Negli ultimi lesson del ns Scienza della torrefazione course, abbiamo esplorato il fronte di evaporazione che si forma all'interno dei chicchi di caffè durante la tostatura. Nella torrefazione del caffè questo fenomeno ha uno status quasi mitico. È stato persino pubblicizzato come una possibile causa di prima crepa, ma ci sono pochissimi studi diretti su questo argomento e un sacco di congetture. 

In questo post, daremo un'occhiata più da vicino a ciò che sappiamo su come l'umidità evapora durante la tostatura e spiegheremo alcuni dei motivi per cui l'evaporazione è così importante per la tostatura del caffè.

Quando evapora l'umidità?

Sfortunatamente, è molto difficile misurare con precisione cosa succede all'umidità nel chicco durante la tostatura. Esistono essenzialmente due approcci: prelevare campioni di fagioli in varie fasi durante l'arrosto e misurare il contenuto di umidità rimanente nel campione; o misurare l'umidità rilasciata nei gas di scarico.

Ogni approccio presenta problemi: se si misura il contenuto d'acqua dei campioni dalla torrefazione, è necessario prima raffreddarli, durante il quale potrebbero continuare a rilasciare umidità o assorbirla dall'aria. Per misurare il contenuto di umidità con un forno di disidratazione, il metodo più accurato, potrebbe essere necessario macinare i chicchi, a quel punto potrebbero rilasciare più umidità o altri gas che influenzerebbero il risultato (Schenker 2000).

L'altro approccio, misurare l'umidità nel camino di scarico, è tecnicamente piuttosto impegnativo. Inoltre, rende difficile distinguere tra l'umidità esistente nel chicco che viene evaporato e l'umidità aggiuntiva che viene creata nelle reazioni chimiche durante la tostatura.

James Davison, ingegnere chimico e fondatore di Roaster Williamstown, ha adottato il secondo approccio per misurare l'umidità sprigionata dai fagioli durante la tostatura. Nei suoi risultati, mostrati nel grafico in basso a destra, la quantità totale di acqua rilasciata rappresenta circa 16% del peso iniziale dei fagiolini, ma una quantità sostanziale dell'acqua che ha rilevato sarebbe stata creata durante l'arrosto.

L'anemometro su misura utilizzato per misurare il flusso d'aria nel camino di scarico per gli esperimenti di James Davison

Tutto ciò significa che è difficile essere certi del contenuto di umidità nel chicco durante la tostatura e i tentativi di misurarlo spesso danno risultati contrastanti. Tuttavia, la maggior parte delle prove disponibili suggerisce che l'umidità evapora continuamente durante tutto il percorso dell'arrosto, piuttosto che solo durante la cosiddetta "fase di essiccazione" all'inizio dell'arrosto.

Due approcci alla misurazione perdita di umidità. Il grafico di sinistra, adattato da Schenker (2000), mostra il contenuto di umidità dei campioni di fagioli rimossi nelle diverse fasi della tostatura in una torrefazione a letto fluido a temperatura fissa. Il grafico di destra, da Davison (2019) si basa sul contenuto di umidità misurato nei gas di scarico durante la tostatura. Queste misurazioni sono state prese in una torrefazione a tamburo e mostrano un distinto picco di evaporazione dell'umidità a prima crepa. Il contenuto d'acqua totale è calcolato dall'umidità evaporata nel camino e quindi include l'acqua creata nelle reazioni chimiche durante la tostatura.

Ma questo non significa che il contenuto di umidità stia diminuendo in modo uniforme in tutto il chicco. Invece, per la maggior parte dell'arrosto, c'è una netta separazione tra una regione secca all'esterno del chicco e una regione umida all'interno. Tra i due c'è uno strato in cui l'umidità sta evaporando e fuoriesce dal fagiolo: il fronte di evaporazione.

Il fronte di evaporazione

L'idea centrale del fronte di evaporazione è che l'acqua deve prima fuoriuscire dallo strato esterno del chicco. All'inizio della tostatura, la temperatura dei chicchi aumenta più velocemente vicino alla superficie dei chicchi e il calore viaggia più lentamente verso gli strati interni. L'umidità vicino alla superficie del chicco evapora quindi per prima, creando uno strato di vapore acqueo nella parte esterna del chicco, il fronte di evaporazione.

