Приготовление идеального эспрессо всегда считалось искусством, основанным на опыте и интуиции бариста. Для желаемого качества напитка необходимо подстраивать помол и количество молотых зерен в холдере, чтобы добиться правильной скорости подачи воды. До сих пор не существовало универсальной модели, которая надежно связывала бы размер помола, плотность упаковки и проницаемость.
Команда из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана совместно с коллегами из Великобритании и Канады решила изучить спрессованную кофейную таблетку на микроскопическом уровне. Они взяли два сорта обжаренного кофе — руандийский Tumba и колумбийский Guayacán — и размололи их до 11 различных фракций: от очень тонкой до грубой. Порошок упаковали в небольшие пластиковые трубки и с помощью рентгеновской микро-компьютерной томографии (XCT) создали трехмерные цифровые карты внутренней структуры кофе, которые позволили увидеть невидимые глазу поры и каналы между частицами.
Затем команда провела цифровые тесты потока через эти 3D-карты, чтобы определить, где вода течет свободно, а где застревает. Ключевую роль в анализе сыграла перколяционная теория — раздел физики, изучающий движение жидкостей по сетям связанных пространств. Ученые использовали ее, чтобы выяснить, какая часть порового пространства образует непрерывные пути через всю таблетку, а какая — тупики.
Собрав данные воедино, исследователи вывели уравнение, которое показывает, что проницаемость кофейной таблетки зависит главным образом от четырех факторов: объема связанного порового пространства (сквозных каналов), общей площади поверхности частиц, их среднего размера и того, насколько плотно они упакованы.
Уравнение не только объясняет, как вода движется через кофейную таблетку, но и показывает, почему при одном и том же помоле кофе из разных партий может вести себя по-разному. Оно также объясняет, почему более тонкий помол — это всегда риск: он уменьшает размер пор и может полностью заблокировать поток воды.
Ученые признали, что их модель пока не учитывает, как зерна разбухают при контакте с водой. «Наша модель указывает, что набухание частиц и его последствия требуют целенаправленного изучения», — отметили авторы.
Хотя работа вряд ли мгновенно изменит привычки бариста, но она может помочь им лучше предсказывать, как размер помола и утрамбовка влияют на поток. Кроме того, эта формула может быть использована инженерами при проектировании «умных» кофемашин, которые автоматически подстраиваются под разные сорта кофе, избавляя пользователя от догадок. Выводы команды опубликованы в научном журнале Royal Society Open Science.
Ранее Наука Mail рассказывала о защитных свойствах кофе против деменции.
