فیزیکدانان سرنخی دیگر برای تهیه اسپرسوی کامل کشف کردند
تاریخ انتشار:
فیزیک و فرآیند دم‌آوری قهوه
متغیرهای زیادی می‌توانند بر کیفیت یک فنجان داغ اسپرسو تأثیر بگذارند، از جمله آنچه که به عنوان "کانال‌سازی" در طول فرآیند دم‌آوری شناخته می‌شود. در این حالت، آب به طور یکنواخت از میان قهوه عبور نمی‌کند و به جای آن در مسیرهای مختلفی حرکت می‌کند. این موضوع به طور قابل توجهی بازده استخراج را کاهش می‌دهد و در نتیجه کیفیت نوشیدنی نهایی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. دانشمندان دانشگاه ورشو به بررسی فیزیک نهفته در کانال‌سازی پرداخته‌اند که به دوستداران قهوه کمک می‌کند تا نتایج یکنواخت‌تری در تهیه اسپرسو به دست آورند. آن‌ها یافته‌های اولیه خود را در اجلاس جهانی فیزیک انجمن فیزیک آمریکا در آناهایم کالیفرنیا ارائه کردند.
استانداردهای صنعتی و روش‌های دم‌آوری
همانطور که قبلاً گزارش شده است، یک استاندارد صنعتی رسمی برای تهیه اسپرسو وجود دارد که توسط انجمن قهوه تخصصی تعیین شده است و دستورالعمل‌های دقیقی برای حجم نهایی آن (۲۵ تا ۳۵ میلی‌لیتر، یا تقریباً ۱ اونس) و روش آماده‌سازی تعیین می‌کند. آب باید به دمای ۹۲ تا ۹۵ درجه سانتی‌گراد (۱۹۷ تا ۲۰۳ درجه فارنهایت) گرم شود و تحت فشار مشخصی از میان ۷ تا ۹ گرم (حدود یک چهارم اونس) قهوه آسیاب شده به مدت ۲۰ تا ۳۰ ثانیه عبور کند. اما بیشتر کافی‌شاپ‌ها به این استانداردها به دقت عمل نمی‌کنند، زیرا دستگاه‌های دم‌آوری به بارستاها این امکان را می‌دهند که فشار آب، دما و سایر متغیرهای کلیدی را به دلخواه خود تنظیم کنند. نتیجه این تغییرات در تکنیک، تنوع زیادی در کیفیت و طعم است.
مدل‌سازی ریاضی و استخراج قهوه
به طور طبیعی، دانشمندان این موضوع را جالب می‌دانند. به عنوان مثال، در سال ۲۰۲۰، آزمایشگاه کریستوفر هندون در دانشگاه اورگان به طراحی یک مدل ریاضی برای تهیه یک فنجان کامل اسپرسو به طور مکرر و با حداقل ضایعات کمک کرد. هندون یک شیمیدان مواد محاسباتی است و آزمایشگاه او ساعات قهوه‌خوری منظمی برای جامعه دانشگاهی یوجین برگزار می‌کند. محققان بر روی یک ویژگی به راحتی قابل اندازه‌گیری به نام بازده استخراج (EY) تمرکز کردند: کسری از قهوه که در نوشیدنی نهایی حل می‌شود. این موضوع به نوبه خود به کنترل جریان آب و فشار در حین عبور مایع از میان قهوه بستگی دارد.
هندون و همکارانش مدل خود را بر اساس نحوه انتشار یون‌های لیتیوم از طریق الکترودهای یک باتری طراحی کردند، مشابه اینکه چگونه مولکول‌های کافئین از قهوه آسیاب شده حل می‌شوند. آن‌ها نتیجه‌گیری کردند که قابل تکرارترین کاری که می‌توانید انجام دهید، استفاده از دانه‌های قهوه کمتر و انتخاب آسیاب درشت‌تر با کمی آب کمتر است؛ زمان دم‌آوری به طور عمده بی‌اهمیت بود.
کاهش بار الکتریکی در دانه‌های قهوه
سه سال بعد، تیم هندون نشان داد که افزودن یک پاف آب به دانه‌های قهوه قبل از آسیاب می‌تواند به طور قابل توجهی بار الکتریکی استاتیک روی دانه‌های حاصل را کاهش دهد. این موضوع به نوبه خود باعث کاهش چسبندگی در حین دم‌آوری می‌شود و جریان قوی و یکنواختی را برای تولید یک فنجان خوشمزه اسپرسو ایجاد می‌کند. بارستاهای خوب این ترفند آبی را به کار می‌برند؛ این تکنیک به نام تکنیک قطره‌ای راس شناخته می‌شود. اما این اولین باری بود که دانشمندان این ترفند شناخته شده را به طور دقیق آزمایش کردند و بار واقعی را روی انواع مختلف قهوه اندازه‌گیری کردند.
تحقیقات در مورد کانال‌سازی
این کار اخیر کمتر بر روی تغییرات شیمیایی که در طول فرآیند دم‌آوری رخ می‌دهد و بیشتر بر روی فرآیندهای مکانیکی و فیزیکی تمرکز دارد. "برای یک فیزیکدان، دم‌آوری قهوه یک جریان واکنشی از طریق یک محیط متخلخل پیچیده است که دچار تغییرات دینامیکی می‌شود - پدیده‌ای به طرز شگفت‌انگیز پیچیده،" ماچئی لیسیکی، فیزیکدان دانشگاه ورشو در لهستان، به آرس گفت. "این بررسی بخشی از افسانه‌ها یا فرضیات زیادی است که در جامعه قهوه وجود دارد. از آنجا که بسیاری از مردم نسبت به نوشیدنی مورد علاقه خود نگرش مذهبی دارند، باورهایی در مورد جزئیات فرآیند (و کارهایی که باید انجام داد و کارهایی که نباید انجام داد) وجود دارد که ما دوست داریم آن‌ها را روشن کنیم و به طور قطع بیاموزیم."
