Ученые вывели уравнение, описывающее варку кофе
От чего зависит вкус кофе? Очевидно, от добавок. Одни предпочитают черный, другие разбавляют молоком, кто-то обожает сладкий до приторности напиток. Такие дополнения привносят свои вполне прогнозируемые нотки, чего не скажешь о самом заваривании — вот где начинается настоящая магия (и головная боль).
Приготовление действительно хорошего эспрессо по сути сводится к методу проб и ошибок. В зависимости от сорта кофе, бариста приходится подстраивать степень помола и количество кофе в таблетке, чтобы добиться нужной скорости потока. Эта скорость — объем жидкости, проходящей сквозь таблетку за единицу времени — определяет, как долго кипяток контактирует с молотым кофе. Новое исследование помогает убрать часть неопределенности из этого процесса.
Его провела международная команда ученых, в которую вошли физики, геофизики-вулканологи, астрофизик и химик-кофеман. Результатами своих изысканий они поделились на страницах Royal Society Open Science.
Исследователи изучили кофейную таблетку на микроскопическом уровне. Они намололи два сорта обжаренного кофе — Tumba из Руанды и Guayacán из Колумбии — по 11 вариантов размера помола, от очень мелкого до крупного. Молотый кофе утрамбовали в небольшие пластиковые трубочки и с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии построили трехмерные цифровые карты внутренней структуры содержимого — чтобы выявить невидимые глазу поры и каналы между частицами. Затем провели цифровые тесты течения жидкости по этим 3D-моделям, чтобы выяснить, где вода течет свободно, а где застаивается.
В основе работы — теория перколяции, описывающая движение жидкостей по сетям связанных пространств (в данном случае — мельчайших зазоров и щелей между частицами кофе). Используя эту теорию, ученые определили, какая доля пор образует сквозные пути через всю таблетку, а какая заканчивается тупиками. Тут и пригодился опыт вулканологов: когда лава или нефть просачиваются через горные породы — это тоже перколяция.
Собрав все воедино, авторы вывели уравнение, которое показывает: проницаемость кофе зависит в основном от объема связанных пор, общей площади поверхности частиц, их среднего размера (хотя и нелинейно) и плотности их утрамбовки в рожке. Именно эта проницаемость определяет, как долго вода контактирует с кофе, а это, в свою очередь, сильно влияет на то, сколько вкуса и аромата в итоге перейдет в напиток.
«Мы получили отличное соответствие с нашей теорией перколяции, что дает практический способ связать размер помола и плотность упаковки с удельной поверхностью для прогнозирования проницаемости кофе», — говорится в статье.
Уравнение справедливо для ламинарного течения, каковым вода проникает через кофейную таблетку в типичных условиях приготовления эспрессо. Если поток перейдет в инерционный режим (при превышении скоростью движения жидкости определенного порога), математика критически усложняется.
Выкладки исследователей приближают нас к идеальной чашке, однако они признают: еще многое предстоит выяснить о том, как меняются сами частицы кофе при намокании: «Наша модель указывает на то, что набухание частиц и его влияние требуют тщательного изучения».
Конечно, сложно представить себе бариста, рассчитывающего физику пористой среды, чтобы сварить идеальный эспрессо. Но для инженеров, проектирующих «умные» кофемашины с автоматической настройкой на разные сорта, исследование будет более чем полезным.
