Фізика для гурманів: Як наука допомагає економно заварити каву

Ранкова чашка кави для багатьох є невід'ємним ритуалом, але зростання цін на сирі зерна арабіки, основного компонента більшості кавових напоїв, змушує замислитися. Чотири поспіль сезони несприятливої погоди та загальний вплив зміни клімату, що загрожує делікатній температурній рівновазі, необхідній для рослини Coffea arabica, створили значний тиск на ринок. Ця зростаюча проблема надихнула групу фізиків з Університету Пенсильванії поставити нетривіальне питання: чи можемо ми, використовуючи закони фізики, приготувати чудову каву, використовуючи менше дорогоцінних зерен?

«Існує багато досліджень з механіки рідин, і багато досліджень, що стосуються частинок окремо», — зазначає Арнольд Матійссен, доцент Школи мистецтв і наук та керівник лабораторії, де проводилося дослідження. «Можливо, це одне з перших досліджень, де ми починаємо поєднувати ці речі разом». Їхні висновки, опубліковані в журналі Physics of Fluids, пропонують науково обґрунтований підхід до підвищення ефективності екстракції кави, дозволяючи використовувати меншу кількість мелених зерен без шкоди для загальної якості та насиченості напою.

В основі дослідження лежить популярний метод заварювання пуровер (pour-over), коли гаряча вода повільно проливається через шар меленої кави у фільтрі. «Ми намагалися знайти способи, де ми могли б використовувати менше кави, наскільки це можливо, і просто скористатися перевагами гідродинаміки потоку з чайника з довгим носиком („гусяча шия“), щоб збільшити екстракцію, яку ми отримуємо з кавової гущі — при цьому використовуючи менше самої гущі», — пояснює співавтор Ернест Парк, аспірант лабораторії Матійссена.

Ключовою проблемою для візуалізації процесів, що відбуваються всередині кавового шару під час заварювання, є його непрозорість. Як пояснює співавторка Марго Янг, також аспірантка лабораторії, експеримент вимагав зробити невидиме видимим. «Непрозорість кави ускладнює безпосереднє спостереження за динамікою пуровера», — додає Парк. Щоб обійти це обмеження, дослідники замінили мелену каву прозорими частинками силікагелю такого ж розміру і помістили їх у скляну конічну лійку, імітуючи стандартний пуровер-пристрій.

Використовуючи лазерний промінь, що створював тонку світлову площину, та високошвидкісну камеру, вчені змогли спостерігати, як струмені води взаємодіють з частинками. Вони побачили, що вода, проникаючи в шар силікагелю, створює своєрідні «мініатюрні лавини» — невеликі зсуви частинок, які перемішують шар. Це дозволило розкрити внутрішню механіку потоку та його вплив на контакт води з частинками. Важливим відкриттям стало те, що вода, яка ллється з певної висоти, створює сильніший ефект перемішування, що потенційно сприяє кращій екстракції ароматичних та смакових сполук з кави.

Вирішальним фактором у цьому процесі є досягнення ламінарного потоку — плавного, впорядкованого руху рідини без турбулентності та завихрень. Саме такий потік дозволяє струменю води «проникати» вглиб кавового шару і викликати контрольовані «лавини». Досягти цього допомагає чайник типу «гусяча шия» (gooseneck kettle) завдяки своєму довгому вузькому носику, який забезпечує точний контроль над потоком навіть при повільному наливанні. «Якщо ви використовуєте звичайний чайник, трохи важко контролювати, куди саме спрямований потік», — каже Парк. «І якщо потік недостатньо ламінарний, він не так добре „розкопує“ кавовий шар». Турбулентний потік, навпаки, може створювати канали в кавовій гущі, якими вода швидко протікає, не встигаючи належним чином взаємодіяти з усіма частинками.

Команда виявила, що висота, з якої наливається вода, має критичне значення. Наливання з більшої висоти створює сильніший ударний ефект та інтенсивніше перемішування частинок. «Коли ви заварюєте чашку, весь смак кави та всі корисні речовини з гущі вилучаються завдяки контакту між гущею та водою», — пояснює Янг. «Тож ідея полягає в тому, щоб спробувати збільшити загальний контакт між водою та гущею під час пуровера».

Однак існує межа. Дослідники встановили, що якщо лити воду зі занадто великої висоти, струмінь розбивається на окремі краплі ще до того, як досягне поверхні кавового шару. Ці краплі захоплюють із собою повітря і вносять його в конус, що, як не дивно, може фактично зменшити ефективність екстракції, ймовірно, через порушення рівномірності потоку та створення повітряних кишень.

Щоб підтвердити свої спостереження, зроблені на моделі з силікагелем, дослідники провели додаткові експерименти вже зі справжньою меленою кавою. Вони ретельно вимірювали вихід екстракції, визначаючи загальний вміст розчинених твердих речовин (Total Dissolved Solids, TDS) у готовому напої — стандартний показник міцності кави. Результати підтвердили, що екстракцію кави можна налаштовувати, керуючи процесом перемішування. Повільніші, але більш ефективні проливання, які використовують динаміку «лавин», дозволяють продовжити час контакту води з кавою та оптимізувати вилучення смако-ароматичних сполук.

При використанні товстішого струменя води (більший потік) виявилося, що вищі проливання дійсно призводять до міцнішої кави, підтверджуючи спостереження про посилене перемішування з висотою. Цікаво, що при використанні тоншого струменя води екстракція залишалася стабільно високою при різних висотах проливання. Вчені припускають, що це може бути пов'язано з тим, що для досягнення цільового об'єму напою при тонкому струмені потрібен довший час заварювання, що саме по собі сприяє кращій екстракції, компенсуючи можливі відмінності в інтенсивності перемішування. Для точного визначення впливу змінних пуровера на смак, команда фіксувала температуру кожної заварки, вагу, розмір помелу та час екстракції, а потім оцінювала результати за смаковими характеристиками, використовуючи точні ваги та детальні лабораторні нотатки.

Хоча це дослідження є своєрідним «любовним листом до кави», воно також відкриває вікно в ширші наукові інтереси команди. «Ми робили це не просто для розваги», — підкреслює Матійссен. «У нас були інструменти з інших проектів, і ми зрозуміли, що кава може бути чудовою модельною системою для дослідження глибших фізичних принципів».

Ці принципи виходять далеко за межі кухні. «Така поведінка рідини допомагає нам зрозуміти, як вода розмиває скелі під водоспадами або за греблями», — зазначає Янг. Навіть системи очищення стічних вод та фільтрації включають подібну динаміку взаємодії рідини з гранульованими середовищами, додає Матійссен.

Проект також відображає поточні дослідження в лабораторії. Наприклад, Ернест Парк працює над мікромасштабними активними поверхнями, які використовують обертові магнітні поля для очищення біоплівок з медичних пристроїв — ще один приклад контролю над взаємодією на межі рідини та твердого тіла. Марго Янг, тим часом, досліджує надшвидкі біологічні потоки, використовуючи ту саму установку для високошвидкісної зйомки, щоб вивчити, як крихітні вихори, створювані війками в легенях, допомагають очищати дихальні шляхи від патогенів.

«Можна почати з малого, наприклад, з кави», — підсумовує Матійссен. «А в підсумку розкрити механізми, які мають значення в екологічному чи промисловому масштабах». Таким чином, прагнення до ідеальної чашки кави несподівано проливає світло на фундаментальні закони фізики, що керують світом навколо нас, від мікроскопічних біологічних процесів до геологічних явищ.