لیسیکی رهبری تیمی از علاقه‌مندان به قهوه را بر عهده دارد که با علاقه طولانی‌مدت آزمایشگاه به دینامیک سیالات آشپزی و عشق آن‌ها به جشنواره قهوه ورشو هماهنگی دارد. وقتی یک دوست بارستا از آن‌ها درباره پدیده کانال‌سازی سؤال کرد، تیم تصمیم به تحقیق گرفت. "کانال‌سازی چیزی است که ما واقعاً می‌خواهیم کاهش دهیم،" لیسیکی گفت. "این چیزی است که بارستا نمی‌تواند کنترل کند، بنابراین با حداقل کردن احتمال ظهور یک کانال، تکرارپذیری را به حداکثر می‌رسانید."
مطالعه پیچیدگی‌های دم‌آوری قهوه
کانال‌سازی مشابه پدیده حل شدن سنگ‌ها است، که نمونه‌ای دیگر از یک محیط متخلخل است که همکاران آن را مطالعه کرده‌اند. "ما فکر می‌کردیم که این پروژه‌ای ساده و آسان خواهد بود که بتوانیم روش‌های آن‌ها را به کار ببریم و به سرعت نتایج ارزشمندی به دست آوریم، اما به نظر می‌رسد که فرآیند دم‌آوری قهوه بسیار پیچیده‌تر است،" فرانسیسک مایک، که نتایج را در جلسه APS ارائه داد، به آرس گفت. "به نظر می‌رسد که ما در طول راه باید چیزهای زیادی یاد بگیریم تا بتوانیم فرآیند دم‌آوری را به مراحل کوچک تقسیم کنیم و بفهمیم که چه اتفاقی می‌افتد، هم از نظر فیزیک و هم از نظر مکانیک دستگاه، تا بتوانیم کنترل کاملی بر فرآیند از لحظه‌ای که یک دانه برشته وارد آزمایشگاه می‌شود تا مایع جادویی که با تمام عطرهای پیچیده‌اش دهان را پر می‌کند، داشته باشیم."
همکاری با صنایع قهوه
تیم در ابتدا سعی کرد از یک دستگاه قهوه‌ساز خانگی ساده برای آزمایش‌های خود استفاده کند، اما در نهایت با Coffeelab، یک رستری بزرگ در لهستان، و CoffeeMachineSale، بزرگترین توزیع‌کننده جهانی تجهیزات رست کردن، همکاری کرد. این همکاری تجهیزات صنعتی و تخصص حرفه‌ای قهوه را به پروژه آورد: برای مثال، آسیاب‌های پیشرفته و یک دستگاه اسپرسو با کیفیت کافه، که با حسگر فشار، متر جریان و مجموعه‌ای از مقیاس‌ها تجهیز شده بود. کل سیستم از طریق یک میکروچیپ به لپ‌تاپ‌های آزمایشگاهی متصل بود و با نرم‌افزار سفارشی کنترل می‌شد که به دانشمندان این امکان را می‌داد تا فشار، جرم و آب جاری از میان قهوه را به دقت نظارت کنند.
نتایج و تأثیرات بر صنعت قهوه
دانشمندان مواد حل شده کل را اندازه‌گیری کردند تا نرخ حل شدن قهوه را تعیین کنند و دم‌آوری‌ها بدون کانال را با دم‌آوری‌هایی که کانال‌های به طور مصنوعی القا شده داشتند مقایسه کردند. آن‌ها دریافتند که در واقع، کانال‌سازی به طور منفی بر بازده استخراج تأثیر می‌گذارد. با این حال، کانال‌سازی بر نرخ جریان آب از طریق پک اسپرسو تأثیری ندارد.
"این عمدتاً به دلیل بازچینی ساختاری قهوه تحت فشار است،" لیسیکی گفت. "زمانی که پک قهوه خشک با آب تحت فشار بالا (تا ۱۰ برابر فشار جوی، یعنی تقریباً فشاری معادل ۱۰۰ متر زیر سطح دریا) برخورد می‌کند، فشرده و متورم می‌شود. بنابراین حتی اگر آب بتواند یک مسیر ترجیحی پیدا کند، هنوز هم مقاومت قابل توجهی وجود دارد که جریان را محدود می‌کند."
تیم اکنون نتایج خود را در مدل‌های عددی و نظری استخراج بستر متخلخل لحاظ می‌کند. آن‌ها همچنین در حال تهیه اطلس انواع مختلف پک‌های اسپرسو بر اساس تصویربرداری میکرو-CT از قهوه هستند.
"آنچه ما یافته‌ایم می‌تواند به صنعت قهوه کمک کند تا با دانش بیشتری دم‌آوری کند،" مایک گفت. "بسیاری از مردم رویه‌هایی را دنبال می‌کنند که بر اساس شهود یا ادعاهای تأیید نشده است که در واقع تأیید می‌شود. علاوه بر این، ما داده‌های واقعاً جالبی در مورد جریان ناشی از فشار در قهوه داریم که نتایج آن نیز برای ما شگفت‌انگیز بوده است. رویکرد ما ممکن است به ما اجازه دهد تا سرانجام جادوهایی که درون دستگاه قهوه‌ساز شما اتفاق می‌افتد را درک کنیم."