碳酸盐体系 The Carbonate System

碳酸盐体系泛指和水质有关的因素：TDS , 硬度（GH), 酸度碱度，pH值，缓冲指数（KH)，金属含量尤其是钙镁。在评估冲煮咖啡用水时使检验使用水必须全盘考虑以上因素及其之间的相互作用。

总溶解固体（Total dissolved solids/TDS）

又称溶解性固体总量，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，包括无机物和有机物两者的含量，测量单位为：毫克/升（mg/L）。

毫克（mg）/升表明1升水中有多少毫克溶解性总固体。

PPM溶液百万分率浓度单位。指100万毫升溶液中含有溶质的毫升数或表明100万克溶液中含有溶质克数。

换算关系：1mg/l=1PPM

如果水的TDS值少于1，000mg/L一般被认为达到饮用安全标准。TDS值过高肯定会影响冲煮咖啡的味道,原因是水没有更多的“空间”溶解产生（含有）风味的物质，实验表明使用TDS值120-125mg/L的水冲煮咖啡的品质明显好于TDS值300mg/L.冲煮的咖啡。

另一方面，产生（含有）风味的物质因其类型不同也会影响水渗透过咖啡粉层（coffeebed）及单独咖啡颗粒时的水力弥散状况（hydrodynamic dispersion)。

ppm值越高，代表水中的可溶解物质越多，因此在萃取咖啡时萃取率会越低；

而ppm值越低，代表水中的可溶解物质越少，因此萃取咖啡时萃取率会越高。

根据SCA研究，水的ppm值在125-175之间，用来萃取咖啡最为理想，ppm值低于75，则较容易萃取过度；ppm值高于225，则较容易出现萃取不足。

水中TDS形成的原因

从地下蓄（含）水层提取或渗透过土壤获得的地下水（ground water)含有较高的矿物质（TDS值高），含水层中的石灰岩在酸性状态下容易溶解形成硬水（hard water),因为石灰岩主要成份是碳酸钙。

另一方面，来自于湖泊河流的地表水通常TDS值较低（不经常和土壤矿物质接触）。但是人为因素可以影响TDS。例如大气污染造成的酸雨可以造成湖泊中PH值的降低及矿物质含量的增高。工业及农业的废水可以增加地表水中的固体含量。尽管有市政水处理系统，但在农村地区，水始终带有藻类，菌类植物的气味，哺乳动物和某些鱼类体内蛋白质代谢分解的主要含氮终产物（尿酸），以及土壤中化肥的气味。

水在蒸发及降雨过程中吸收溶解大气中的污染物； 降水落到地面,溶解地面上的污物； 地面水渗入地下或汇入江河的过程中，不断溶解所接触到的矿物质，化学物质等。 水在水循环中溶解了所接触到的钙(Ca)，镁（Mg)离子，也会对水的TDS造成影响。

测量TDS给我们一个使用水中可溶性固体总量的大概情况。增加水中离子量会限制从咖啡中萃取的可溶性物质。较高的TDS值会造成萃取较少量的风味物质。水处理的首要目的是将TDS值调试到一个可接受的水平。

水的总硬度(GH)

ppm值相同的水软硬度有可能不同。水的硬度是指水中钙、镁离子的浓度，硬度单位是ppm，1ppm代表水中碳酸钙含量1毫克/升（mg/L）。

水的硬度与水的ppm值有关，ppm值高的水，钙、镁离子的含量相对来讲较高，ppm值低的水，钙、镁离子的含量相对来讲较低。但当不同的水即使是ppm值相同时，水中的可溶性固体物质有可能成分不同。也就是说，钙、镁离子含量也相对来讲会有所不同，因此也会对咖啡萃取造成影响，仅看TDS数值是片面的。

在冲煮咖啡过程中有些化合物或离子对萃取的影响大于其它化合物及离子。实验中，在蒸馏水中放入单一一种无机化合物来测试对咖啡萃取的影响。

使用加入碳酸氢钠Sodium Bicarbonate的蒸馏水萃取咖啡的TDS值为1.29%。碳酸氢钠溶于水后分解成碳酸钠、二氧化碳和水，产生的二氧化碳有助于蓬松咖啡颗粒，使咖啡中可溶性化合物的扩散，加快萃取。钠离子含量较高会有咸味。

使用加入氯化钙（calcium chloride）的蒸馏水萃取咖啡的TDS值为1.04%。氯化钙在水中电离,生成氯离子和钙离子与咖啡中的可溶性有机物及碳水化合物产生反应形成沉淀.钙离子还可以和特定物质结合，在咖啡冲煮过程中产生新的味道。

硬水与软水

水分为软水、硬水，凡不含或含有少量钙、镁离子的水称为软水，反之称为硬水。水的硬度成份，如果是由碳酸氢钠或碳酸氢镁引起的，系暂时性硬水（煮沸暂时性硬水，分解的碳酸氢钠，生成的不溶性碳酸盐而沉淀，水由硬水变成软水）；如果是由含有钙、镁的硫酸盐或氯化物引起的，系永久性硬水，经煮沸后不能去除。以上两种硬度合称为总硬度。

