Кофе эспрессо на мелком помоле оказался невкусным из-за положительной обратной связи

Многие считают, что эспрессо на мелком помоле оказывается безвкусным. Британские ученые попытались выяснить, почему это происходит. Для этого они построили простую модель течения жидкости через два канала из пористой кофейной гущи. Оказывается, слишком тонкий помол активирует механизм положительной обратной связи, в результате чего жидкость проходит только через один из каналов. Кофе во втором канале остается недостаточно пропаренным. Новое исследование было опубликовано в журнале Physics of Fluids.

Для того чтобы приготовить эспрессо, необходимо пропустить достаточное количество горячей воды под высоким давлением через фильтр с молотым кофе. Люди научились готовить эспрессо еще в 19 веке, и с тех пор эта практика развивалась путем проб и ошибок, чтобы добиться наилучшего вкуса кофе. Четко формализовать качество кофе непросто, но чаще всего специалисты ориентируются на степень (или эффективность) экстракции кофе — массовую долю химических компонентов зерна, растворенных в воде.

Чтобы понять физику эспрессо, Фостер и его коллеги несколько лет назад провели экспериментальное и численное исследование процесса. Исследователи уделили особое внимание измельчению: модель предсказывала, что чем меньше размер зерна, тем выше извлечение. Однако эксперименты показали, что это происходит только до определенного порога, после которого расход начинает уменьшаться.

Бариста давно знают об этом эффекте. Это объясняется тем, что при слишком мелком помоле кофейной таблетки прорываются паразитные каналы, по которым вода сливается почти полностью, игнорируя остальную кофейную массу. Фостер и его коллеги учли этот факт, дополнительно ограничив область извлечения моделью. Однако остается проблема учета этого эффекта на основе первых принципов.

Уильям Ли из Университета Хаддерсфилда был одним из соавторов статьи Фостера. До этого он и его коллеги уже провели собственные расчеты, связанные с приготовлением кофе. Цель его группы на этот раз состояла в том, чтобы точно определить, 

Чтобы ответить на этот вопрос, как происходит неравномерная экстракция при приготовлении эспрессо, физики построили довольно простую модель жидкости, просачивающейся через два канала пористого материала. За основу они взяли уравнение Козени-Кармана, которое было выведено для упаковки сферических частиц. При этом авторы учитывали тот факт, что шлифовальный материал проникает в жидкость и объем порошка уменьшается.

Решая полученные дифференциальные уравнения, физики смогли качественно воспроизвести основной эффект: с уменьшением размера зерна снижается и эффективность извлечения. Динамика потоков по каждому из каналов позволила понять, почему это происходит. Оказалось, что суть заключается в механизме положительной обратной связи: чем больше воды проходит по каналу, тем больше извлекается вещества и тем больше его пористость, а значит, меньше сопротивление канала. В какой-то момент поток в одном из каналов достигает максимума, а в противоположном канале падает почти до нуля.

Несмотря на качественное объяснение модели, ее количественные оценки отличались от экспериментальных данных. Авторы объяснили этот факт простотой модели. В частности, они не учитывали расслоение кофейной массы, а также использовали мономодальное распределение частиц вместо бимодального, которое имеет место при реальном помоле. В дополнение к сложности модели физики хотят включить альтернативное объяснение эффекта фрагментации, из-за которого каналы забиваются зернами.