Инженеры приготовили эспрессо с помощью ультразвука вместо нагрева воды под давлением

❋ 3.6

Ученые заменили привычный кипяток ультразвуком, приготовив кофе в воде комнатной температуры. Звуковые волны вытянули из зерен растворимые вещества всего за три минуты, сэкономив 75% энергии. Напиток получился идентичным обычному эспрессо по составу, но дегустаторам пришлось сравнивать его с остывшим кофе — поэтому реальная замена горячей чашке под вопросом.

Физика

# кофе

# ультразвук

# эспрессо

Один из авторов с чашкой нового ультразвукового кофе / © Richard Freeman/UNSW

Традиционный эспрессо готовят под высоким давлением. Воду нагревают до 90 °C и пропускают через плотно спрессованную таблетку мелкого помола. Высокие температура и давление нужны для быстрого извлечения растворимых соединений, масел и летучих ароматических веществ. Напиток получается густым, вязким и насыщенным. При этом классические кофемашины тратят много электричества именно на нагрев воды и поддержание температуры внутри конструкции.

Холодное заваривание (cold brew) работает иначе. Процесс требует от 12 до 24 часов выдерживания зерен в воде комнатной температуры. Холодная жидкость хуже растворяет химические вещества. В результате напиток получается менее концентрированным, обладает другой плотностью и содержит примерно в пять раз меньше кофеина, чем порция эспрессо.

Ускорить этот процесс пытались много раз. Долгое время у инженеров не выходило получить напиток нужной крепости без термического воздействия. Предыдущие попытки применять звук помогали сократить время приготовления холодного кофе до нескольких минут, но давали лишь слабый водянистый настой. Физикам не удавалось создать нужную концентрацию.

В новом эксперименте исследователям все же удалось полностью заменить термическое воздействие звуковыми волнами. Результаты опубликовали в журнале Journal of Food Engineering.

Инженеры переоборудовали обычную кофемашину. Они смоделировали и выточили металлический стержень, чтобы передать колебания частотой 42,6 килогерца на стенку рожка (портафильтра) с кофе. Ученые подобрали форму деталей так, чтобы рожок резонировал и направлял энергию внутрь жидкости с максимальной силой со всех сторон.

Механизм работы установки основан на микроскопических пузырьках. Звуковые волны заставляли воду быстро сжиматься и разжиматься. В жидкости появлялись пустые полости, которые моментально схлопывались. Этот процесс называют кавитацией. Схлопывающиеся пузырьки разрушали поверхность кофейных крупинок. Вода комнатной температуры проникала вглубь зерна и вымывала растворимые вещества.

Инженеры не утрамбовывали кофе в рожке, чтобы не мешать распространению звука, а жидкость подавали небольшими порциями через бумажные фильтры. По ходу эксперимента ученые меняли помол, мощность и время воздействия, чтобы найти оптимальный режим.

Так готовили ультразвуковой кофе / © Nikunj Naliyadhara et al./University of New South Wales

Затем физики сравнили классические горячие напитки с результатами работы новой установки. Они измерили количество растворенных веществ, выход экстракта, кислотность и уровень кофеина. За три минуты работы при мощности 100 ватт прибор извлек около 18% массы кофейных зерен мелкого помола. Доля растворенных веществ составила 8,89%. Горячий метод дал результат в 8,74%. Концентрация кофеина и кислотность в обоих случаях совпали.

Дополнительно исследователи зафиксировали энергозатраты на приготовление трех порций. Классическая машина потратила 0,082 киловатт-часа энергии без учета первоначального нагрева бойлера. Звуковая установка израсходовала 0,020 киловатт-часа. Потребление электричества снизилось на 75%.

В конце 100 обычных потребителей оценили вкус напитков. Участники не знали, какой именно кофе они пьют. В итоге разницы в оценках аромата и вкуса для двух видов эспрессо не было, люди не смогли отличить классический кофе от звукового. Правда, напитки предварительно остудили до 22 °C, чтобы уравнять условия дегустации, что очевидно повлияло на вкус.

Исследование показало физическую возможность быстро извлекать плотные кофейные фракции без термической обработки. Теперь ученые хотят адаптировать метод для промышленного производства жидких кофейных концентратов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.