Ультразвук помог создать эспрессо без нагрева воды

Новости МирТесен

Используя ультразвук вместо кипячения, ученые разработали способ приготовления кофе в воде комнатной температуры. Звуковые волны извлекли растворимые соединения из кофейных зерен всего за три минуты, что позволило сэкономить 75% энергии. Полученный напиток по составу не отличается от традиционного эспрессо, однако, поскольку дегустаторам пришлось сравнивать его с остывшим кофе, вопрос о полноценной замене привычного способа приготовления остается открытым.

Эспрессо готовят, используя высокое давление. Вода нагревается до 90 °C и под давлением проходит через плотно спрессованный молотый кофе. Для быстрого извлечения растворимых веществ, масел и ароматических соединений необходимы высокая температура и давление. В результате получается напиток насыщенный, густой и вязкий. Классические кофемашины потребляют значительное количество электроэнергии, главным образом на нагрев воды и поддержание температуры внутри аппарата.

Холодное заваривание – это другой способ приготовления кофе. Для этого процесса требуется от 12 до 24 часов настаивания кофейных зерен в воде комнатной температуры. Поскольку холодная вода менее эффективно извлекает химические соединения, напиток получается менее насыщенным, имеет иную консистенцию и содержит примерно в пять раз меньше кофеина, чем одна порция эспрессо.

Неоднократно предпринимались усилия по ускорению данного процесса. В течение длительного периода инженерам не представлялось возможным добиться требуемой крепости напитка без использования тепловой обработки. Ранее использовавшиеся звуковые методы позволяли сократить время приготовления холодного кофе до нескольких минут, однако результат был слаб и водянистым. Физикам не удавалось обеспечить необходимую концентрацию.

В ходе недавнего эксперимента ученым удалось заменить тепловое воздействие звуковыми колебаниями. Полученные результаты опубликовали в журнале Journal of Food Engineering.

Инженеры модифицировали стандартную кофемашину. Для передачи колебаний частотой 42,6 килогерца на стенку рожка с кофе был спроектирован и изготовлен металлический стержень. Специалисты подобрали форму элементов таким образом, чтобы рожок резонировал и с максимальной интенсивностью направлял энергию во внутреннюю часть жидкости со всех сторон.

Принцип действия установки заключается в использовании микроскопических пузырьков. Под воздействием звуковых волн вода подвергается быстрому сжатию и расширению. В жидкости возникают пустоты, которые немедленно схлопываются – этот эффект известен как кавитация. Схлопывание пузырьков приводило к разрушению поверхности кофейных зерен. Вода, имеющая комнатную температуру, проникала внутрь зерна и извлекала растворимые компоненты.

Инженеры не утрамбовывали кофейную гущу в рожке, чтобы не влиять на акустические свойства напитка, а подавали жидкость небольшими порциями через бумажные фильтры. В процессе эксперимента ученые варьировали степень помола, мощность и продолжительность воздействия, стремясь определить наилучший режим.

После этого физики сопоставили характеристики традиционного приготовления горячих напитков с данными, полученными с использованием новой установки. Были определены показатели, такие как содержание растворимых веществ, эффективность экстракции, кислотность и концентрация кофеина. Прибор, работая в течение трех минут при мощности 100 ватт, извлек примерно 18% массы кофейного зерна мелкого помола. Содержание растворимых веществ составило 8,89%, в то время как при горячем способе приготовления этот показатель был равен 8,74%. Концентрация кофеина и кислотность оказались одинаковыми в обоих случаях.

Помимо этого, ученые определили объем энергии, необходимой для приготовления трех порций продукта. Для приготовления такой порции обычная машина потребовала 0,082 киловатт-часа электроэнергии, не включая затраты на предварительный нагрев бойлера. Модель со звуковой технологией использовала 0,020 киловатт-часа. Это позволило снизить потребление электроэнергии на 75%.

Сто группе обычных потребителей провели оценку вкусовых качеств различных напитков. Участникам не сообщалось, какой именно сорт кофе они пробуют. В результате тестирования разницы в восприятии аромата и вкуса между двумя видами эспрессо выявлено не было – испытуемые не смогли различить классический кофе и напиток, подвергшийся звуковому воздействию. Однако для проведения дегустации напитки предварительно охладили до 22 °C, что, безусловно, сказалось на вкусовом опыте.

Согласно результатам исследования, появилась физическая возможность оперативного отделения густых кофейных частиц без использования нагревания. В настоящее время специалисты планируют модифицировать данный подход с целью его внедрения в крупномасштабное производство концентрированных кофейных растворов.