劑「甲基安非他命」（methamphetamine，分子結構類似腎上腺素），德軍能夠戰得更猛更久，而不會感覺精神倦怠或身體疲勞。安非他命的化學作用讓人進入高度警覺狀態，也大大提升了自信與攻擊性。閃電戰的成功，靠的其實也是部隊嗑了藥。就連希特勒本人也同時混打多種藥物（古柯鹼、甲基安非他命、睪固酮），提供作戰指揮時的體力。〕

所以講到工業革命，工廠與磨坊的動力靠的是蒸汽機，但如果是操作機器的工人，靠的燃料就是東印度公司帶來的茶葉、加上來自西印度群島的糖。於是，茶的歷史深深植根於對勞工的剝削——從印度的茶園、加勒比海的甘蔗栽培園、再到英國的工廠，都壓榨著這些工人所有清醒的時分。

如今，若想要控制我們的睡眠清醒週期（sleep-wake cycle），咖啡因仍然是一項重要工具。這個科技社會的步調太過急促，不允許我們被動順應自己的生物時鐘，得主動加以調整，適應數位時鐘的要求。而很多人靠的就是自行攝取咖啡因，在每天上班途中把自己叫醒、讓自己能在辦公桌前熬夜趕工，或是在長途飛行後，把生理時鐘同步到新的時區。很多咖啡因成癮者都能自己調整這種藥物的劑量，一方面巧妙發揮咖啡因的正面作用，讓自己更能面對現代世界對專注力的需求，另一方面也能避免過度攝入造成的負面作用，像是焦躁不安、心跳加速、胃部不適。

然而，咖啡因雖然讓我們得以抑制大腦發出的睡意訊號，卻也成了現代人常常睡眠不足的一大主因。咖啡和茶就這樣和人類玩著兩面手法：我們喝咖啡和茶，是為了緩解長期的嗜睡；但造成這種情形的元凶也正是咖啡因。事實上，我們早上會想趕快來杯咖啡，讓腦子清醒一點、或是提振精神，很多時候其實是在緩解一夜難眠的戒斷症狀。

——本文摘自《人類文明：生物機制如何塑造世界史》，2024 年 05 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

• 文／小風，剛拿到化工系畢業證書的 Swing Dance 愛好者。喜歡把複雜的事情用聽得懂的方式跟大家分享，致力於讓社會了解化學工程的美好。

隔著咖啡廳的落地窗，我望向湛藍的天空，行人魚貫劃過眼簾。一身文青打扮的店員，親切的向我點頭，將手上的衣索比亞日晒冷萃放在被陽光晒得暖烘烘的木紋桌上。我端起咖啡杯，正打算啜飲一口時，眼角餘光卻瞥見了冰塊，我在內心吶喊：「冰塊！冷萃咖啡怎麼會有冰塊？如果用冰塊將手沖熱咖啡冷卻，那叫做日式冰咖啡！怎麼會把這兩個混為一談呢？」

突然間，我意識到一般咖啡廳裡的冷萃咖啡其實很多都是日式冰咖啡假扮的，不然就是價格比其他品項高出許多，顯然冷萃咖啡的成本比日式冰咖啡高。這是為什麼呢？

沖泡咖啡時，發生了什麼事？

沖泡咖啡，就是把水沖入研磨好的咖啡粉，將粉中的化學物質萃取溶出。咖啡粉中的化學物質濃度遠比水中的高，因此咖啡粉和水的接觸就會造成濃度上的「不平衡」（也就是不一致）。從化學的角度來說，

若一個系統不「平衡」（equilibrium），那它必定在往「平衡」的路上。

也就是說，當水跟咖啡粉接觸後，根據當時的溫度、壓力、濃度，會決定出一個新的平衡狀態，隨著時間過去，粉中的化學物質漸漸溶進水中，直到水中各處濃度不再變化時，就是到達平衡了。不過，水剛碰到咖啡粉時不在這個平衡狀態，所以咖啡跟水會自動開始朝著那個平衡狀態前進。

然而，一般沖泡手沖咖啡時，水流入咖啡粉到流出的時間只有 20 秒，系統無法在這麼短的時間內達到平衡，所以要討論影響沖咖啡的條件時，就需要了解系統朝平衡狀態前進的速度有多快，這個學問就稱作「輸送現象」。

輸送現象依據輸送的東西不同，分為三種：動量、能量、質量傳遞。因為沖咖啡是讓咖啡物質傳送入水中，所以我們聚焦在「質量傳遞」（mass transport）。質量傳遞告訴我們，當物質有濃度差異時，它會從濃度高的地方往濃度低的各處擴散出去，而且擴散的速度會跟濃度的差異成正比。換句話說：「質量通量（物質擴散速度）與濃度梯度（化學物質的濃度差）成正比。」這就是所謂的「菲克定律」（Fick’s law）：

