Бехбуд Абеді (TA Instruments)
Переклад і підготовка: ЛЕМ Україна
Поціновувачі кави знають, що смак і текстура улюбленого напою можуть значною мірою залежати від ступеню обсмаження та ступеню помелу кавових зерен. Але чи знали Ви, що ці фактори також впливають на реологічні властивості меленої кави? Реологія – наука про плин і деформацію – дає цінні знання щодо поведінки кавового порошку за різних умов.
Ця стаття зазирає в захопливий світ реології меленої кави, розглядаючи, як саме характеристики кавового порошку залежать від ступенів обсмаження та помелу. Порівняння зразків грубого та тонкого помелу кави середнього обсмаження, а також зразків грубого помелу кави середнього та темного обсмаження розкриває унікальні реологічні властивості, які сприяють ідеальному заварюванню.
Для того щоб зрозуміти поведінку меленої кави в різних процесах, як-от рух у бункерах (воронках), дозування, темперування (трамбування) та формування кавових “таблеток” (“шайб”), для зразків кавового порошку проведено порівняльний аналіз стисливості, тертя об стінки, енергії плину в обмеженому просторі, коефіцієнту когезії та функції сипкості.
Незалежно від того, чи Ви палкий шанувальник кави, чи фанат науки, дана стаття дасть Вам цікаву та пізнавальну інформацію про перетин кави й реології. Готові “заварити” знання? Отже почнемо!
Ігри з розмелюванням: Порівняння порошків грубого та тонкого помелу кави середнього обсмаження
Порошки, отримані шляхом тонкого та грубого розмелювання зерен кави середнього обсмаження, були оглянуті в сканувальному електронному мікроскопі (СЕМ). При тонкому розмелюванні формуються частинки меншого розміру з одноріднішим розподілом, гладкішою поверхнею та менш помітними порами. Частинки зразків грубого помелу демонструють більш шорстку та нерівну поверхню, й до того ж мають помітніші пори (Рис. 1).
Рисунок 1. СЕМ-зображення порошків кави середнього обсмаження: a) тонкого помелу; b) грубого помелу
Роль тертя об стінки
Тертя об стінки визначає кут, при якому порошок починає ковзати по поверхні. З Рис. 2 видно, що величина кута тертя об стінки, вироблені з нержавіючої сталі, для кави тонкого помелу є більшою, ніж у випадку грубого помелу.
Рисунок 2. Кут тертя об стінки для порошків тонкого та грубого помелу кави середнього обсмаження
Тертя об стінки має вагомий вплив на різних етапах приготування кави в кавомашинах. Для матеріалу тонкого помелу високе тертя може робити процес пересипання з бункеру в дозатор повільнішим і нерівномірним, що потенційно призводить до засмічування та неправильного дозування. Під час трамбування порошок тонкого помелу сильніше опирається рухові по стінках портафільтра, внаслідок чого тиск розподіляється нерівномірно й утворюється неоднорідна таблетка. Навпаки, порошок грубого помелу, маючи слабкіше тертя об стінки, формує менш компактну шайбу, що може призводити до каналювання води та нерівномірної екстракції. Розуміння цих властивостей дозволяє в такий спосіб підібрати ступень помелу, тиск при темперуванні, а також методи стиснення, щоб оптимізувати кожний етап процесу приготування кави, забезпечуючи узгоджене та високоякісне заварювання.
Стисливість і дозування/засипання
Як видно з Рис. 3, кава тонкого помелу має набагато вищу стисливість, ніж кава грубого помелу. Це впливає на процеси дозування та засипання, оскільки тонкомелені порошки ущільнюються компактніше й потребують точного контролю для правильного дозування. Більш висока стисливість означає, що порошок тонкого помелу легше осаджується, що потенційно призводить до відмінностей у кількості вивільненої кави.
Рисунок 3. Стисливість порошків тонкого та грубого помелу кави середнього обсмаження
Якщо тонкомелена кава має набагато вищу стисливість ніж грубомелена, то це відбивається як на процесі темперування, так і на процесі заварювання. Дрібний порошок з вищою стисливістю краще ущільнюється під тиском, утворюючи компактнішу шайбу. До того ж, такий порошок може уповільнювати потік води, збільшуючи час її контакту з кавою й потенційно призводячи до надмірної екстракції, що може зробити напій гірким. Навпаки, порошок грубого помелу з меншою стисливістю дозволяє воді протікати швидше й менший час контактувати з кавою, а це часто дає більш легкий та збалансований напій.
Темперування: Енергія плину в обмеженому просторі та стиснення
Рух порошку при темперуванні або формуванні шайби залежить від енергії плину в обмеженому просторі. Результати відповідних вимірювань демонструють цікаву картину: зі зростанням окружної швидкості ротора вимірювального приладу величина енергії плину в обмеженому просторі збільшується для кави грубого помелу, але зменшується для кави тонкого помелу (див. Рис. 4).
