水の硬度と抽出の関係

水が自然の循環の中で特定の無機イオンを溶解する能力を持っていることは既に知られています。マグネシウムやカルシウムなどのミネラルイオンが適度な濃度で含まれている場合、コーヒー豆のセルロース壁を透過し、コーヒーの風味を生み出す可溶性物質に戻ります。分子レベルでは、コーヒーに含まれる多くの風味成分が酸素分子を伴い、マグネシウムイオンは酸素結合を介して容易に結合するため、Mg²⁺イオンはCa²⁺イオンよりもわずかに強い抽出液を生成します。乳酸、リンゴ酸、クエン酸など、コーヒーの風味に大きく寄与する一部の酸は、Mg²⁺イオンとより強く結合することができます。一方、カルシウムは他の物質と容易に結合し、水垢の形成を引き起こします。これが、水垢の蓄積を防ぐためにエスプレッソマシンを定期的に洗浄する必要がある主な理由です。

総硬度（GHとも呼ばれる）は、水中の正に帯電したカルシウムとマグネシウムの量を単純に測定したものです。これらのイオンの電荷は風味分子の抽出を助けるため、GHの測定値は水の抽出性を示す重要な指標となります。正に帯電したミネラルイオンはそれぞれ負に帯電したイオンと対になることを知っておくことが重要です。水中では、これらの負イオンの中で最も重要なのは重炭酸イオン（HCO₃⁻）です。

水を重曹と一緒に沸騰させると、水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンと反応して沈殿物、つまり水垢（炭酸カルシウムと炭酸マグネシウム）と呼ばれる固体が生成されます。そのため、水を加熱した際に生成される水垢の最大量を炭酸塩硬度、または一時硬度と呼びます。一時硬度は、KH（Karbonathärte、ドイツ語で炭酸塩硬度）で表されることがよくあります。

Ca²⁺イオンやMg²⁺イオンとは異なり、Na⁺イオンはコーヒー豆中のほとんどの中性化合物と弱く結合するため、Na⁺イオンを多く含む水は抽出には適していません。したがって、コーヒーの風味成分の大部分を抽出することが目的であれば、Mg²⁺を多く含む水が最適です。特定の浅煎りコーヒーの風味バランスを最適にすることが目的であれば、Ca²⁺とMg²⁺の両方がより高い効率を示しますが、沈殿物の形成リスクが高くなります。

鉄（Fe 3+）やアルミニウム（Al 3+）などの他のイオンは、飲料水中の許容濃度が非常に低い（世界保健機関（WHO）の基準による）ため、しばしば見落とされがちです。

下図に示す水は、カルシウム/マグネシウム単位を2つ含んでいるため、総硬度（GH）は2です。加熱後、炭酸水素イオン（HCO₃⁻） 1個がカルシウム（またはマグネシウム）単位1個と結合して水垢を形成するため、一時硬度は1となります。残りのマグネシウム（またはカルシウム）単位は永久硬度であり、水垢を形成せず、沸騰後も水中の他の多くのイオンとともに残ります。

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この例では、アルカリ度は一時硬度と同等として表されます。これは、HCO₃⁻ と反応して水垢を形成するのに十分な Ca²⁺とMg²⁺が存在するためです。これは、ほとんどの天然飲料水に当てはまります。アルカリ度と炭酸硬度（または一時硬度）は基本的に同じです。したがって、炭酸硬度を測定すると、水のアルカリ度もわかります。ただし、炭酸硬度を決定するために、総硬度とアルカリ度を比較することがよくあります。この2つのうち低い方が炭酸硬度となります。その理由は、スケール形成には総硬度とアルカリ度の両方が必要だからです。つまり、どちらか一方だけではスケールは形成されません。

今日では、ほとんどの国で水の硬度を測定するために等価単位が用いられています。これは、様々なイオン（例えば、Ca²⁺、 Mg²⁺、 HCO₃⁻）の含有量が、それらが形成できる沈殿物の等価質量で表されることを意味します。

通常、水の硬度は炭酸カルシウムのppmで表します（ここで ppm は part per million すなわち100万分の1で、ミリグラム／リットル（mg/L）に相当します。簡単に言えば、1リットルの水に含まれるCaCO₃のミリグラム量です。スペシャルティコーヒー協会（SCA）の統計・規格委員会によると、標準的な抽出水の硬度は50〜175 ppm CaCO₃が目安です。つまり、1リットルの水から生成し得るCaCO₃の沈殿量は50〜175 mgの範囲になります。