Фронт испарения: что это и какое значение имеет для обжарки кофе

Во время обжарки давление внутри кофейного зерна может достигать 25 бар — это в 2 раза больше, чем в шинах олимпийских трековых велосипедов. Такой эффект в нем создает влага в виде водяного пара. Что еще известно о том, как вода испаряется во время обжарки и какое это имеет значение для процесса в целом, — собрали в этой статье.

При написании опирались на материалы Barista Hustle.

Способы измерения влаги в зерне

Измерение уровня влаги в кофейных зернах во время обжарки — это трудоемкий процесс. Исследователи используют два подхода, и у каждого из них есть недостатки.

Измерение уровня влаги в образцах кофейных зерен на различных стадиях обжарки. Перед таким измерением кофе нужно сначала охладить. В это время он может продолжить выделять влагу или поглощать ее из воздуха, поэтому значения получаются некорректными. Даже самый точный метод измерения уровня влажности непосредственно в зернах — в дегидратационной печи — дает погрешность. Перед этим образец кофе нужно измельчить, и в это время из него могут выделяться газы и влага. Это также влияет на результат измерений.

Измерение уровня влаги испаряющихся газов. Это технически сложный процесс, так как их уровень влажности определяют в вентиляционных трубах ростера. Но в них испаряющаяся из кофейных зерен влага смешивается с той, что образуется в результате других химических реакций во время обжарки.

Джеймс Дэвисон, инженер-химик и основатель Williamstown Roasters, использовал второй подход для измерения влажности кофейных зерен. Согласно его результатам, общее количество выделившейся воды составляет около 16 % от первоначального веса зеленого кофе. Большая часть, по его мнению, должна была образоваться непосредственно во время обжарки.

Для эксперимента Джеймс Дэвисон заказал специальный анемометр и встроил его в трубу ростера. © baristahustle.com

Это значит, что точно определить содержание влаги в кофе во время обжарки трудно, а попытки часто дают противоречивые результаты. Однако большинство данных говорит о том, что влага испаряется на протяжении всего процесса обжарки, а не только во время фазы сушки в самом начале.

При этом содержание влаги уменьшается неравномерно по всему зерну. Об этом — подробнее в следующем блоке.

Что такое фронт испарения

В начале обжарки температура зерна быстрее всего повышается вблизи его поверхности. Медленнее всего тепло распространяется к внутренним слоям. Между сухой частью снаружи кофе и влажной внутри зерна существует разделяющий их слой. Из него влага испаряется в первую очередь и выходит в виде водяного пара. Этот слой называется фронтом испарения.

1. Сердцевина. Содержит воду и пар под высоким давлением. 2. Внешний слой зерна, через который выходит пар. 3. Фронт испарения

Когда температура зерна поднимается выше 100 °C, давление внутри него начинает расти. Это объясняют тем, что водяной пар накапливается быстрее, чем может выйти. При этом давление внутри зерна может увеличиться в десятки раз. Это затрудняет испарение воды. Похоже на то, как бойлер в эспрессо-машине содержит как пар, так и воду при температуре 120 °C и более. Давление внутри котла предотвращает испарение, что позволяет повысить температуру выше обычной температуры кипения.

Во внешних слоях зерна водяной пар может выходить через его поры — тогда давление падает, и оставшаяся вода испаряется. Во внутренних же слоях пар не может выйти наружу, потому что находится под давлением со всех сторон.

В результате получается, что внешняя часть зерна становится сухой, но в центре все еще содержится много влаги. В процессе обжарки фронт испарения перемещается внутрь, к центру зерна, поскольку все больше и больше пара выходит из кофе.

Какое значение это имеет для процесса обжарки — расскажем далее.

Какая связь между фронтом испарения и первым крэком

Превращение воды в пар требует много энергии — она называется скрытой теплотой парообразования. Это знание является ключом к пониманию того, как испарение влаги влияет на реакцию зерна при нагреве в ростере.

Если вы равномерно нагреваете воду, ее температура постепенно повышается. Однако при 100 °C происходит нечто странное. Вы продолжаете нагревать воду, но ее температура перестает повышаться — она остается на уровне 100 °C. Затрачиваемая энергия теперь идет на превращение воды в пар.

На превращение воды в пар требуется в 5 раз больше энергии, чем для нагрева воды от 0 до 100 °C

Это означает, что на фронте испарения большая часть энергии, которую поглощает зерно, уходит на испарение воды в нем, а не на повышение температуры. При этом во внешнем слое все это тепло может запустить химические реакции обжарки и повысить температуру кофе.

Эффект фронта испарения заключается в том, что тепло быстрее повышает температуру внешнего слоя, чем внутреннего.

Фронт испарения препятствует нагреванию сердцевины. Это приводит к резкому градиенту температуры между внешней и внутренней частями зерна

Также это явление имеет еще один важный эффект. По мере повышения температуры зерен в какой-то момент они из эластичного состояния постепенно переходят в хрупкое — происходит так называемое стеклование. Температура стеклования зависит от количества влаги: чем больше воды, тем она ниже.

Это дает интересный эффект: при определенной температуре сердцевина зерна подвергается стеклованию. Но поскольку в ней больше влаги, она какое-то время остается эластичной и расширяется при повышении давления пара. При этом внешний слой зерна — более хрупкий, потому что он суше, и он сопротивляется расширению сердцевины. По мере повышения температуры кофе напряжение нарастает: внутренняя часть зерна пытается увеличиться, но ее сдерживает хрупкий внешний слой. Это может быть причиной первого крэка.

Резюме

Понимание того, как влага выходит из зерен, может объяснить многое в обжарке кофе. Можно предположить, что напряжение между внутренним и внешним слоями зерен действительно является причиной первого крэка. В таком случае изменение способа выпаривания влаги из зерен или контроль за процессом стеклования в разных слоях кофе может серьезно повлиять на контроль общего профиля обжарки.

Однако фронт испарения остается пока малоизученным явлением. Исследований на эту тему очень мало, предположений — много. Остается только ждать, когда эксперты окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу о влиянии фронта испарения на процесс обжарки.