Przychodzi fizyk do kawiarni, czyli jak zaparzyć idealne espresso

Każdy barista, od domowego entuzjasty po profesjonalistę, zna ten moment frustracji: identyczna doza, ten sam stopień mielenia, precyzyjnie kontrolowana temperatura wody, a kawa i tak płynie inaczej. Gdy napój płynie przez ekspres zbyt wolno albo smakuje jak rozwodniony napar, najczęściej zrzucamy winę na sprzęt. Tymczasem fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego „zhakowali” kawiarniany ekspres, prześwietlili kawę tomografem i pokazali, że o dobrym espresso nie decyduje samo wysokie ciśnienie, lecz fizyka przepływu przez kawowy krążek.

Dlaczego w ogóle zajmować się kawą w laboratorium? To nie tylko produkt o dużym znaczeniu dla globalnej gospodarki, ale też napój, do którego podchodzimy bardzo emocjonalnie. Entuzjaści potrafią wydawać na sprzęt pięciocyfrowe kwoty, wyposażając kuchnię w wagi ze stoperami i rozmaite czujniki, a parzenie espresso traktując z niemal religijną czcią.Jednak nawet przy najlepszych chęciach uzyskanie dwóch identycznie smakujących filiżanek espresso bywa wyzwaniem. Kawa z tej samej paczki potrafi smakować za każdym razem inaczej, a woda czasem ledwo kapie, mimo że pompa ekspresu pracuje na pełnych obrotach. Zespół badaczy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Poczdamskiego i Instytutu Fizyki PAN pod kierunkiem dra hab. Macieja Lisickiego, prof. UW postanowił powiedzieć „sprawdzam” utartym przekonaniom baristów.

– Historia zaczęła się w ten sposób, że mój doktorant, Radost Waszkiewicz, poszedł na targi kawowe i bariści rozmawiali tam o intrygującym procesie, który nazywa się kanałowaniem espresso. Polega ono na tym, że niekiedy wewnątrz „ciastka kawowego” tworzą się szczeliny, które skupiają przepływ, przez co kawa płynie w tempie zgodnym z oczekiwaniami (i normami branżowymi), ale jest rozwodniona, ponieważ znaczna część rozpuszczalnych substancji pozostaje wewnątrz sitka. Żeby móc przewidzieć, co sprzyja tworzeniu się kanałów, musieliśmy lepiej zrozumieć fizykę procesu parzenia kawy – opowiada prof. Lisicki.

Aby opisać, co dzieje się wewnątrz metalowej kolby ekspresu, naukowcy nie mogli polegać wyłącznie na smaku. Potrzebowali twardych danych. Do badań wykorzystali profesjonalny, kawiarniany młynek i ekspres, użyczone przez znaną warszawską palarnię CoffeeLab, która entuzjastycznie wsparła projekt. Musieli jednak ekspres… zhakować.

– Nasz ekspres wygląda dość zabawnie. Z różnych miejsc wystają mu kabelki. Żeby zachować pełną kontrolę tego procesu, musieliśmy go oprzyrządować różnymi czujnikami i co nieco zmodyfikować układ hydrauliczny – wyjaśnia prof. Lisicki.Badacze zamontowali w ekspresie czujniki ciśnienia i wagi, które z częstotliwością 10 Hz rejestrowały każdy parametr parzenia. Same ich wartości nie oddają jednak całej dynamiki przepływu. Aby dosłownie zajrzeć do wnętrza kawy, użyli mikrotomografii rentgenowskiej. Prześwietlili krążek kawowy przed i po parzeniu, a nawet dodali do niego małe szklane kulki, aby śledzić, jak przemieszczają się ziarna pod wpływem wody. Dzięki temu zobaczyli to, co zwykle pozostaje ukryte za stalowym sitkiem – pęcznienie ziaren oraz mikroskopijne pęknięcia i kanały w kawowym krążku, którymi woda przepływa szybciej niż przez resztę zmielonej kawy.

Czym się różni kawa od… piasku?

Ważnym odkryciem zespołu z UW jest potwierdzenie, że zmielona kawa w kolbie ekspresu zachowuje się zupełnie inaczej, niż moglibyśmy tego oczekiwać od „zwykłego” materiału sypkiego. Gdy przepuszczamy wodę przez materiał ziarnisty, taki jak piasek czy też szklane kulki, woda wypełnia przestrzenie porowe i znajduje ścieżki pomiędzy ziarenkami. Im większe jest jej ciśnienie, tym szybciej płynie. Proporcjonalność prędkości przepływu do przyłożonego ciśnienia opisuje tzw. prawo Darcy’ego – odkryte przez XIX-wiecznego francuskiego inżyniera przy okazji eksperymentów nad filtracją wody przez piasek dla wodociągów miejskich w Dijon we Francji. Przepływ gorącej wody przez kawę jest jednak znacznie bardziej skomplikowany.

