Эспрессо – 3 этапа приготовления. Часть 1

Перевод: Лилия Даниленко ©
Источник: Chemistry Views

 

  • DOI: 10.1002/chemv.201000003
  • Author: Klaus Roth
  • Published Date: 13 May 2010
  • Source / Publisher: Chemie in unserer Zeit/Wiley-VCH
  • Copyright: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Казалось бы, приготовление чашечки эспрессо – это простой процесс, состоящий из трех шагов: зеленые зерна кофе сильно нагревают (сухая обжарка), затем измельчают до консистенции порошка, и, наконец, выпаривают под давлением.

Этот простой процесс повторяется более 50 миллионов раз в день, но, к сожалению, не всегда дает оптимальный результат. В этом нет ничего удивительного, поскольку превращение всего лишь 50 кофейных зерен в чашечку эспрессо – это чистой воды химия, а без основных знаний по химии нельзя достичь кулинарного совершенства.

Термин «эспрессо» происходит от итальянского глагола «выжимать» в смысле «отделить жидкость от чего-либо путем сжимания или сдавливания». Другими словами, этот способ приготовления кофе отличается от других тем, что вода под давлением и при температуре почти 100°С пропускается через слой молотого кофе.

Но понаблюдайте за оператором кофе машины: сначала он вытаскивает фильтр и высыпает старую партию молотого кофе в специальный ящик. Затем, он кладет ровно 6,5 г молотого кофе на сито и хорошенько надавливает, чтобы получился равномерный слой. Теперь он закрепляет фильтр на месте, клапан давления открывается и начинается экстракция. Через несколько секунд ароматный эспрессо начинает стекать в предварительно подогретую чашку, и примерно через полминуты чашечка наполнена.

Мы начнем с изучения исходного материала [1]: красных ягод с двух видов кофейных кустов Coffea arabica и Coffea canephora var. Robusta.

Ягода кофе примерно 1,5 см в диаметре, внутри 2 желто-зеленых зернышка. Химический состав зеленых и обжаренных зерен кофе представлен в табл. 1 [2].

Таблица 1. Состав зеленых и обжаренных зерен Арабики, в % сухого веса

Вещество, входящее в состав
Зеленые зерна кофе
Обжаренные зерна кофе
кофеин (1)
1,2
1,3
метилбетаин никотиновой кислоты (2)
1,0
1,0*
аминокислоты
0,5
0
белки
9,8
7,5
сахароза
8,0
0
другие сахара
1,1
0,3
полисахариды
49,8
38,0
алифатические кислоты
1,1
1,6
хинная кислота (3)
0,4
0,8
хлорогеновая кислота (4)
6,5
2,5
липиды
16,2
17,0
летучие ароматические вещества
следы
0,1
продукты карамелизации
25,4
минералы
4,2
4,5

* включая продукты  разложения при обжарке

Шаг 1. Обжаривание – исключительно важный пункт для аромата и вкуса.

На первой стадии реакции зеленые, сырые зерна кофе, имеющие вяжущий вкус, превращаются в знакомые нам коричневые ароматные зерна. При нагревании до 150 °C из зёрен испаряется вода, настоящая обжарка начинается при температурах выше 160 °C. Тогда же происходит неисчислимое количество химических реакций и меняется состав кофейных зёрен. Основной продукт реакции это вообще углекислый газ. На каждый килограмм зёрен выделяется 12 л CO2!  (На самом деле это не очень много вещества по массе – 0,536 моль или 23,57 г).

Поскольку во время обжарки очень толстые стенки кофейных зёрен остаются целыми, то выделяющийся во время реакций углекислый газ вызывает повышение давления внутри зёрен до 25 бар. Другими словами, химические реакции во время обжаривания проходят при температуре от 160 до 240 °C в десятках тысяч мини-автоклавов. Неудивительно, что при таких условиях образуются тысячи новых соединений в ходе термического разложения более 700 установленных на данный момент компонентов зеленых зёрен кофе [3]. С точки зрения химии, кофе – это наиболее сложный напиток, который мы пьём.

На рис.1 показаны соединения, которые образовались во время процесса обжарки. Наиболее химически активные – это свободные аминокислоты и моносахариды, такие как глюкоза, галактоза и арабиноза, а также дисахарид сахароза. С повышением температуры метилбетаин никотиновой кислоты (тригонелин) 2 и хлорогенные кислоты 4 в основном также разлагаются, а липиды и кофеин не подвергаются изменениям во время обжарки.

Хлорогенные кислоты это сложные эфиры, в которых хинная кислота 3 представляет собой спиртовую часть, а p-гидроксифенилакриловая кислота выступает в роли кислотной части. Основной компонент – это сама хлорогенная кислота 4. Наличие хлорогенной кислоты можно определить по зеленому цвету, который появляется в ходе её щелочного окисления – реакции, открытой в 19 веке.

