从研发到制造——粒度分析的有效应用
粒度大小往往决定产品的最终性能，这使得粒度分布成为众多产品十分重要的参数，比如对于水泥、咖啡、粉末涂料或者药品等产品。在大多数情况下，对粒度大小进行测量的需求可通过激光衍射法得到满足——它是一种实验室和实时监控中常规使用的技术，既可用于试生产，也可用于商业规模生产。在生产周期的各个阶段拥有可靠而又强大的粒度测量技术，可以为产品和工艺的改善提供大量的机会。
什么样的机会呢？让我们通过对激光衍射粒度分析法在咖啡行业中的应用来探讨一下。一杯咖啡的味道直接受到用来调制它的研磨粉末粒度分布的影响，因此对于那些研磨咖啡或现磨咖啡的商家，以及咖啡研磨机或更复杂的全自动咖啡机（’bean to cup’）生产商来说，粒度大小的重要性十分突出。
令口味更完美
无论你是本地咖啡馆的咖啡吧员，还是跨国咖啡研磨机公司的一名咖啡师，你的首要任务就是调制出一杯美味的咖啡，满足客户的期望。当然，每个人的口味不尽相同，但仍然会存在某些明显的区域共性，比如某些地区的文化偏好浓烈的口味，而其它地区的文化则会喜欢较淡一些的口味。了解影响口味的因素对于能否成功生产出满足上述不同要求的产品至关重要。
冲泡咖啡的口味受到如下因素的影响：
● 咖啡豆的品种、烘焙方式以及新鲜程度
● 冲泡咖啡所用的咖啡研磨粉末的粒度大小
● 每次冲泡使用的咖啡量
● 咖啡冲泡和萃取时的温度
● 冲泡时间/压力
上述这些变量中有一些是取决于咖啡生产商的选择和技术的，但粒度测量却不可能在咖啡使用时经常进行。而粒度规格往往需要作为生产工艺的一部分进行控制，比如用于研磨咖啡、独立研磨机或是一体化的全自动咖啡机。
经过多年的发展，从简单的广为人知的手指与拇指之间的研磨，到筛选，再到今天的激光衍射粒度分析，应用于咖啡的粒度技术已经日益精湛。相应的基础知识已经得到发展，现在人们已经很清楚，要在人们接受的冲泡时间内获得令人满意的风味，咖啡的整体粒度分布要比平均粒度更为重要。
粗磨咖啡相对接触面积较小，为了释出风味，需要更多的冲泡时间。相反地，精磨咖啡可以更快地释出风味，但因此也更有可能释放出苦味成分，从而产生一种不愉快的、灼烧过的味道。而且，研磨得非常精细的咖啡容易紧密聚集在一起，在冲泡过程中会严重妨碍水的通过。因此，精细颗粒一般会需要更高的冲泡压力，而这么做又会对咖啡的风味产生影响。
咖啡和咖啡机生产商们需要持续提升他们对上述这些相关因素的理解，从而使咖啡的研磨尽善尽美，以便更好地满足特定地区的需要，而不只是为了单独的某一个市场。激光衍射法可以有效地满足实验室对粒度分析的相关需要，也可以按需求为工厂生产现场提供在线粒度检测。
激光衍射法简介
激光衍射粒度测量是基于激光束通过特定样品时，对所产生的光散射图案进行检测和分析的一种粒度测量方法。小颗粒对光线的散射相对较弱，角度也较宽；而较大的颗粒则以接近入射光束的角度对光线产生强烈的散射。采用米氏的光学理论，可以根据所获得的散射图案来对样本的整体粒度分布进行计算，而不需要进行任何仪表校正。
高效、非破坏性的激光衍射法本质上是一种快速的方法，主要因为它是一种集合粒度技术，亦即它直接测量样品的粒度分布，而不是通过不同单独颗粒的粒度测量来建立一种所需的粒度分布。样品制备非常简单，只需要符合样品适当分散的主要要求。对于咖啡而言，样品的基本粒度应当是单个咖啡研磨粉末的粒度，而不是任何团块尺寸的粒度，这对咖啡风味释放的行为十分重要；因此，测量过程中对样品进行高效分散成为了咖啡粒度测量的一个先决条件。
现代实验室用的激光衍射粒度仪功能多样，自动化程度高，同时效率极高。最新的测量系统由直观的软件驱动，量程范围可以达到0.01 至3500 微米，即便是新用户也能实现准确、可靠的粒度测量。同样重要的是，对于咖啡粒度测量的用户而言，上述系统带有功能极其强大而高效的干式分散系统，甚至对咖啡研磨颗粒中的粘性物质也能进行迅速高效的测量。
进入生产环境以后，凭借在线系统以每秒钟输出四个完整颗粒粒度分布的输出频率，激光衍射粒度测量在测试速度方面优势十分明显。系统提供的实时监控可以极大改进研磨工序的工艺及自动化控制，同时还可以用在生产线上，比如对研磨机的品控进行加强（参见下述案例分析）。同时通过该仪器可在分析人员和生产线之间构筑一种界面，以确保分析的相关性和可靠性，并以操作员易于理解和使用的方式将数据呈现出来。
以下的案例分析中包含了一些数据，说明了激光衍射法如何对从实验室研发到工厂日常生产周期中的每个环节提供有力的支持。
案例分析1：比较不同品种咖啡的粒度分布