– W procesie parzenia powietrze jest wypychane z przestrzeni między zmielonymi ziarnami, woda zajmuje jego miejsce i następuje rozpuszczanie. Pory powiększają się wskutek rozpuszczania, a złoże jako całość może ulec przebudowie pod wpływem przepływu. Chcąc poznać szczegóły tego procesu zbadaliśmy w naszym ekspresie dynamikę transportu substancji rozpuszczonych z ciastka kawowego do filiżanki. Z naszych pomiarów wynikło, że znaczna większość „kawy w kawie” jest wypłukiwana w ciągu ok. 30 sekund, a więc w czasie typowego parzenia espresso. W miarę wypłukiwania tych cząstek szkielet ciastka kawowego traci masę, co zwiększa jego efektywną porowatość. To dlatego pod koniec parzenia strumień przyspiesza – to nie pompa pracuje mocniej, ale krążek staje się bardziej „dziurawy” – wyjaśnia badacz.Kluczowym wskaźnikiem dla intensywności kawy jest TDS (ang. total dissolved solids), czyli całkowita zawartość rozpuszczonych w kawie substancji smakowych i aromatycznych. Na początku parzenia stężenie substancji rozpuszczonych wynosi około 25%, by po kilkudziesięciu sekundach spaść niemal do zera.

Następnie naukowcy zbadali, jak kawa zachowuje się przy zmianie ciśnienia parzenia po wypłukaniu wszystkich substancji rozpuszczalnych. W tym celu wydłużyli czas parzenia każdej porcji kawy do około 2 minut. Zespół spodziewał się, że „wypłukane” ciastka kawowe będą zachowywały się jak typowy materiał porowaty, a więc przy zwiększaniu ciśnienia parzenia zwiększy się też tempo przepływu wody. Wyniki pomiarów były jednak zaskakujące.

– Okazało się, że przy zwiększaniu ciśnienia wypłukane ciastko kawowe nie zachowuje się jak np. piasek czy mieszanina szklanych kulek. Gdy ściskamy taki materiał, przestrzenie między ziarnami pozostają z grubsza tych samych rozmiarów, a zatem woda płynie przez nie proporcjonalnie do ciśnienia, jak przewiduje prawo Darcy’ego. Kawa jest jednak materiałem poroelastycznym. Oznacza to, że pod wpływem zewnętrznego ciśnienia zmielone ziarna mogą się deformować, prowadząc do kompresji przestrzeni porowych i efektywnie spowolnionego przepływu. Co ciekawe, podobne efekty, choć spowodowane przez inne zjawiska, można zaobserwować przy konsolidacji (osiadaniu) gruntów. Skoro widzimy taki efekt na wypłukanej kawie, jest on na pewno obecny również w procesie rozpuszczania. Niepozorny kawowy pył kryje w sobie zaskakująco wiele zjawisk fizycznych – wyjaśnia badacz.

Z pomiarów przeprowadzonych w Laboratorium Fizyki Parzenia Kawy na Wydziale Fizyki wynika, że przy niskim ciśnieniu parzenia, do ok. 5 barów (5 atmosfer), kawa spełnia w przybliżeniu prawo Darcy’ego. Przy typowych ciśnieniach parzenia, od 6 do 9 barów, widać jakościową zmianę jej zachowania – przy zwiększaniu ciśnienia tempo przepływu cieczy zmienia się jedynie nieznacznie, sugerując, że zwiększone ciśnienie mechanicznie zmniejsza rozmiary porów i, w efekcie, przepuszczalność materiału. Fizycy z UW wytłumaczyli to zjawisko przy pomocy zaproponowanego w pracy modelu matematycznego, opartego na równaniach mechaniki płynów i poroelastyczności.

Fizyka od kuchni

Co to oznacza dla przeciętnego kawosza? Przede wszystkim to, że hasła marketingowe na pudełkach domowych ekspresów zachwalające ciśnienie rzędu 15 czy 20 barów nie mają aż takiego znaczenia. Badania fizyków z UW potwierdzają intuicję profesjonalnych baristów – optymalne ciśnienie oscyluje wokół tradycyjnych 9 barów. Standard ten jest często wywodzony z siły możliwej do uzyskania w pierwszych dźwigniowych maszynach do espresso, zwłaszcza Gaggia i Faema z końca lat 40. i początku lat 50. XX wieku. Przy wyższym ciśnieniu kawa jest zgniatana, co skutkuje ryzykiem zatykania przepływu i nierównomiernością ekstrakcji.

