يقدم النموذج الرياضي نظرة ثاقبة للاتصال بالإسبريسو

تقدم دراسة جديدة نموذجًا رياضيًا للتنبؤ بكيفية تدفق المياه عبر قرص القهوة، مما يوفر إطارًا قد يساعد صانعي القهوة في نهاية المطاف على إزالة بعض التخمينات المتعلقة بطلب قهوة الإسبريسو.

البحث، نشر في 1 أبريل الجمعية الملكية للعلوم المفتوحة، يتناول سؤالًا بسيطًا: بالنظر إلى حجم طحن محدد وكثافة التعبئة، ما مدى سرعة تحرك الماء عبر القهوة؟ بتوجيه من عالم البراكين الذي سعى إلى تطبيق بعض المبادئ الجيولوجية على القهوة، تتناول هذه الورقة مسألة النفاذية.

تعتبر النفاذية مشكلة رئيسية في صنع الإسبريسو اليومي. إذا كان القرص نفاذيًا للغاية، فقد يتم تشغيل اللقطة بسرعة ويكون استخلاصها أقل من المطلوب. إذا كانت شديدة المقاومة، فقد تبطئ اللقطة وتؤدي إلى انحراف المرارة أو الإفراط في استخلاصها. تؤثر العديد من المتغيرات التي يمكن لصانع القهوة تعديلها – خاصة حجم الطحن والجرعة وكثافة التعبئة – على النفاذية ومعدل التدفق، مما يؤثر بدوره على عملية الاستخراج وجودة الكوب.

النهج

ولاختبار النماذج الرياضية، قام الباحثون بمسح طبقات معبأة من البن المطحون باستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية، ثم أجروا محاكاة لتدفق السوائل من خلال الهياكل ثلاثية الأبعاد الناتجة.

استخدموا نوعين من القهوة المحمصة من قبل شركة Square Mile Coffee Roasters ومقرها المملكة المتحدة – Tumba من رواندا وGuayacán من كولومبيا – تم طحن كل منهما في 11 إعدادًا على مطحنة Mahlkönig، من الناعم جدًا إلى الخشن.

اختبرت الدراسة نهجين نظريين موجودين فيما يتعلق بالنفاذية: معادلة كوزيني-كارمان ونموذج نظرية الترشيح الذي يفسر إمكانية توقف شبكات المسام عن إجراء التدفق بشكل فعال بمجرد أن تصبح التعبئة ضيقة للغاية.

ومن المؤكد أنه من خلال كلا النموذجين، كانت إعدادات الطحن وكثافة التعبئة هي العوامل السائدة التي تؤثر على نفاذية القهوة، في حين كان تنوع القهوة ومستوى التحميص من العوامل الثانوية. ويشير هذا إلى أن النماذج يمكن أن تنطبق على أنواع مختلفة من القهوة، على الرغم من أن المؤلفين أكدوا أن الاختلافات في المطاحن يمكن أن تؤثر أيضًا بشكل كبير على النتائج.

وجد الباحثون أن النموذج القائم على الترشيح يطابق بيانات القهوة بشكل أفضل من نموذج كوزيني كارمان الأقدم، خاصة في العينات الأكثر كثافة والأقل مسامية.

الوجبات الجاهزة لصناعة القهوة

بالنسبة لعشاق القهوة، من أوضح الأمور التي يمكن تعلمها هو أن الطحن الناعم عادةً ما يؤدي إلى إبطاء تدفق الماء عبر القرص، ولكن ليس بكمية ثابتة من خطوة طحن إلى أخرى. وذلك لأن العلاقات بين حجم الجسيمات ومساحة السطح المحددة والنفاذية هي علاقات غير خطية، وفقًا للمؤلفين. وبالتالي يمكن أن تؤدي تغييرات الطحن الصغيرة إلى تحولات كبيرة بشكل غير متناسب في المقاومة ووقت التسديد.

تعزز الورقة أيضًا شيئًا قد يلاحظه صانعو القهوة بشكل حدسي كل يوم: حجم الطحن والجرعة هما العاملان المهيمنان اللذان يؤثران على النفاذية، بينما يلعب الكبس دورًا مهمًا ولكن ثانويًا.

لا يقدم المؤلفون النموذج كمولد وصفة من خطوة واحدة. لاحظوا أن معايرة المطحنة تختلف باختلاف مجموعة الثقب والشركة المصنعة، وأن هناك تعقيدات مهمة في العالم الحقيقي لا تزال قائمة، بما في ذلك انتقال الدقائق الدقيقة أثناء الاستخراج واحتمال تضخم جزيئات القهوة عندما تصبح مبللة.

سياق البحث

تضيف هذه الورقة إلى مجموعة متنامية من الأعمال التي تصمم استخلاص الإسبريسو للتطبيقات العملية المحتملة.

ساعدت دراسة فيزياء السوائل لعام 2023 في تفسير سبب قدرة الطحن الناعم في بعض الأحيان على إنتاج إسبرسو أضعف من خلال تعزيز الاستخلاص غير المتساوي. اعتمد هذا العمل على نماذج رياضية سابقة متعددة المقاييس لديناميكيات تدفق القهوة واستخلاصها.

شارك كريستوفر هندون، المؤلف المشارك في الدراسة الجديدة، أيضًا في تأليف ورقة بحثية عام 2020 تجادل فيها بأن الجرعات المنخفضة والطحن الخشن يمكن أن ينتج إسبرسو أكثر تجانسًا وقابلية للتكرار، مما يتحدى بعض افتراضات الوصفات التقليدية.

المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة هو فابيان وادزورث من قسم علوم الأرض والبيئة في جامعة لودفيغ ماكسيميليانز في ميونيخ. ينتمي المؤلفون المشاركون إلى مؤسسات بما في ذلك جامعة لانكستر، وجامعة ستراثكلايد، وجامعة بريستول، وجامعة دورهام، وجامعة أوريغون.

تلقت الدراسة دعمًا ماليًا من مؤسسات بحثية متعددة في أوروبا والمملكة المتحدة. أعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

تعليقات؟ أسئلة؟ أخبار للمشاركة؟ اتصل بمحرري DCN هنا. للحصول على أحدث أخبار صناعة القهوة، اشترك في النشرة الإخبارية لـ DCN.