图1 列出了三种市售研磨咖啡的粒度分布：滤泡式、香滑型、浓缩烘焙型。使用配有Aero S 干式分散单元的Mastersizer 3000（马尔文仪器，英国）对每种样本的粒度分析进行了表征。该仪器具有很宽的动态范围，在单次测量中即可成功测得样本内部的大颗粒，同时可对样品中的极精细颗粒进行精确的量化。
图1：意式浓缩咖啡、 香滑咖啡和滤泡式咖啡的粒度大小突显了咖啡精细度对风味的影响，其中精细颗粒含量高的意式浓缩咖啡释出独特的苦味。
测量的结果显示，意式浓缩咖啡产品中精细颗粒占了很大的比例，造成这种咖啡所具有的苦味特征。相反，香滑型咖啡，尤其是滤泡式咖啡中，精细颗粒所占的比例要小很多，口味因此也更加平滑。这种类型的实验室分析可以用于质量控制，同时也能帮助开发人员加深对于如何通过优化粒度分布的单个元素，从而获得美味的理解。这一点对于那些工作在行业前沿的人员来说尤其重要。
案例分析2：优化研磨机设置
图2 的数据显示，一旦确定了目标的粒度分布状况，即可将其用来支持生产线上研磨机的设置，确保从研磨盒中出来的研磨颗粒能直接调制出令目标客户群体满意的研磨咖啡。在本实验中，粒度大小的测量结果可以反映研磨机磨片间隙的大小。调低设置参数相当于缩小上述间隙，可以观察到生产出的颗粒比较精细。激光衍射数据可以有效追踪研磨机间隙对粒度分布产生的影响，从而为满足特定要求进行操作提供了坚实的基础。对于喜欢意式浓缩咖啡苦味的客
户群体而言，参数设置1 比较好，而较高的参数设置则会产生比较香滑的咖啡。
图2：提高设置参数相当于调宽研磨机间隙，从这张研磨机参数设置调查表中可见，调高设置参数可使研磨颗粒变粗。
案例3： 实时的研磨机质量控制
在意大利Mignagola di Carbonera 的生产现场，德龙（De’Longhi，世界咖啡机领先生产商之一）已经跨出重要的一步，通过安装在线激光衍射测量装置，为全自动咖啡机的研磨机提供实时的质量控制。具体而言就是要在与生产线动态一致的时间框架内，实现100%可数据量化的品控测试。事实证明，在按照需要对产品进行合格/不合格的实时监测中，在线测量十分重要。
图3 显示了在线粒度分析仪处于安装位置、位于测试工作台下方和操作人员查看屏幕时的状态。测试时首先流水线上的工人将新鲜的咖啡豆倒进研磨机中，启动测试程序。研磨机开始工作，产出的研磨咖啡流出研磨腔，向下流进分析仪；接着文丘里单元将样品分散送入仪器的测量区域。当研磨咖啡来到测量区域时，激光照射到样品并发生散射，无需人工干预即可自动触发测量。分析结束时，也会以同样的方式进行。
图3：在线粒度分析仪（Insitec，马尔文仪器）可以在生产线上为研磨机提供实时的品质控制测量（左图）。简单呈现的测量结果直接通知操作人员，需要对齿轮进行什么程度的调节，从而使研磨机的工作达到规定的要求，在这个案例中，只需将齿轮调节一圈即可（如右图所示）。
尽管是对粒度分布数据进行测量，这种技术最具特点的地方还在于数据呈现的方式是按照测试的要求进行准确定制的。操作人员需要集中关注的是屏幕上的绿色区域，它显示研磨机的性能是否符合要求，如果不合要求，则要求齿轮转多少圈才能将问题纠正过来。上述测试指南是通过在软件中对比测量过的粒度与既定标准自动生成的。执行任何一个改正措施后，都会进行再次测试。
将分析方案细化到这种程度的简洁和高效需要在开始时花一些功夫，但最终制定出来的方案是非常成功的。尽管测量的过程只需几秒钟并且所需使用的咖啡样本数量也比较少，但测量所产生的结果却非常稳健而具有代表性。因为研磨机测试采用了真实的咖啡样本，样品粒度较小，因而具有降低测试持续成本的明显优势。我们对每台研磨机都进行测试，当它们离开测试台时，都带有了一整套能够验证其性能的数据测试结果。
在实际应用中，如今的测试方法都已经变得程序化且非常直接，并将人工误差控制在最小范围。Insitec 是一种极其可靠的系统，在行业内多年的应用案例也充分证明了这一点。操作人员每周都会对分析仪进行清理，这项简单的任务只需花费区区几分钟的时间；除此以外，该系统几乎不需要什么其它的维护。随着生产规模的扩大，新的流水线的不断添置，生产商在每个研磨区域都配备了专用的在线粒度分析仪。
结论
近几十年来，激光衍射法日趋成熟，迄今为止已经发展成为功能多样而又强大的工业粒度分析技术。以丰富的想象探索其潜在可能的用户可以获得及时而又强大的粒度尺寸数据，从而对从初始研发到日常生产周期各阶段形成支持。上述将激光衍射技术应用于咖啡粒度测量的探索彰显了这种战略的潜在优势，以及对那些以极高端产品和工艺性能为目标的用户所带来的价值。