$J_A^*=-cD_{AB} ∇x_A$

上面公式是兩物質^註1 的菲克定律。c 是莫爾濃度、$D_{AB}$ 是擴散係數、$J_A^*$ 是莫爾數通量 $\left (\frac{moles}{cm^2s} \right )$、$x_A$ 是莫爾分率、∇ 則表示梯度，也就是 $x_A$ 在空間中的變化量。

若套用到咖啡沖泡的過程，把熱水沖到研磨好的咖啡粉時，因為咖啡粉裡各種物質的濃度都比熱水高出許多，這些物質便會根據菲克定律，從咖啡粉擴散到熱水中。因此，注入的熱水流出就成了手沖咖啡。

有趣的是，手沖咖啡使用的都是熱水而不是冷水。如果物質是根據菲克定律規範的速度擴散，咖啡粉與水之間的濃度差相同，那麼不論用冷水或熱水沖咖啡，不是應該會有一樣的擴散速度，得到一樣濃的咖啡嗎？但如果上網搜尋用冷水沖泡咖啡，也就是冷萃咖啡的作法，大多會得到要讓冷水與咖啡粉接觸 12 小時以上的答案，這與手沖時熱水流經咖啡粉的 20 秒差了 2160 倍！難道水溫會影響沖泡咖啡的擴散速度嗎？又是怎麼影響的呢？

水溫問題，交給模型來解決

為進一步了解冷熱水萃取咖啡的不同，我們需要知道水溫在咖啡萃取的過程中影響了什麼因素。要解決一個複雜的問題，最好的方法是做適當假設以簡化問題，並嘗試用理論描述觀察現象。這就是所謂的創建「模型」。

由於影響咖啡風味的物質組成十分複雜，為了簡化問題，我們在這裡選擇咖啡因^註2 來討論。以濾掛式咖啡為例，實際上，水在流過咖啡粉時必然不會筆直的流下來，但為了簡化，我們可以把裝滿水與咖啡粉的濾袋想像成一道道筆直的咖啡牆與水道重複排列。因為它們是重複排列，所以我們只需要專注於其中一組即可。

取出其中一組（如圖一右圖），右邊是充滿高濃度咖啡因的咖啡牆，左邊則是沒有咖啡因的水道，形成了明顯的濃度差。因此，咖啡因會想從咖啡牆擴散到「最接近的水」，再擴散到「次接近的水」，一路朝水道內部邁進。換句話說，咖啡因在水道中的濃度是不均勻的，而最遠離咖啡牆的位置濃度最低，也就是水道正中間，而擴散的速度會符合菲克定律。

另一方面，除了由右至左的擴散，咖啡因也會垂直移動，但擴散不是主因，而是因為水往低處流，把咖啡因也帶下去了。所以，只要能預估水流動的速度，就能知道咖啡因上下移動的速度。

接著，我們可以切一塊小長方體，想像咖啡因在小長方體內的量不會隨著時間改變 ，所以進出這個長方體的咖啡因必須等量，搭配菲克定律與量出來的水流速度，就可以找出咖啡因出入小長方體的速率及在長方體內的濃度。我們只要換一下長方體的位置，就可以得到新位置的濃度。搭配現成的數值軟體計算，就能找到咖啡因在水道中全部位置的濃度。由於最後沖出的咖啡因濃度會跟濾袋最底部的咖啡因濃度一樣，我們就能利用這個模型，預測沖出來的咖啡因濃度了。

模型建立好之後，我們接下來要回到水溫的問題。在計算過程中，會需要用到五個參數：咖啡粉的粒徑、假想水道的寬度、量出來的水流速度、菲克定律中的擴散係數，以及咖啡因在當前水溫下的溶解度。

假設填充咖啡粉的方式固定、沖泡時間也固定，在只改變水溫的情況下，前三個參數不會隨溫度改變，但後兩個參數就會變化。模型的好處是可以不費吹灰之力的變換這些參數。例如，我們可以用 80℃ 熱水下的參數計算沖出的咖啡因濃度，也可以換成 20℃ 與 50℃ 的參數來計算沖出的咖啡因濃度。

有趣的是，若把咖啡因在不同溫度下的溶解度，與模型計算出的咖啡因濃度重疊，可以看出，不同溫度的咖啡因濃度趨勢與溶解度大致相符！所以，我們終於發現水溫影響沖泡咖啡的重要因素就是：溶解度！

水溫 vs 溶解度 vs 輸送現象

這個結果貌似有點像廢話：「溶解度本來就會隨溫度變化而改變，所以溶解度當然會是影響咖啡因濃度的決定性因素啊！」那我們何必大費周章透過質量傳遞模型來解釋呢？這就是「輸送現象」與「平衡」的差異！

