咖啡拉花中的流体力学

见识过咖啡拉花的朋友们多半会对咖啡师的技艺赞叹不已。白色的热牛奶冲进深褐色的浓缩咖啡里面，随着咖啡师的手腕轻点，拿铁表面便荡漾出如心似叶的图案。这事太有情调，太浪漫了。

咖啡拉花（latte art）主要分为 两种：
一种是拉花（free pour)，在往浓缩咖啡（espresso)中倾倒热牛奶的同时“拉”出图案；
另一种则是雕花(etching），是牛奶和咖啡混合之后，在顶部用巧克力酱和牙签等辅助用品直接在拿铁表面的泡沫上“雕”图。
拉花和雕花两者比较，前者更加奇妙，而后者花样更全。这是因为在雕花时，拿铁表面的泡沫具有一定的稳定性，能够支撑巧克力酱、焦糖浆之类的有颜色的酱料，不但给咖啡师以更多时间，勾画、构图也有了更大的自由。而拉花的奇妙之处则在于图案是在调制拿铁的过程当中形成的。
拉花的奥妙，资深的咖啡师或许会从如何制取浓缩咖啡和热牛奶泡沫谈起。不过，从物理上来说，咖啡拉花是怎么一回事呢？
这个么，咱得从表面剂谈起。
表面剂，或者叫做表面活性剂，是一类非常广泛的物质，在日常生活中随处可见。洗衣粉、洗碗液靠它去油除污，小朋友靠它吹泡泡，没有它，包括牛奶在内的很多饮料都不会是我们看到的样子。在食品工业里面应用的时候，表面剂有时也被称做乳化剂。
表面剂一般是同时具有亲水部分和疏水部分的有机小分子。典型的表面剂有着下图这样的结构：有一个可以亲水的极性基团脑袋（B里面的圆球），还有一根或者多根长长的尾巴，这是喜欢溶解在油等非极性介质里面的憎水基团部分（一般是长一点的碳链）。很多读者在中学里都学过，构成生物体细胞膜的磷脂分子也具有这样的结构，它有两条憎水的尾巴，也可以作为表面剂。值得说明的是，这个表面剂的形象不应该和我们常说的“小蝌蚪”们混起来。

如果我们在水里面加入一些表面剂，那么由于憎水的尾巴不喜欢和水挨在一起，如果尾巴和尾巴挨在一起，用亲水的脑袋把水和尾巴隔离开来，那么整个系统的能量就会更低一些。就像下图显示的一样，这可以形成各种各样的结构：可以是亲水脑袋包裹着憎水尾巴的小球状的胶束（Micelle）或者胶囊形状，也可以是两层表面剂分子包裹成球状的（下图中的Liposome），或者双层的分子形成的平面膜等等。这个体系据信与生命最初形成的过程有关，即从混合有包括原始RNA或者DNA在内的多种有机分子的原生汤里面是如何形成一个个的原始细胞的[2]。

表面剂的一个重要特性就是可以让原本不能相混合的两种液体或者一种液体和一种固体粉末混合起来，形成乳浊液或者胶体。比如说，水和油就可以通过加入一些表面剂形成乳浊液。根据水和油的比例不同，形成的结构可以是油包水，可以是水包油，也可以是油水分层的多层结构，而表面剂就在水和油的界面上，保证着系统的稳定。这个特性的一个重要应用就是洗去衣物上的油污。

