В основе многих наших повседневных действий лежат законы физики. Профессиональные ученые Андрей Варламов, Аттилио Ригамонти и Жак Виллен всю свою жизнь посвятили поискам ответов на загадки природы и написали книгу «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий» (скоро выйдет в издательстве «Альпина нон-фикшн). Из нее вы узнаете о том, почему небо и море синие, почему реки извилисты, как работают естественные волноводы и почему изменяется климат. А «Цех» публикует актуальную для многих из нас главу «Физика хорошего (и плохого) кофе».
Почему один кофе вкусный, а другой нет? И в более общем плане — почему у кофе, приготовленного различными способами, разный вкус? Существуют хорошие и плохие производители, хорошие и плохие обжарочные аппараты, а главное… различные способы готовить кофе! Но даже при приготовлении кофе одними тем же способом, скажем эспрессо, при использовании одного и того же аппарата, одних и тех же температуре и давлении фильтрации получаемый напиток может существенно различаться в зависимости от мастерства бариста: степени помола кофейных зерен, других, ведомых только ему ухищрений. А как сравнивать напитки, полученные разными методами, — турецкий кофе со скандинавским? Таким образом и получается кофе разных вкусов — более или менее удачных в зависимости от мастерства пользователя.
В нашем глобализованном мире путешественник XXI века найдет одни и те же напитки во всех уголках земного шара, будь то Париж, Нью-Йорк или Катманду. Но есть одно исключение — кофе. Если вы закажете кофе в баре в Неаполе, вам предложат чашку чуть больше наперстка, в которой находится вязкая черная жидкость под аппетитной пенкой. Попросите кофе в Чикаго — и вы получите большущий стакан, содержащий поллитра горячей коричневой воды… В этой главе мы не будем обсуждать достоинства и недостатки разных способов варки кофе; вместо этого мы расскажем о различных процессах и физических явлениях, которые происходят во время его приготовления.
Вкратце о кофе…
Кофе готовят из зерен кофейного дерева, которое произрастает в тропических и экваториальных регионах (Аравийский полуостров, Латинская Америка, Африка…). Кофейные зерна содержат сахара, жиры, белки, ароматизаторы и алкалоид кофеин, который действует как возбуждающее средство. После сбора и сушки кофейные зерна обжариваются при высокой температуре, около 240 °C. При этом в результате химических реакций между белками и сахарами (реакции Майяра, см. главу 21, с. 229) зерна приобретают красивый коричневый цвет. Кроме того, обжарка высвобождает множество летучих ароматических молекул: более 800 различных соединений! Затем зерна измельчают, и полученный таким образом молотый кофе для извлечения ценных ароматов приводят в контакт с горячей водой. Как мы увидим далее, различные способы приготовления отличаются температурой воды, давлением, при котором происходит процесс, и продолжительностью контакта между кофейным порошком и водой.
Заварной кофе
Метод «вареного» кофе очень древний и до сих пор используется в Финляндии и на севере Скандинавии. Обжаренный кофе грубо измельчают, а затем заливают водой (10 г кофе на 150–190 мл воды). Затем эту смесь доводят до кипения и кипятят в течение примерно десяти минут. Кофе, не фильтруя, разливают по чашкам и дают несколько минут настояться, чтобы взвешенные крупинки под действием силы тяжести осели на дно. Мы не рекомендуем этот метод приготовления, так как ароматы кофе, обусловленные присутствием в напитке достаточно летучих соединений, во время кипения улетучиваются.
Кофеварка с бумажным фильтром
Капельные кофеварки с фильтром распространены в Америке, Северной Европе и Франции. Молотый кофе насыпают в конический бумажный фильтр. Затем фильтр помещается в специальную воронку над кофейником, обычно стеклянным, и в него поступает очень горячая вода. Вода проходит через кофейный порошок, насыщаясь при этом содержащимися в нем растворимыми веществами, затем полученный напиток проходит через фильтр и наконец попадает в кофейник. Преимущество такого метода заключается в том, что он почти не требует усилий: горячая вода обычно непрерывно подается электрическим устройством, к тому же такую кофеварку легче мыть (кофейный жмых выбрасывают вместе с одноразовым фильтром). Через 5–6 минут можно получить чашку, на взгляд авторов, довольно безвкусного кофе: только часть ароматических веществ, содержащихся в кофейном порошке, способна преодолеть бумажный фильтр в отсутствие давления. Обычно при таком способе приготовления используется около 6 г кофе на одну 140-миллилитровую чашку.
