Приготовление безупречного эспрессо часто сравнивают с искусством, основанным на интуиции бариста. Однако новое исследование предлагает научный подход, раскрывая ключевую роль проницаемости кофейной таблетки — слоя спрессованных зерен, через который под давлением проходит вода.
Процесс обычно требует постоянной ручной корректировки: бариста меняют степень помола и силу утрамбовки, чтобы добиться оптимальной скорости потока воды, которая определяет время контакта с кофе и, как следствие, вкус напитка. Ученые решили создать обобщенную модель, способную предсказать, как проницаемость меняется в зависимости от размера частиц и плотности упаковки.
Для этого они детально изучили структуру таблетки на микроскопическом уровне. Два сорта обжаренного кофе (руандийский Тумба и колумбийский Гуаякан) были смолоты в 11 различных фракций — от очень мелкой до крупной. Помещенные в специальные трубки, образцы исследовали с помощью рентгеновской микротомографии, которая позволила построить их точные 3D-модели и визуализировать невидимые глазу поры и туннели между частицами.
На основе этих цифровых карт ученые провели симуляции движения жидкости, чтобы определить зоны свободного потока и застоя. В основе анализа лежала теория перколяции — раздел физики, изучающий движение жидкостей через связанные через сети связанных между собой пространств. Этот подход помог определить, какие поры образуют сквозные пути для воды, а какие остаются тупиковыми.
Объединив данные, исследователи вывели уравнение, показывающее, что проницаемость кофейной таблетки зависит от четырех ключевых параметров: количества связанных пор, общей площади поверхности частиц, их среднего размера и плотности упаковки. Именно эта проницаемость напрямую влияет на время экстракции и количество ароматических веществ, попадающих в чашку.
«Мы обнаружили отличное соответствие с нашей теорией перколяции, что позволяет предложить практический способ связать размер помола и коэффициент заполнения с удельной площадью поверхности для прогнозирования проницаемости кофе», — отметили авторы работы.
Хотя уравнение приближает к пониманию идеального эспрессо, ученые признают, что многие факторы, такие как набухание частиц при контакте с водой, требуют дальнейшего изучения. Несмотря на это, исследование открывает путь к созданию «умных» кофемашин, способных автоматически адаптировать параметры помола и утрамбовки под конкретный сорт зерен, а также дает бариста научно обоснованный инструмент для предсказания результата.
Результаты работы опубликованы в журнале Royal Society Open Science.
Изображение: oyalsocietypublishing.org