Рисунок 4. Енергія плину в обмеженому просторі порошків тонкого та грубого помелу кави середнього обсмаження
Поведінку тонкомеленої кави можна пояснити впливом когезії. Більш високі значення окружної швидкості допомагають побороти когезійні сили між частинками, що покращує сипкість і зменшує опір плину. У випадку грубомеленої кави при збільшенні окружної швидкості також зростає й величина енергії, необхідної для подолання інерції та переміщення частинок. Збільшення енергії плину в обмеженому просторі при вищих значеннях окружної швидкості вказує на те, що для ефективного темперування порошку грубого помелу необхідно прикладати більшу силу, подібно до ситуації з порошком в портафільтрі.
Заварювання: Коефіцієнти сипкості та когезії
На Рис. 5 представлено порівняння функцій сипкості, а також її кутового коефіцієнту (коефіцієнт сипкості) та коефіцієнту когезії для тонко- та грубомеленої кави. Тонкий помел очікувано демонструє менший коефіцієнт сипкості та вищий коефіцієнт когезії. Тут сипкість знаходиться в області когезії (значення коефіцієнту сипкості від 0 до 4), тоді як для кави грубого помелу – в області легкої сипкості (коефіцієнт від 4 до 10). Менша величина коефіцієнту сипкості вказує на те, що порошок сильніше опирається плину, тоді як більша величина коефіцієнту когезії свідчить про сильніше зчеплення між частинками порошку. Ці особливості можуть впливати на процес заварювання, призводячи до відмінностей у ефективності екстракції та профілях смаку кави.
Рисунок 5. Результати випробувань методом зсувних комірок порошків тонкого та грубого помелу кави середнього обсмаження (напруження консолідації: 9000 Па)
При зсувних випробуваннях на сипкість шар порошку спочатку стискають в обмеженому об’ємі, прикладаючи на певний час напруження консолідації відомої величини, після чого прибирають обмеження, прикладають напруження зсуву та вимірюють, при якій його величині починається плин матеріалу, що дозволяє визначати коефіцієнт когезії та функцію сипкості. Перша характеристика відображає внутрішню міцність порошку, а друга описує зв’язок між напруженням консолідації та когезійною міцністю. Як видно з Рис. 6 для порошку тонкого помелу зростання напруження консолідації підвищує коефіцієнт сипкості. Ймовірно, це пов’язано з підсиленням взаємодії між частинками та підвищенням густини порошку, що змінює характер його сипкості з когезійного на легко-сипкий.
Рисунок 6. Результати випробувань методом зсувних комірок порошку тонкого помелу кави середнього обсмаження при зростанні напруження консолідації
Ці спостереження можна зв’язати з темперуванням і заварюванням: трамбування збільшує напруження консолідації кавового порошку, чим підвищує його коефіцієнт сипкості та забезпечує рівномірний розподіл води під час заварювання, що дає кращу екстракцію й більш збалансований смак кави.
Ефекти обсмажування: Аналіз порошків грубого помелу кави середнього та темного обсмаження
Як видно з мікрофотографій на Рис. 7, мелена кава темного обсмаження зазвичай є більш пористою, що обумовлено розширенням зерен в процесі обсмажування. Підвищена пористість проявляється в присутності більших за розміром і за кількістю пор (Рис. 7b). Навпаки, в частинках порошку кави середнього обсмаження пори не є такими численними, та мають менші розміри (Рис. 7a).
Рисунок 7. СЕМ-зображення порошку грубого помелу: a) кави середнього обсмаження та b) кави темного обсмаження
Порівняльний аналіз стисливості показав, що мелена кава темного обсмаження, частинки якої через тривалішу термічну обробку є більш пористими та крихкими, має вищу стисливість, і це полегшує її пресування. Зерна кави середнього обсмаження більшою мірою зберігають структуру та вологу, а утворений при їх розмелюванні порошок має меншу крихкість і стисливість (див. Рис. 8).
Рисунок 8. Стисливість порошків грубого помелу кави середнього та темного обсмаження
Як видно з Рис. 9, енергія плину в обмеженому просторі для меленої кави темного обсмаження має дещо вищі значення, що, можливо, пов’язано зі складнішою формою її частинок (як це видно з СЕМ-зображень на Рис. 7) та більшою кількістю олії на поверхні.
Рисунок 9. Енергія плину в обмеженому просторі порошків грубого помелу кави середнього та темного обсмаження
Висновки
Шлях кави від зерна до заварювання – це захоплююча демонстрація реологічних властивостей кавового порошку. Незалежно від того, берете Ви зерна середнього чи темного обсмаження, розмелюєте їх тонко чи грубо – кожний варіант дає унікальні особливості, які впливають на смак і текстуру Вашої кави. Й кожна деталь тут має значення: від гладкої поверхі частинок порошку тонкого помелу до пористої природи кави темного обсмаження. Тому, наступного разу, коли Ви будете кавувати, згадайте науку, що лежить в основі створення ідеального напою. Смачної кави!