Równomierność ekstrakcji jest jednym z czynników istotnych dla powtarzalnego smaku kawy, a wspomniane wcześniej kanałowanie często ją uniemożliwia. Żeby go uniknąć, ważna jest homogenizacja kawowego ciastka, czyli dokładne wymieszanie zmielonej kawy w kolbie ekspresu przed jej ubiciem. W laboratorium fizycy stosowali WDT (ang. Weiss Distribution Technique), czyli technikę mieszania zmielonej kawy przed ubiciem. Używali do tego narzędzia przypominającego „grabki” z igieł do akupunktury, wydrukowanego na drukarce 3D. Dzięki temu rozbijali grudki i sprawiali, że woda płynęła równomiernie przez całą objętość kawy.

– Im bardziej jednorodne, im lepiej ubite złoże, tym większa szansa na równomierny przepływ wody i powtarzalny smak kawy. Dlatego warto najpierw dokładnie wymieszać zmieloną kawę, a potem starannie ubić ją tamperem. Tamping nie jest tu tylko technicznym detalem, ale jednym z kluczowych etapów parzenia espresso – komentuje prof. Lisicki.Nie trzeba jednak kupować drogiego sprzętu. Podobny efekt można uzyskać w domu, używając zwykłej igły lub spinacza, by zmieszać kawę przed jej ubiciem.

Przy okazji prowadzenia eksperymentów i licznych przerw kawowych udało się zaobserwować jeszcze jeden ciekawy efekt. Gdy parzymy „dłuższą” kawę, np. americano, często wciskamy guzik ekspresu kilkukrotnie, przepuszczając nowe porcje wody przez ten sam materiał. Przy pomocy obrazowania rentgenowskiego naukowcy zauważyli, że takie przerwy w parzeniu również mogą prowadzić do powstania pęknięć, które mogą przekształcić się w kanały, skupiające przepływ. Jest to związane z mechaniką samego ekspresu, w którym pod koniec parzenia ciśnienie jest gwałtowne upuszczane przez zawór trójdrożny, co wywołuje przepływ zwrotny wody znad krążka kawowego. Powstałe wówczas naprężenia w kawie mogą prowadzić do zaobserwowanych przesunięć i pęknięć. Warto zatem unikać wielokrotnego parzenia tej samej porcji kawy, zaś americano uzyskać przez dodanie gorącej wody do „przepisowego” espresso.

„Idealne” espresso to po części kwestia kulturowa, jednak specjalistyczne stowarzyszenia skupiające się wokół kawy rekomendują, że właściwe parametry parzenia (podwójnego) espresso to użycie od 17 do 20 gramów ziarna, z których w czasie 25-35 sekund powinniśmy uzyskać dwukrotną ilość napoju w stosunku do masy kawy, czyli około 34-40 gramów. Reszta to już fizyka i chemia w filiżance.

Czym jest gastrofizyka?

Choć badania nad kawą mogą wydawać się na pierwszy rzut oka nietypowym zajęciem dla fizyków, w rzeczywistości dobrze pokazują, jak bardzo interdyscyplinarna jest współczesna nauka. Parzenie espresso to proces, w którym spotykają się zjawiska z zakresu mechaniki płynów, fizyki ośrodków porowatych, materii miękkiej, transportu substancji rozpuszczonych, jak również chemii i biologii doznań sensorycznych.

– Gastrofizyka to dla mnie bardzo atrakcyjny kierunek badań, bo wychodzi od zjawisk codziennych i intuicyjnych, a prowadzi do naprawdę ciekawej fizyki. W takich problemach przenikają się intuicje z różnych działów nauki i z różnych skal wielkości, od mikroskopijnych porów między ziarnami po przepływ przez całe złoże. To są też badania powodowane ciekawością: zaczynają się od prostego pytania „jak to właściwie działa?”. Wierzę, że właśnie takie pytania często prowadzą do wartościowych odkryć. Co ważne, to również obszar wyjątkowo dostępny, bo bariera wejścia jest mniejsza niż w wielu bardziej wyspecjalizowanych tematach, choć same zjawiska mogą okazać się bardzo skomplikowane i ambitne naukowo. W naszej pracy obok Radosta Waszkiewicza uczestniczyli także studenci UW Franciszek Myck, Maria Puciata-Mroczynska i Łukasz Białas, a także dr Michał Dzikowski i prof. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki – podsumowuje prof. Lisicki.

Badania nad kawą nie są przy tym na Wydziale Fizyki odosobnionym przypadkiem. Prowadzone są tu również inne prace z obszaru zjawisk fizyki dnia codziennego pokazujące, że nasze bezpośrednie otoczenie może być znakomitym laboratorium do badania uniwersalnych zjawisk fizycznych. To także dobry argument za tym, by poważnie traktować badania wynikające z czystej ciekawości – bo właśnie one często otwierają nowe kierunki, łączą różne środowiska i pozwalają uprawiać naukę w sposób bardziej dostępny.

KONTAKT:

dr hab. Maciej Lisicki prof. UW
Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
tel. +48 22 55 32 910
mklisicki@uw.edu.pl
https://softmatter.fuw.edu.pl

Tekst ukazał się w portalu Serwis Naukowy UW