Различные коричнево-черные пигменты появляются благодаря последовательности реакций [4], до сих пор не изученных до конца. Во время этих реакций моносахариды, такие как глюкоза и арабиноза образуют карамелеобразные продукты, которые, в свою очередь, могут реагировать далее с хлорогенными кислотами и образовывать красно-коричнево-черные гуминовые кислоты. Параллельно с этим, свободные аминокислоты реагируют с сахаридами по реакциям Мэйларда [5] и приобретают при этом желтовато-коричнево-черный цвет благодаря меланоидину. В целом, в образовании пигментов участвуют очень сложные вещества, за исключением кофеина и жиров.

Обжарка играет решающую роль для аромата и вкуса. Хотя эспрессо можно приготовить из кофе любой обжарки, более предпочтительно использовать зёрна темной обжарки, в них компоненты проходят более полный процесс термического разложения. Таким образом, уменьшается количество хлорогенных кислот 4, дающих вяжущий вкус [6], что объясняет более мягкий вкус эспрессо по сравнению с кофе, приготовленным из менее обжаренных зёрен. Также, в значительной степени разлагается метилбетаин никотиновой кислоты (тригонелин) 2, образуя множество гетероциклических соединений, которые и придают кофе сильный аромат. Кроме того, в процессе реакции образуется витамин B3 – никотиновая кислота (ниацин) 5. Одна чашечка эспрессо содержит 15% рекомендованной суточной дозы этого витамина!

Этап 2: Помол зерен кофе увеличивает площадь поверхности экстракции

После обжарки внутренняя часть кофейных зёрен содержит много углекислого газа, образовавшегося в результате реакций декарбоксилирования. Он выполняет защитную функцию, предотвращая нежелательное окисление ароматических компонентов. Только через несколько недель после обжарки углекислый газ заменяется воздухом, что позволяет кислороду совершить окисляющее действие: кофе стареет и становится затхлым. Помол высвобождает защитный углекислый газ, немедленно запуская реакции окисления. Таким образом, чашечку хорошего эспрессо можно приготовить только из свежемолотого кофе.

Механический помол кофе в значительной мере увеличивает площадь поверхности, что в свою очередь, упрощает процесс экстракции. Во время помола кофе также нагревается, однако, при использовании некачественного оборудования для помола температура может подниматься до 100°C. Хорошая кофемолка устроена так, что фаза нагревания длится всего несколько секунд, и повышение температуры смолотого зерна минимизируется. Для качества эспрессо кофемолка важна так же, как и сама кофе машина. В домашних условиях именно это оборудование чаще всего страдает от нерациональной экономии.

Для приготовления эспрессо молотый кофе должен иметь размер частичек от 0,3 до 0,4 мм (обычный кофе для кофеварки с фильтром – 0,4-0,6 мм), хотя здесь гомогенность – не цель. Наоборот, только широкое распределение размеров частиц гарантирует оптимальное проникновение горячей воды под давлением.

Этап 3: Экстракция самых желаемых компонентов, с точки зрения сенсорного анализа

Прохождение растворителя (горячей воды) через твердую фазу (молотый кофе) под давлением кажется элементарным аппаратным процессом, и в каком-то смысле напоминает жидкостную хроматографию высокого давления (ЖХВД). Для ламинарного движения растворителя (т.е. параллельными струями) через цилиндрическую колонну (радиус, r, длина L), наполненную пористыми частицами (диаметра d), из Закона Дарси можно получить следствие, позволяющее приблизительно выразить отношение между изменением давления и скоростью изменения объёма V/t [7, 8]:

Такие граничные условия, как количество кофе, температура воды, диаметр фильтра, применяемое давление и время экстракции за десятилетия были эмпирически оптимизированы в тысячах кофеен, где подают итальянский эспрессо.

Триумфальное шествие эспрессо началось в 1947 году с появлением кофе-машины Crema фирмы Gaccia. Тогда необходимое для экстракции давление достигалось вручную при помощи мощного рычага. Таким образом, качество получаемого эспрессо зависело от сноровки оператора кофе-машины. В те времена эспрессо получило культовый статус, а кофейни, где эспрессо готовили лучшие бариста, стали объектами путешествий в различные итальянские города.

В настоящее время приняты такие стандарты:

  • Радиус фильтра 3.5 см,
  • Количество воды 30 мл,
  • Количество молотого кофе 6.5 ± 1.5 г,
  • Давление 9 ± 2 бар,
  • Температура воды 90 ± 5 °C.