Кофе по-турецки
Турецкий способ приготовления кофе (распространенный также в Армении, Грузии, Греции, Сербии и других странах) выглядит так: кофе мелкого помола смешивают с сахаром, а затем высыпают в коническую емкость из металла, обычно меди или латуни, которая называется ibrik (джезва, турка). Затем в джезву наливают холодную воду и нагревают — ставят в раскаленный песок, на газовую или электрическую плиту. Другой способ — засыпать кофе в джезву, уже заполненную кипятком.
При нагревании воды в джезве возникают конвективные токи, которые выносят мельчайшие частички молотого кофе на поверхность, где они образуют плотный слой. Когда температура воды приближается к температуре кипения, перемешивающие жидкость пузырьки начинают превращать этот слой кофе в пенку. На этой стадии джезву следует снять с плиты (или песка), потому что кофе кипеть не должен! Процесс повторяют дважды, чтобы получить толстый слой пены. Затем кофе разливают по небольшим чашечкам. Прежде чем попробовать напиток, нужно подождать несколько минут, чтобы он немного остыл и большая часть крупинок кофейных зерен осела на дно чашки. Кофе по-турецки обладает характерным вкусом, за что его очень ценят те, кто не боится проглотить немного кофейного осадка.
Гейзерная кофеварка (мока)
Кофеварка, о которой пойдет речь, есть на кухне у каждой итальянской семьи. Она состоит из трех частей: основания, куда заливают воду, металлической воронки, снабженной фильтром, куда засыпают молотый кофе, и верхней части, в которой накапливается готовый напиток. Любитель кофе едва ли сможет творчески подойти к его приготовлению в такой кофеварке: в отличие от других методов, здесь обязательно нужно точно соблюдать правила, продиктованные конструкцией устройства.
Это достаточно сложное изобретение. Фильтр, очевидно, находится в самом центре аппарата. Холодную воду заливают в нижний отсек вплоть до предохранительного клапана, оставив небольшой заполненный воздухом объем. В фильтр, практически не утрамбовывая, насыпают молотый кофе. Затем кофеварку закрывают, накручивая верхнюю часть на основание, и фильтр оказывается расположенным посередине. Теперь нижняя часть воронки, выполненная в форме трубки, погружена в воду и почти касается дна емкости. Снаряженную таким образом кофеварку начинают нагревать на медленном огне. Через несколько минут дошедшая до точки кипения вода через воронку поступает в фильтр.
Нужно отметить, что в этой конструкции воронка работает в режиме, противоположном обычному, используемому для перелива жидкостей: вода поступает в нее через узкую часть, а выходит через широкую. Проходя через наполненный молотым кофе фильтр, вода насыщается его ароматами и превращается в кофе. Полученный напиток, поднимающийся под давлением снизу, проходит через еще одну узкую трубку и, наконец, оказывается в верхней части — остается только налить его в чашку!
Что же происходит в моке с точки зрения физики? Нижняя часть устройства плотно соединена с верхней и герметизирована резиновым уплотнителем. При нагреве воды давление насыщенного водяного пара повышается и жидкость испаряется в пространство, не заполненное водой. Температура воды довольно быстро достигает 100 °C: давление насыщенного водяного пара при этом становится равно атмосферному. Таким образом, пар, подобно пружине, начинает выталкивать воду через воронку, вынуждая ее пройти через молотый кофе. По мере продолжения нагрева температура и давление продолжают расти. Вытесняемая паром и уже превратившаяся в кофе вода в конечном итоге оказывается в верхней части устройства. Чтобы время фильтрации не оказалось слишком коротким, можно вмешаться в процесс, когда шум свидетельствует о том, что готовый напиток начинает проходить через верхнюю часть: следует остановить нагрев, и это замедлит прохождение воды через кофе.
