Quá trình pha cà phê bắt đầu ngay khi nước nóng chạm vào cà phê và dừng lại khi nước và cà phê được tách ra. Khoảng thời gian mà nước vẫn tiếp xúc trực tiếp với cà phê được gọi là thời gian pha và phụ thuộc vào kích cỡ xay của cà phê.
Thời gian nước tiếp xúc với cà phê quyết định lượng chất hòa tan được chiết xuất – nói cách khác, thời gian tiếp xúc càng lâu thì khả năng chiết xuất các chất hòa tan càng lớn. Bất kể phương pháp pha chế nào, nước sẽ luôn chiết xuất các hợp chất hương vị khác nhau theo một thứ tự nhất định: Axit và chất béo trước, sau đó là đường và cuối cùng là sợi thực vật. Điều này phụ thuộc vào khối lượng riêng và tính chất phân cực của các hợp chất này, các hợp chất nhẹ hơn cần ít năng lượng và thời gian hơn để được hòa tan và ngược lại đối với các hợp chất nặng hơn. Từ góc độ cảm quan, ta có thể chia các chất hòa tan thành ba giai đoạn theo thứ tự trước sau:
Các hợp chất đầu tiên được chiết xuất từ cà phê là axit và chất béo. Axit góp phần tạo nên vị chua và là hợp chất đơn giản nhất, về mặt phân tử, vì vậy nước có thể dễ dàng hòa tan chúng vào cà phê lỏng. Các loại dầu hoặc chất béo thì ngược lại không đơn giản – về mặt hóa học. Thay vào đó, chúng kỵ nước nên dễ dàng đi vào chiết xuất từ rất sớm. Ngoài ra, một số thành phần hương liệu nhẹ hơn như hương hoa và trái cây sẽ được chiết xuất rất sớm.
Đường được chiết xuất tiếp theo. Ngay cả những loại đường đơn giản nhất cũng phức tạp hơn về mặt phân tử so với axit. Do đó, nước cần thêm thời gian và / hoặc năng lượng (nhiệt độ) để hòa tan hoàn toàn.
Nếu quá trình chiết xuất vẫn tiếp tục đến một phần ba cuối cùng, cà phê sẽ không còn vị ngon. Trong giai đoạn này, nước đã bắt đầu phá vỡ các sợi thực vật tạo nên cấu trúc hạt. Lấy đi các hợp chất Caramel và Maillard đặc biệt sẫm màu tạo nên mùi vị khói, tro hoặc thuốc lá, chúng rất khó chịu và kéo dài – May mắn là chúng sẽ được chiết xuất sau cùng. Thời điểm mà vị đắng và chát chiếm ưu thế trong hương vị đặc trưng của cà phê được gọi là chiết xuất quá mức.
Mỗi thành phần của cà phê đều có độ hòa tan khác nhau, chẳng hạn như caffeine, đường và axit hữu cơ, được chiết xuất rất nhanh sau khi đổ nước vào cà phê xay – đạt hơn 90% trong vài giây đầu tiên của quá trình chiết xuất Espresso. Các hợp chất ít hòa tan chỉ được chiết xuất sau một thời gian, chẳng hạn như phenylindane và các hợp chất phenolic (gây nên vị đắng hoặc làm se) sẽ có nồng độ càng cao nếu thời gian pha chế càng lâu.
Đa phần các hợp chất không phân cực sẽ ít (không) tan trong nước, nhưng chúng có thể tan tốt trong dầu. Vì vậy bất kỳ phương pháp chiết xuất nào thu được nhiều dầu hơn thì càng có nhiều các hợp chất ít bay hơi và ít phân cực hơn sẽ lọt vào cốc.
Mặt khác, các phân tử phân cực rất dễ tan trong nước, dễ dàng chiết xuất vào nước ngay cả khi nước không quá nóng. Điều này khiến chúng ta nghĩ nên pha cà phê ở nhiệt độ thấp hơn trong thời gian ngắn hơn vì hầu hết những người uống cà phê có xu hướng tránh xa những hương vị hăng & quá đắng. Thật không may, trong nhiều trường hợp, chiết xuất ở nhiệt độ thấp hơn sẽ làm giảm vị ngọt & thiếu cân bằng.