蛋白质里面一般同时具有亲水和憎水的基团，因此很多蛋白质都可以起到表面剂的作用。西餐里面的蛋黄酱是一种主要由植物油、蛋、柠檬汁或者醋以及其他调味料制成的调味酱，其中蛋里面的蛋白质就起到了表面剂的作用，把植物油和水混合起来。牛奶是一种天然的乳浊液体，其中含有的蛋白质也会把牛奶里的脂肪包裹着，悬浮在水里面。倘若通过外力等手段将这个体系破坏，就可以收集脂肪得到黄油，收集蛋白质得到奶酪
表面剂也可以用来稳定空气和水的界面，简单点来说，就是可以用来吹泡泡。当很多的小气泡聚在一起，而它们之间的水流走的时候，它们就会互相接触，形成多面体的结构：泡沫。这时候，憎水的尾巴暴露在空气里面，而亲水的脑袋扎在一薄层水里面，表面剂的存在降低了空气和水的表面张力，使得这种泡沫的结构可以存在一段时间，让小孩子享受吹泡泡的乐趣，让摄影师拍下它们的身影，让科学家们可以研究它们的性质，也让咖啡师得以制作咖啡拉花。

制作咖啡拉花的杯子里面要先放大概容积三分之一的浓缩咖啡（Espresso）。这是一种口感强烈的咖啡，用接近沸腾的热水以高压冲过细研后压实的咖啡粉就能得到[4]。在浓缩咖啡的表面飘着一层红棕色的泡沫状的咖啡脂（crema），这层咖啡脂是咖啡里面的脂肪成分以及气体形成的泡沫，而起到表面剂作用的是咖啡里的蛋白质，以及细胞膜的磷脂分子等物质。

咖啡脂的体积一般要占到浓缩咖啡的10%以上，而其中，气体的体积含量大概能占到咖啡脂的一半。在光学显微镜下观察咖啡脂的结构，可以看出里面包含有气泡、脂肪颗粒（一般小于10个微米）以及一些固体的颗粒（咖啡豆细胞壁的碎片之类）[5]。别小看了这层咖啡脂，咖啡脂的存在往往被当作浓缩咖啡质量的标志，不止如此，咖啡脂本身也正是形成咖啡拉花的一个重要因素。

【光学显微镜下观察到的咖啡脂。】

在咖啡拉花的制作过程中，倒入浓缩咖啡的热牛奶经过了预先的处理。有了牛奶里的蛋白质当表面剂，再通过搅拌等手段，热牛奶的表面形成了一层牛奶和空气混合出来的泡沫（microfoam）
在混合热牛奶和浓缩咖啡的过程中，两种泡沫被混合在一起：一种是空气和牛奶混合的泡沫，一种是浓缩咖啡表面的脂肪、气体和浓缩咖啡混合的咖啡脂泡沫。这两种泡沫都相对稳定，咖啡脂的泡沫一般可以维持 10 分钟左右 [5] ，牛奶和空气形成的泡沫也可以维持数分钟之久 [8]。
这两种泡沫混在一起之后，由于它们的颗粒都较大（微米级别），又挤在一起，颗粒的扩散过程是很慢的，在没有搅拌的情况下，两种泡沫之间混合的速度会很慢，因此，泡沫之间的界限会在很长时间内保持清晰。这样，咖啡师倾倒牛奶时做出来的图案可以保持足够长的时间，以供顾客欣赏。

有读者可能会问了，为什么非得泡沫混合在一起才行，不同颜色的液体混合在一起就不行吗？
当我们把牛奶倒入咖啡时，虽然这两种液体内部仍然存在着微米大小的颗粒，但是这些颗粒并没有互相紧挨着，并且这类颗粒只占液体的很小一部分，即使它们不会立刻就互相均匀混合，但由于内部液体的流动很不稳定，两种液体混合的界面也会因为扩散很快变得模糊起来，无法做成拉花的图案。
其实，除了咖啡拉花之外，表面剂在我们日常生活和工业生产中都有着非常重要的应用。在我们洗衣服、洗碗的过程中，表面剂的憎水尾巴深入污渍内部，亲水的脑袋和水密切相连，在洗刷的运动下，将污渍包裹成悬浮的颗粒随着水而去。在食品工业里面，表面剂被用来将不同的原料混合在一起，以获得新的口味和性状（比如前面提到的蛋黄酱）。而在工业生产里面，表面剂可以用来混合不同的原料，以利于化学反应的发生；或者用来混合不同的材料，以方便后续的加工处理（比如油漆）。

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