Температура несколько выше 100 °C и давление, немного превышающее атмосферное, обеспечивают насыщение кофе всеми ароматами, но высокая температура, увы, может привести к исчезновению некоторых из них. Таким образом, гейзерная кофеварка готовит крепкий ароматный кофе, который, однако, не достигает качества хорошего эспрессо. Чтобы избежать чрезмерного нагрева воды, можно пойти на хитрость и готовить кофе высоко в горах, где атмосферное давление ниже. Пусть на вершине Эвереста невозможно сварить макароны, зато там можно приготовить кофе лучше, чем у его подножия!
Физика фильтрации
Понятно, что вкус кофе, приготовленного в любой кофеварке, зависит от качества помола и температуры воды. Еще на него влияет время, в течение которого вода контактирует с кофе. Частицы молотого кофе образуют настоящий лабиринт, по которому должна пробраться вода: время прохождения будет тем меньше, чем большего размера и менее извилисты проходы в нем и выше избыточное давление на фильтре. Массовый расход воды определяется законом Дарси, в котором существенную роль играет проницаемость молотого кофе. Чему же равен этот коэффициент? Его значение вычислил итальянский физик Кончетто Джанино, который провел эксперимент в гейзерной кофеварке. Входящие в формулу Дарси физические величины в его опыте имели значения:
◼ высота слоя молотого кофе L = 0,014 м;
◼ площадь фильтрации S = 14 см²;
◼ вязкость воды, при 100 °C составляет приблизительно η = 0,3⋅10–3 Па⋅с;
◼ плотность воды ρ = 1000 кг / м3.
Масса приготовленного в ходе эксперимента кофе составила около 0,07 кг при времени прохождения воды через кофе чуть меньше минуты. Итак, согласно закону Дарси, проницаемость k равна:
3,5×10−9 k= ΔP,
где ΔP — разница давления по обе стороны от фильтра. Поэтому достаточно знать ΔP, чтобы вычислить k. Измерение провести непросто, так как необходимо иметь доступ к нижнему отсеку кофеварки. Джанино находчиво использовал предохранительный клапан, чтобы ввести в него температурный зонд. Зная температуру равновесия жидкого и парообразного состояний воды, он вычислил из нее давление. В результате измерения оказалось, что ΔP составляет порядка 3 кПа. С помощью этих данных мы находим, что проницаемость использованного в моке молотого кофе составила около 10–12 м2. Это не очень мелкий помол. Очевидно, что проницаемость зависит от того, как был смолот кофе и насколько плотно он утрамбован в фильтре. Знатоки рекомендуют его не утрамбовывать вообще, чтобы не затягивать время фильтрации и проводить ее при относительно низкой температуре.
Винтажный кофе: неаполитанская и старинная французская кофеварки
Неаполитанская кофеварка, предшественница гейзерной, немного напоминает последнюю, поскольку тоже состоит из двух отдельных отсеков, между которыми находится металлический фильтр для кофе. Существенная разница заключается в «двигателе», который заставляет воду проходить через фильтр: здесь это просто сила тяжести! Как только вода начинает кипеть, кофеварку снимают с огня и переворачивают. Перепад давления ΔP между двумя сторонами фильтра обусловлен весом водяного столба в несколько сантиметров и составляет приблизительно 1 кПа.
В кофеварках, распространенных во Франции в первой половине XX века, также использовали избыточное давление, создаваемое благодаря весу водяного столба. Однако их не переворачивали: горячую воду лили прямо на кофейный порошок. Короче говоря, принцип этих кофеварок такой же, как и у капельных. Изменился только материал, из которого сделан фильтр! И все-таки в разных типах кофеварок следует использовать кофе различного помола: поскольку отверстия керамического или металлического фильтра намного крупнее, чем поры бумажного фильтра, для них не стоит использовать слишком тонко смолотый кофе. Кроме того, фильтрация через бумажный фильтр происходит быстрее, так как часть горячей воды проходит через бумагу над основной массой кофейного порошка и фильтруется лишь небольшим его слоем.