水的总硬度＝钙硬度+镁硬度＝碳酸盐硬度+非碳酸盐硬度＝暂时硬度+永久硬度

依照水的总硬度值大致划分，总硬度0-30ppm称为软水，总硬度60ppm以上称为硬水。

硬度极高的水表明水中还含有其它金属元素例如：氯化物，硫酸盐，碳酸盐，碳酸氢钠。市政水系统中使用氯及氯胺（chlorine ,chloramines)去除水中有害病菌，它们可以引起芳香物质及油脂的氧化从而破坏咖啡风味，在冲煮咖啡时应该去除它们。水中过量的铁会使咖啡看上去发绿，氢化硫使水有臭鸡蛋气味，氯和硫酸盐使水有咸味。

pH值

亦称氢离子浓度指数：是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。通常情况下，pH值是一个介于0和14之间的数，当pH<7的时候,溶液呈酸性；当pH>7的时候，溶液呈碱性，当pH=7的时候，溶液呈中性。水在25度时是中性的，对应pH值为7.0，碱性越强（pH值越高）抵消酸的能力越强减少酸味的效果就越强，使用的水越偏碱性，咖啡中就会发生越多的酸碱反应，咖啡在碱性的水中更容易溶解。

水在大气层溶解二氧化碳，此时pH值较低，大气环境污染会进一步降低水的pH值。水渗透过土壤及矿物层，酸性水会溶解矿物质，水的pH值会随之升高。对于那些深处地表之下的地下水来讲，当它到达地下蓄水层（砂石含水层）时，它的pH值比较高并含有大量矿物质。相反，土壤中的微生物有益于二氧化碳的产生，二氧化碳溶于水会形成碳酸,碳酸氢根,碳酸根，进而会降低水的pH值（酸度增加)。

富含矿物质的地区，水文ph会呈碱性 ，典型的非洲三湖地区ph值会在8+，雨林地区，因为有大量的落叶及腐烂的树木，进而产生大量的腐殖酸，所以东南亚，西非，南美亚马逊，等雨林地区水质呈酸性。

碳酸盐体系中的酸及碱

pH值来表示溶液中氢离子的总数。如果溶液中氢离子和氢氧根离子失去平衡，这个溶液要么呈酸性要么就是盐基bases（碱性）。以上任何一种离子的含量过高都会对冲煮咖啡造成影响。

不是所有的酸或碱都可以在溶液中迅速分解，在水或咖啡中它们是自然的分解，因为咖啡中含有大量不同的化合物，包括不同含量的离子键的物质。

人们可以对酸或碱进行中和处理，例如在pH值高的溶液中加入酸来达到中和效果，酸中的氢原子和溶液中原有的氢氧根离子形成水分子。（因为新加入酸中的负离子，TDS值会增加）.

水的总碱量

想要获得预期的pH值，仅仅靠测量溶液的pH值是不够的。还要考虑总碱量（total alkalinity)和总酸量(total acidity)。

总碱量：指水中能与强酸发生中和作用的物质总量，包括：强碱，弱碱，强碱弱酸盐。例如：hydroxide(OH-)氢氧化物，carbonate(CO3-2)碳酸盐，bicarbonate(HCO3-)碳酸氢钠。

ph值相同的水（溶液）其碱总含量不一定相同，原因ph 值直接反应水中H+，或OH-的含量，而碱总量除了包括OH-还包CO3-2 , HCO3-等碱性物质含量。

碱度相同的溶液ph值可以不同： 如碱度0.1mmol/L的NaOH液，ph=13，碱度0.1mmol/L的NaHCO3液 ph=8.3

pH和碱以相反的方式影响溶液的酸度，你可以通过加入酸来降低溶液的PH值，但是加入的酸有可能会被溶液中的总碱量所消耗而起不到降低溶液PH值的作用。

溶液中的碱可以中和咖啡的酸，并使咖啡颗粒膨胀。在实验中，使用含碳酸盐的水冲煮咖啡，味道很苦，ph值高，味道平淡，同时造成萃取过程时间延长。

缓冲指数（KH碱度)

KH常常被人们误导为水的硬度，其实这是错误的说法，KH值仅是描述暂时硬度中的酸式碳酸根(HCO3-)，在化学上，KH值被定义为碳酸氢根(HCO3-)的浓度指数，并以，KH为单位。硬度（GH）是用来定义水中多价金属离子（镁离子，铁离子等）的含量，而非描述其中的阴离子（碳酸氢根，硫酸根等）。所以，KH和GH有着明显的区别。

KH值与GH值对冲煮咖啡的影响

因为碳酸氢根是水质中最主要的缓冲物质，它可以中和水质中任何增加或减少的游离CO2，以及亦能抑制氢离子的波动，以维持恒定的pH值，因此kH的控制被视为水质管理不可缺的手续。

如果KH过低，表示水中天然的缓冲系统已经失去平衡，水质将趋酸性化，很容易受到中酸性物质的影响，使pH值急遽降低。

反之如果kH过高，水质将趋碱性化，很容易受到中碱性物质的影响，使pH值急遽升高。

kH硬度完全针对水质中的阴离子（HCO3-）含量的表示法，这种表示法是以100ml水中含有1毫克的HCO3-称为1度（相当于10ppm浓度），并标记为1度kH。它与CaCo3（碳酸钙）硬度完全针对水质中的阳离子（Mg2+、Ca2+）含量表示法完全不同。

KH值的大小密切关系着缓冲作用系统的缓冲容量。一般而言，KH越大，水体的缓冲容量就越大，对于高浓度CO2进出水体所引起的pH变化幅度就越小。由此观之，理论上KH似乎越大越佳，可是KH若越大，水体先天的pH会比较高。

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