До экстракции порошкообразный молотый кофе сухой, поэтому прежде чем чашка начнет наполняться эспрессо, проходит несколько секунд. После этого можно ожидать, что чашка будет наполняться с постоянной скоростью потока, которая при соответствующем размере частиц и параметрах машины наполнит чашку за 30 ± 5 с. На рис.2 показаны результаты такого эксперимента.

Рис. 2. Процесс экстракции эспрессо. Через несколько секунд после приложения давления (9 бар), эспрессо начинает стекать в чашку машины. Скорость потока нелинейна в течение 2-10 с. Сброс отфильтрованного осадка через 10 с и возобновление давления вызывает обратное изменение скорости потока. Тем не менее, в течение 14-25 с можно наблюдать примерно ту же скорость, что и ранее (см. выше) [2].

Следует признать, что приготовление чашечки эспрессо очевидно намного сложнее обычной хроматографии высокого давления, поскольку теоретические предположения абсолютно не соответствуют практическим результатам.

Так где же ошибка в рассуждении? Следующий блестящий эксперимент, проведенный учеными Бальдини и Петракко [9], показывает нам правильный ход мысли:

Процесс экстракции прерывается после 12 с, отфильтрованный осадок поворачивается на 180°, после чего экстракция возобновляется. Вслед за этим происходит изменение направления потока, регистрируется идентичный характер потока (см. рис.2). Из этого следует, что ни сама экстракция, ни увеличение объёма молотого кофе не являются причиной наблюдаемого явления, оно скорее вызвано определенным гидравлическим сопротивлением, которое зависит от времени.

При рассмотрении под микроскопом видно, что молотые зерна из кофемолки не гомогенны (см. рис.3). Под давлением вода проходит сквозь частички и несёт за собой мельчайшие частички кофе, которые проходят мимо частиц большего размера и собираются внизу слоя молотого кофе. Получившаяся в результате частичная закупорка приводит к увеличению гидравлического сопротивления, и скорость потока уменьшается (см. рис.2 а, b). В приведённом выше эксперименте, если направление потока теперь поменять, мелкие частицы опять будут двигаться по направлению потока (см. рис. 2c). Сначала давление воды уменьшается, потому что закупорка исчезает (см. рис. 2d) до тех пор, пока мелкие частицы снова не соберутся – уже на другом конце – и гидравлическое сопротивление снова не увеличится (см. рис. 2e).

Но химические процессы, проходящие в кофе-машине, еще сложнее. В течение короткого периода экстракции невозможно достичь равновесия между фазами, и экстрагируется только 75% высокорастворимого кофеина. Такая незавершенная экстракция может на первый взгляд показаться недостатком, но на самом деле совершенство кроется как раз в этом недостатке: многие неприятные на вкус компоненты остаются неэкстрагированными, в результате чего эспрессо намного лучше усваивается, чем обычный кофе.

Рис. 3. Вид под микроскопом кофе мелкого помола для приготовления эспрессо [2].

Экстрагируются не только растворимые в воде компоненты; горячая вода расплавляет жиры, которые диффундировали к поверхности после обжарки, а быстрый поток воды между частицами кофе приводит к образованию мелкой эмульсии с размером капелек жира от 0.5 до 1.0 µм. В этих капельках жира растворены ароматические вещества, которые бы в других условиях испарились при взаимодействии с горячей жидкостью.

Но не стоит волноваться. Содержание жиров в эспрессо очень низкое, и даже те, кого это волнует, могут не страдать муками совести от употребленных с кофе почти 9 ккал.

Профессор Клаус Рот
Свободный Университет Берлина, Германия.
Статья была опубликована на немецком языке в журнале:
Chem. Unserer Zeit  2003, 37 (3), 215–217.
References
  1. H. G. Maier, Chem. unserer Zeit 1984, 18, 17. DOI: 10.1002/ciuz.19840180103
  2. A. Illy, R.Viani, Espresso Coffee: The Chemistry of Quality, Academic Press, London 1998.
  3. I. Flament, Coffee Flavor Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester 2002.
  4. R. Viani, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 7, Wiley-VCH, Weinheim 1996, 315–339
  5. M. Angrick, D. Rewicki, Chem. unserer Zeit 1980, 14, 149. DOI: 10.1002/ciuz.19800140503
  6. R. Viani, AU J. Technol. 2002, 6 (1), http://www.journal.au.edu/au_techno/2002/jul2002/index.html
  7. C. F. Poole, S. K. Poole, Chromatography Today, Elsevier, Amsterdam 1991.
  8. H. Engelhardt, Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie, Springer, Berlin 1977.
  9. G. Baldini, M. Petracco, 7th Conf. Eur. Cons. Math. Ind. 1993, cited in [2].

Перевод: Лилия Даниленко ©
Редакция: Майстерний Хімік
Продолжение см.  Эспрессо. Часть 2 – Торжество ощущений