Многие утверждают, что такой старомодный кофе вкуснее приготовленного в гейзерной кофеварке, потому что медленная, в течение нескольких минут, фильтрация способствует извлечению веществ, которые обусловливают специфический вкус и аромат кофейного напитка, а более низкая температура воды предотвращает их тепловой распад. Действительно, в середине XX века лучшим кофе, какой могли подать во французских барах, считался «фильтр-кофе». Устройство для его приготовления было индивидуальным и состояло из чашки, увенчанной контейнером с металлическим фильтром. Толщину последнего можно было регулировать с помощью центрального винта, тем самым сильнее или слабее сжимая помещенный в фильтр молотый кофе. По мере изменения степени сжатия менялась и проницаемость кофейного порошка. При малом сжатии на выходе получалась безвкусная водянистая жидкость. В результате же чрезмерного сжатия — серьезная ошибка! — напиток вовсе не выходил из фильтра. В самом деле, давление, возникающее в контейнере из-за веса водяного столба, относительно низкое: около 500 Па. Процесс же фильтрации имеет минимальный порог для перепада давления (закон Дарси для слишком малых перепадов не справедлив): ниже его молотый кофе оказывается слишком компактным, вода не может преодолеть силы поверхностного натяжения и пройти сквозь него.
Вечно спешащие люди, какими мы стали сегодня, отказались от этих способов приготовления кофе.
Эспрессо
Такая нетерпеливость, свойственная современному человеку, началась уже в XIX веке. Легенда гласит, что в то время некий подданный Королевства обеих Сицилий, устав терпеливо ожидать приготовления своего кофе alla Napoletana (по-неаполитански), сумел убедить одного из своих друзей, миланского инженера, изобрести машину, которая бы готовила вкусный ароматный кофе менее чем за минуту. Инженер приступил к работе… и придумал эспрессо-машину! На самом деле еще несколько изобретателей внесли свой вклад в ее совершенствование. Одна из первых эспрессо-машин была представлена на Всемирной выставке в Париже в 1855 году Эдуардом Лойзелем де Санте; правда, качество изготавливаемого этой кофеваркой напитка было нестабильным… Только в 1900-х годах миланский инженер Луиджи Беззера разработал коммерческую версию. Сначала она поставлялась в бары и рестораны, но затем распространилась и среди частных лиц.
В чем суть процесса приготовления получившего всемирное распространение «эспрессо»? Вода в фильтр эспрессо-машины поступает под высоким давлением (в 10–15 раз выше атмосферного) и при достаточно невысокой температуре (88–92 °C). Поэтому содержащиеся в кофейных зернах неустойчивые ароматы, которые при температуре в 100 °C и выше разрушаются, при таком способе приготовления сохраняются. Чашка кофе готовится не более чем за 30 секунд, поэтому эспрессо содержит различных кислот и кофеина меньше, чем классический кофе. Также важной отличительной особенностью эспрессо является нежная коричневая пенка. Она состоит из крошечных пузырьков газа, заключенных в жидкую пленку. Таким образом, формирующие вкус кофе ароматы оказываются связанными и не улетучиваются. Кроме того, пенка ограничивает теплообмен с окружающим воздухом, и напиток остывает медленнее.
В современных машинах вода доводится до необходимого давления с помощью электрического компрессора. Раньше же использовали рычаг: сначала при поднятом положении рычага в рабочий объем впускали необходимое количество воды, а затем рычаг опускали, чтобы вода проходила сквозь фильтр с кофейным порошком. Таким образом, давление на фильтре создавалось усилием руки, многократно умноженным благодаря действию рычага.
Читатель легко убедится, что, для того чтобы получить необходимое давление, не обязательно обладать силой Голиафа.
Растворимый кофе… и заключение
Давайте закончим наш обзор методов приготовления этого напитка растворимым кофе — порошком, который перед употреблением просто добавляют в горячую воду. При изготовлении растворимого кофе кофейные зерна обжаривают, перемалывают и обрабатывают горячей водой. Затем полученный концентрат выпаривают при высокой температуре и низком давлении. Иной вариант приготовления порошка для растворимого кофе — это «сушка замораживанием». Замороженные кристаллы кофейного экстракта обезвоживаются возгонкой в вакууме.
Предоставим заключительное слово персонажу пьесы Эдуардо де Филиппо, итальянского драматурга ХХ века: «Я бы мог отказаться от чего угодно, кроме этой маленькой чашечки кофе, что я пью по утрам в мире и покое».