若一個系統不「平衡」，那它必定在往「平衡」的路上。討論系統前進快慢的學問就可以用「輸送現象」來解讀。

溶解度，是已經到達平衡狀態下的討論；質量傳遞，則是告訴我們從當前狀態走向平衡的速度有多快。以沖咖啡的例子來說，如果今天是把咖啡粉浸在水中一整天，那麼你可以預期 24 小時以後，水中各處的咖啡因濃度大致已經相同，也就是濃度達平衡，而這個濃度就會是咖啡因的溶解度。但是，咖啡粉在浸入水中的前 20 秒，一般不會被認為水中各處的濃度已達溶解度。因此，我們要計算的是，在還沒有抵達這個平衡濃度前，只有 20 秒的接觸時間下，有多少咖啡因溶進水裡了。

「溶解度會影響咖啡因濃度」這件事的確不需要透過模型就能理解，但是「『在沖咖啡的 20 秒過程中』，溶解度是咖啡因濃度的『決定性』因素」，就有必要透過輸送現象的模型來解釋了。

模型提供新解方

創建模型的另外一個好處就是給我們天馬行空的機會。用一樣的模型，我們可以回答：「如果硬是用 20℃ 的水萃取咖啡，把咖啡粉加高有用嗎？」

令人驚訝的是，其實不是不行！但實在沒有經濟效益。就咖啡因而言，要達到相同的濃度，需要 1000 倍正常的濾掛式咖啡粉高，大約是 21 公尺，也就是超過四層樓的咖啡高塔。

我們需要更長的時間

為什麼市售的冷萃咖啡可能不是「冷萃」，比較常見的是用熱水沖泡再放冷或加冰塊呢？現實層面是，使用冷萃方法來達到我們想要的濃度所花的時間實在太長了。從前面的說明，我們現在知道，咖啡中的物質在冷水中的溶解度太低了，導致驅動水中傳遞的濃度差太小，根據菲克定律可知擴散的速度會變慢，所以需要很長的時間才能得到夠濃的咖啡。也就是說，冷萃咖啡的時間成本比手沖咖啡加冰塊（也就是「日式冰咖啡」）高多了，難怪冷萃咖啡的價格總是比日式冰咖啡的價格高，或甚至是用日式冰咖啡冒充冷萃！

化學工程——研究日常生活的科學

說到這裡，你對「化工」是不是有了更多認識呢？化工是一門研究生活的科學。與物理、化學不同，化工更著重於理論的應用。我們不只可用菲克定律來解釋冷萃咖啡的祕密，還能用來計算水從咖啡中蒸發的速率，製作出即溶咖啡粉；若討論水以外的有機溶劑對咖啡因與其他化學物質的萃取速率差異，還能設法單獨去除咖啡因，生產無咖啡因的咖啡；若把冷萃咖啡融入低溫高壓的氮氣，更能為冷萃咖啡添加泡泡的綿密口感。

對像我這樣的化學工程師而言，追求生活應用或許不只為了改善生活，更令人興奮的是成功以日常生活的應用體現理論吧！然而，單有理論與模型說服不了工程師，或許理論過度簡化，跟實際情形不同，所以還需要實驗佐證才能使人信服。

有時候做實驗似乎很困難，例如想量出咖啡因濃度，可能要把沖好的咖啡送到與國家合作的大學食品研究室，用高效液相層析法（high performance liquid chromatography, HPLC）定量咖啡因濃度，就像連鎖餐飲業者為了向顧客證明食安與成分分析所出示的檢驗報告一樣。

不過，事情或許能比想像更簡單！下一集〈翡冷萃咖啡的祕密（下）：手機也能測咖啡濃度！〉將告訴你如何透過合理簡化，設計用手機鏡頭與 Matlab 數值軟體估算濃度的方法！

註解

1. 兩物質的菲克定律，是指系統中物質 A 的濃度不一樣時，要藉由穿梭在物質 B 之間來移動的情況。如果系統有多於兩種物質，這條算式就不適用。
2. 影響咖啡味道與口感的決定性因素不是咖啡因，而是由各種醣類、酯類、有機酸的組成決定，但若要考慮每一種化合物各自的擴散速度，必須定量以決定組成，勢必相當複雜。再者，就算可定量這些物質的含量，因每個人口味不同，也很難將量化結果與咖啡風味連結。所以，若只是要了解水溫如何影響咖啡的質量傳遞，用咖啡因作為計算標的可適度簡化。

• Bird, Stewart, and Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd edition, Chapter 18
• 〈冷萃、冰滴、冰美式、氮氣咖啡、日式冰咖啡，你都搞懂了嗎？〉每日頭條

• 責任編輯/竹蜻蜓