Quando la temperatura del chicco supera i 100°C, la pressione all'interno del chicco inizia ad aumentare poiché il vapore si accumula più velocemente di quanto possa fuoriuscire. La pressione può arrivare fino a 25 bar durante la tostatura (Bonnlander et al 2005) — più del doppio della pressione che troverai in uno pneumatico per bici da pista olimpica. L'alta pressione rende più difficile l'evaporazione dell'acqua, quindi il chicco contiene ancora acqua liquida, o acqua legata alla struttura del chicco, a ben oltre il punto di ebollizione. Funziona esattamente allo stesso modo in cui la caldaia a vapore della tua macchina per caffè espresso contiene sia vapore che acqua a 120°C o più: la pressione impedisce all'acqua di evaporare, il che consente alla temperatura di aumentare oltre la normale temperatura di ebollizione.

Negli strati esterni del chicco, il vapore può fuoriuscire attraverso i pori del chicco, la pressione diminuisce e l'acqua rimanente evapora. Negli strati interni del chicco, il vapore non può fuoriuscire, perché è circondato da vapore ad alta pressione su tutti i lati.

Il fronte di evaporazione. Il nucleo del chicco (1) contiene sia acqua liquida/legata che vapore ad alta pressione. Il vapore non può fuoriuscire, perché è circondato da un'alta pressione su tutti i lati. Il vapore fuoriesce dallo strato esterno del chicco (2). Tra i due c'è lo strato in cui l'acqua liquida/legata può trasformarsi in vapore: il fronte di evaporazione (3).

Il risultato è uno strato asciutto all'esterno del chicco, mentre il centro contiene ancora molta umidità. Mentre l'arrosto continua, il fronte di evaporazione si sposta verso l'interno verso il centro del chicco mentre sempre più vapore fuoriesce dal chicco.

L'importanza dell'evaporazione

Trasformare l'acqua in vapore richiede molta energia: l'energia richiesta è chiamata Calore latente di vaporizzazione. Comprendere questo è la chiave per capire in che modo l'evaporazione dell'umidità influisce sul modo in cui i chicchi rispondono al calore nella tostatrice.

Se si riscalda l'acqua a una velocità fissa, la temperatura dell'acqua aumenta gradualmente. Tuttavia, a 100°C, succede qualcosa di strano. Continui ad applicare calore, ma la temperatura smette di aumentare e l'acqua rimane a 100°C. Quell'energia ora sta andando verso la trasformazione dell'acqua in vapore, invece di aumentare la temperatura dell'acqua. Infatti, per trasformare l'acqua in vapore è necessaria una quantità di energia cinque volte superiore a quella necessaria per riscaldare l'acqua da 0 a 100°C.

Il Calore latente di vaporizzazione dell'acqua. Man mano che si aggiunge calore, la temperatura dell'acqua aumenta fino a 100°C ma poi si ferma. L'eventuale ulteriore calore aggiunto viene utilizzato per l'evaporazione, fino a quando tutta l'acqua non si sarà trasformata in vapore.

Ciò significa che sul fronte dell'evaporazione, gran parte dell'energia assorbita dal chicco va a vaporizzare l'acqua, invece di aumentare la temperatura. Nello strato esterno del chicco, d'altra parte, quel calore può contribuire a guidare le reazioni chimiche e aumentare la temperatura del chicco.

L'effetto di ciò è che qualsiasi calore che penetra nel chicco è in grado di aumentare la temperatura dello strato esterno più velocemente dello strato interno.

Barriere al calore

Man mano che la tostatura procede, anche lo strato esterno inizia a fungere da barriera, riducendo la quantità di calore che raggiunge il centro del chicco. In primo luogo, lo strato esterno si asciuga. Il caffè secco conduce il calore meno bene del caffè umido, quindi lo strato esterno secco funge da barriera aggiuntiva al calore che raggiunge il centro. In secondo luogo, lo strato esterno inizia a diventare più poroso quando la struttura cellulare si rompe. I pori sono isolanti, perché sono pieni di gas, basti pensare a come funziona il polistirene espanso. Il risultato è che l'aumento del volume dei pori rende lo strato esterno ancora meno efficace nel condurre il calore al centro.

Poiché lo strato esterno, asciutto, è meno adatto a condurre il calore nel chicco, inizia a formarsi un gradiente di temperatura, con la superficie del chicco più calda. Il nucleo del chicco, dove la struttura è ancora umida e densa, è più efficace nel condurre il calore. Qualsiasi calore che raggiunge questa zona viene trasferito più facilmente al nocciolo, quindi la temperatura all'interno del nocciolo del chicco è maggiore omogenea.

