Поверим алгеброй кофеманию

Как процесс приготовления кофе влияет на вкус, сколько моделей ученые создали для описания процесса экстракции кофе и от чего вообще зависит хороший кофе, разбирался Indicator.Ru.

Кофе, в состав которого входит более 1800 химических компонентов, является одним из наиболее популярных напитков во всем мире. Для этого кофейные зерна обжаривают, перемалывают и варят. Нерастворимые частицы, то есть гущу, отфильтровывают от растворимого вещества, в результате чего получается бодрящий ароматный напиток, столь любимый людьми из разных точек планеты.

Технологи разработали множество методов приготовления кофе. Все они основаны на выщелачивании путем экстракции (извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя, проще говоря, процесс переноса из молотого кофе кофеина, органических кислот и других элементов в напиток), и каждая технология нацелена на создание лучшего кофе, хотя, несмотря на оценку профессиональных дегустаторов, вкусовые качества напитка могут варьироваться для людей с разными предпочтениями. Поскольку в одной чашке кофе содержится множество химических элементов, достаточно трудно определить правильное соотношение между физическими параметрами растворимого вещества и качеством напитка. Тем не менее математики решили вывести уравнение идеального напитка.

Варим кофе в пространственных координатах

Ученые из Лимерикского университета в Ирландии и из исследовательской лаборатории Philips в ходе предыдущих исследований пытались разобраться в математической стороне экстракции кофе, и практически не обращали внимание на систему капельных фильтров для кофе. Из более чем восемнадцати миллионов проданных за 2015 год в Европе кофемашин около десяти миллионов приходится на капельные кофеварки, принцип работы которых заключается в стекании горячей воды через слой молотого кофе, лежащий в специальном конусном фильтре. Во время этого процесса вода вымывает растворимые вещества из кофейного порошка.

«Большая часть технологий экстракции кофе, описанных в литературе, базируется либо на смешанных системах, либо на общих уравнениях переноса», — прокомментировал Морони. «Наша модель описывает поток и экстракцию слоя кофе, определяет механизм экстракции с точки зрения свойств кофейных зерен, и сравнивает гипотетическую производительность с экспериментальной. Наш первоначальный фокус на форме варочной камеры позволил рассмотреть модель в пространственных координатах и убедиться, что предположение о неподвижном слое оказалось верным».

Завершенная, но не совершенная

В результате ранних исследований авторы вывели модель, которая учитывала размеры слоя, скорость движения жидкости, размер частиц и давление. Также они предполагали, что оптимальными термическими условиями для варки кофе являются температуры в достаточно узком диапазоне — от 91°C до 94°C. Теперь ученые усовершенствовали свою модель. Уильям Ли пояснил: «Модель варки кофе, опубликованная ранее в Chemical Engineering Science, была завершенной с точки зрения математики, но совершенной она не являлась: сложную систему уравнений с частными производными, которые решаются только численно, может понять и полюбить только машина, а не человек».

«При моделировании сложного физического процесса вроде варки кофе кто-то пытается расписать систему уравнений, которая бы отражала суть процесса. Мы изначально несколько упростили задачу и пренебрегли некоторыми действительно важными аспектами, например количеством растворимых веществ в кофе», — дополнил О’Брайен.

Полученный метод учитывает ряд факторов: время варки кофе, качество и температуру воды, размер и распределение молотых частиц и однородность экстракции. Согласно исследованию, опубликованному в журнале SIAM Journal on Applied Mathematics, оптимальная концентрация кофе в фильтре определяется балансом между скоростью извлечения растворимого вещества из крупиц кофе и скоростью вымывания. Исследователи обратили внимание, что из крупных частиц экстракция протекает медленнее. Другими словами, кофе грубого помола (частицы, размер которых может достигать, но не превышать 0,8 мм) варится дольше.

По словам авторов работы, исследование имеет большое значение для производителей систем варки кофе, так как позволяет соотнести между собой свойства кофе, качество воды и используемое оборудование.