Il fronte di evaporazione impedisce al calore di raggiungere il centro del chicco. Nello strato esterno del chicco (1), la struttura del chicco è espansa e porosa e il contenuto di umidità è basso, quindi non conduce efficacemente il calore agli strati interni. Ciò si traduce in un forte gradiente di temperatura tra l'esterno e l'interno del chicco. Sul fronte di evaporazione (2), l'umidità assorbe calore e si converte in vapore. Il centro del chicco (3), che è più denso e ha un contenuto di umidità maggiore rispetto alla superficie, conduce il calore in modo più efficace rispetto alla superficie, quindi il centro ha una maggiore omogenea temperatura

Modellazione del fronte di evaporazione

Non possiamo vedere direttamente il fronte di evaporazione: supponiamo solo che sia lì perché è così che si comporta l'essiccazione in altri materiali. Tuttavia, possiamo prevedere cosa succede usando la modellazione matematica. In una serie di articoli, i ricercatori dell'Università di Oxford e Jacobs Douwe Egberts hanno costruito un modello matematico per descrivere il comportamento dell'umidità all'interno del chicco durante la tostatura.

Hanno scoperto che il loro modello prevedeva due zone molto distinte all'interno del chicco: una zona ad alta pressione al centro, continuando sia il vapore che l'acqua liquida o legata, e una zona distinta sul bordo del chicco che era completamente asciutta, con una stretta fronte di evaporazione tra loro (Fadai et al 2016).

Il fronte di evaporazione, come previsto dalla modellizzazione. La regione i contiene vapore e acqua liquida/legata ad alta pressione e si restringe gradualmente man mano che il fronte di evaporazione si sposta verso l'interno. La regione ii è completamente asciutta. Adattato da Fadai et al (2016)

Sorprendentemente, il loro modello suggerisce che la temperatura è quasi la stessa in tutto il chicco. Ciò potrebbe implicare che l'effetto del fronte di evaporazione sul trasferimento di calore è relativamente piccolo e che il modo in cui l'umidità fuoriesce dal chicco è più importante per determinare la modalità di tostatura di un caffè rispetto alla facilità con cui il calore penetra al centro.

La differenza di temperatura tra il centro e la superficie del chicco dipende forse dalle condizioni di tostatura. Schenker (2000) ha inserito una minuscola sonda di temperatura in un chicco per misurare la differenza tra la temperatura all'interno del chicco e la temperatura del mucchio di chicchi, come data dalla sonda 'temperatura del chicco'. L'allineamento della temperatura del nucleo e del mucchio di fagioli dipendeva dalla velocità complessiva della tostatura: arrosti più veloci e più caldi mostravano una differenza maggiore mentre nella tostatura più lenta, la temperatura del nucleo dei chicchi ha raggiunto la temperatura del mucchio di fagioli intorno a metà del arrosto.

Temperatura della pila di chicchi e del nucleo dei chicchi durante la tostatura in una torrefazione a letto fluido funzionante a temperature fisse. La temperatura interna dei fagioli è in ritardo rispetto alla pila dei fagioli, ma alla fine raggiunge l'arrosto più lento. Sono stati utilizzati tre profili: alta temperatura, breve tempo (HTST); media temperatura, tempo medio (MTMT); e bassa temperatura, tempo lungo (LTLT). Adattato da Schenker (2000)

Il fronte di evaporazione e Prima crepa

Il fronte di evaporazione ha un altro effetto importante. All'aumentare della temperatura del chicco, ad un certo punto il materiale del chicco subisce una transizione da uno stato gommoso ad a fragile uno — chiamato transizione vetrosa. La temperatura a cui ciò accade dipende dalla quantità di umidità: se c'è più umidità, la transizione vetrosa avviene a una temperatura più bassa.

Incorporarlo nel modello del fronte di evaporazione ha un effetto interessante: ad una certa temperatura, il nucleo del chicco subisce la transizione vetrosa poiché ha più umidità, e diventa gommoso e in grado di espandersi con l'aumento della pressione del vapore. Lo strato esterno del chicco, invece, rimane fragile perché è più secco e quindi resiste a tale espansione. All'aumentare della temperatura del chicco, lo stress si accumula mentre la regione interna cerca di gonfiarsi ma è contenuta dal fragile strato esterno. Questo stress potrebbe essere la causa di prima crepa (Fadai et al 2019).

Capire meglio come l'umidità fuoriesce dal chicco può spiegare molto di più sulla tostatura del caffè di quanto pensassimo in precedenza. Se lo stress creato tra gli strati interno ed esterno dei fagioli è la causa di prima crepa, quindi modificare il modo in cui l'umidità fuoriesce dal chicco o controllare quando avviene la transizione vetrosa nei diversi strati del caffè, potrebbe avere profonde implicazioni per il controllo del profilo complessivo della tostatura.